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1、1同步硝化反硝化脱氮机理及影响因素研究贾艳萍 * 贾心倩 马姣（东北电力大学化学工程学院，吉林 吉林 132012）摘要：本文结合国内外研究，从宏观环境理论、微环境理论以及微生物学理论三方面阐明了同步硝化反硝化的脱氮机理，并对同步硝化反硝化的影响因素进行了综述，提出了该技术今后的研究方向。关键词：同步硝化反硝化；脱氮机理；影响因素引言氮、磷等物质排入江河易导致水体的富营养化，传统脱氮理论认为，废水中氨氮必须经硝化反应和反硝化反应过程，才能够达到脱氮目的，这是因为硝化和反硝化过程中微生物生长的环境有很大差异，硝化反应需要有氧气存在的环境，而反硝化则需在厌氧或缺氧环境中进行。近年来，国内外学者通过
2、大量的试验对工程实践中遇到的现象和问题进行了研究，以传统的生物法脱氮理论作基础，发现硝化反应和反硝化反应可以在同一操作条件下同一反应器内进行，即同步硝化反硝化(简称SND)，它使传统工艺中分离的硝化和反硝化两个过程合并在同一个反应器中，避免了亚硝酸盐氧化成硝酸盐及硝酸盐再还原成亚硝酸盐这两个多余的反应，从而可节省约25%的氧气和40%以上的有机碳，在反应过程中不需要添加碱度和外加碳源。与传统工艺相同处理效果情况下减少了20%的反应池体积，需要更低的溶解氧浓度（1.0mg/L左右） ，无混合液的回流以及反硝化搅拌设施 1,2。因此，SND简化了生物脱氮工艺流程，减少了运行成本。它突破了传统的生物
3、脱氮理论，简化了脱氮反应发生的条件和顺序，强化了生物脱氮过程，使传统的生物脱氮理论发生了质的飞跃。1 同步硝化反硝化作用机理SND 的脱氮机理可以从宏观环境理论、微环境理论和微生物学理论三个方面加以解释1.1 宏观环境理论一般来说，反应中所需的 DO 都是通过曝气来供给，不同的曝气装置会导致反应器内DO 的分布状态不同。但是在好氧条件下的活性污泥脱氮系统中，无论哪种曝气装置都无法保证反应器中的 DO 在废水中分布均匀，例如：在 SBR 反应器中，曝气并不能保证整个反应器中 DO 完全处于均匀的混合状态,缺氧区域的存在就为该反应器中成功实现 SND 提供了可能。1.2 微环境理论微环境理论是目前
4、解释 SND 现象普遍接受的观点。这种理论认为，微生物个体一般情况下非常微小，所以环境的微小变化也会不同程度的影响微生物的生存，污泥絮体内部DO 浓度的分布如图 1-1 所示。* 通讯联系人贾艳萍（1973-） ，女，博士，副教授，主要从事废水生物处理理论与工艺的研究。E-mail: jiayanping 电话： 15144266997资助项目：东北电力大学博士科研启动基金（BSJXM-201112）2主体相扩散层好氧区缺氧区图1-1 微生物絮体内反应区和基质浓度的分布示意图（双氧区模型）Fig. 1-1 The distribution schematic diagram of conce
5、ntration in microbial flocks reactive zone and substrate(dioxygen zone model)整个主体相中DO分布均匀，但是当DO向污泥絮体内部进行扩散时受到一定的限制，所以在絮体内部就会产生扩散层、好氧区、缺氧区这样一个DO梯度。微生物絮体的外层区域即扩散层和好氧区DO浓度较高，以好氧菌、硝化菌为主，在该区域有利于硝化反应的进行。随着DO扩散深入到微生物絮体内部，由于氧的传递受阻和扩散层、好氧区中 DO逐渐减少，在絮体内造成缺氧环境，此时有利于反硝化菌的生长，促进了反硝化的进行。微生物絮体内存在缺氧区域是实现SND的主要原因，然而缺
6、氧环境的形成主要取决于DO浓度的大小和絮体的结构。DO浓度过高就会扩散至污泥絮体内部，无法形成缺氧区域，就不能实现SND；浓度过低满足不了扩散层、好氧区硝化反应所需的DO，进而降低脱氮效果。因此，控制DO浓度以及微生物絮体的结构是成功实现SND的关键。1.3 微生物学理论作为一种自养型好氧微生物，硝化细菌主要通过氧化NH 4+-N和NO 2-N来获得能量供自身生长和繁殖。80年代以来，很多生物科学家通过研究发现许多菌类都可以对含氮化合物进行异养硝化，异养型硝化细菌不但生长速率快，产量高，而且要求的溶解氧的浓度比自养型硝化菌低。此外，在大量的实验室研究中发现了好氧反硝化细菌的存在 3,4。异养型
7、硝化细菌和好氧反硝化细菌的发现打破了传统的生物脱氮理论。因此从微生物学角度来说，SND生物脱氮也是可能的。2 同步硝化反硝化的主要影响因素SND影响因素主要包括溶解氧（DO） 、碳源、污泥浓度、 pH值、温度等。2.1 溶解氧（DO）DO浓度是影响SND的重要参数之一。系统中的 DO应满足有机物的氧化及硝化反应，但是溶解氧浓度不能太高。当DO较高时，它对生物絮体的穿透能力逐渐增大，DO扩散至污泥絮体内部，缺氧微环境很难形成。另外，O 2接受电子的能力高于 NO2-N和NO 3-N，抑制了反硝化细菌的活性，降低反硝化效果；DO过低，满足不了硝化反应所需的DO，同样会影响脱氮效果。可见，在SND
8、工艺中有效地控制DO在适宜的范围极其重要。Christine Helmer和Sabine Kunst5在SBR 系统中将DO 控制在 1mg/L时，TN 去除率最高达到50%。Puznava等 6在曝气滤池中通过DO在线控制，使TN 去除率达到 60-70%。国内关于溶解氧对SND 的影响也进行了研究，彭赵旭等 7采用SBR 反应器研究 SND时发现，当DO为0.45mg/L、C/N 为8.32时，可以最大程度地利用原水中的碳源进行 SND作用，SND 率为42.66%；赵玲与张之源 8研究复合SBR 中SND 时发现，控制 DO在3-5mg/L，SND现象最明3显，可以达到最佳的脱氮效果，此
9、时TN去除率达到80% ，而当 DO大于5mg/L或小于3mg/L时，脱氮效果及反硝化速率明显下降。以上这些研究说明只有保持适当DO 才能实现含碳有机物氧化、硝化和反硝化，硝化速率和反硝化速率越接近，SND效率越高。2.2 碳源有机碳源是微生物生长和繁殖所需能量的主要来源，同时也被认为是实现SND的关键因素之一。有机碳源浓度过高，异养菌活动旺盛，会抑制硝化反应，硝化不完全必然会影响反硝化效果；碳源不足，导致反硝化过程受阻，同样SND效果也不好。因此，对于 SND体系来说，硝化与反硝化同时发生，相互制约，使得有机碳源在整个SND反应体系占有不可忽视的地位。在污水处理中COD/NH 4+-N存在一
10、个最适范围，在该范围中氨氮的降解可以达到一个较高的水平。如果COD/NH 4+-N过高，有利于硝化菌的同化作用而不利于氨氮的去除，进而影响脱氮效果；COD/NH 4+-N过低，有机物在絮体好氧区域被大量消耗，不能满足反硝化对碳源的需要。国内外学者关于碳源对SND的影响进行了研究，如Shinya Matsumoto等 9采用膜生物反应器研究了C/N 对SND 的影响，在温度为230.5条件下，当C/N 由3.0提高到5.2，TN 去除率高于70%;Y.C.Chiu等 10研究了C/N 对SBR 工艺 SND脱氮效果的影响。在低C/N比下，由于碳源的不足导致了SND 的不平衡，当初始COD/NH
11、4+-N比为11.1时，SBR工艺实现了SND ， NH4+-N和COD 去除率接近100%，并且无 NO2-N积累。国内关于有机碳源对SND的影响也进行了研究。如周丹丹等 11利用SBR反应器探讨了COD对同步硝化反硝化的影响，结果表明：TN的去除率随着 COD/TN的增加而增加，当 COD/TN为10.05时，TN去除率最高可达70.39%。张可方等 12采用SBR工艺处理城市污水，研究C/N对SND脱氮效率的影响：C/N越高，出水NO 3-N浓度越低，SND效果越好。2.3 污泥浓度(MLSS)污泥浓度也是影响SND的一个重要因素。如果污泥浓度过低，曝气时絮体表面更新速率加快，DO的扩散
12、阻力降低，很容易进入絮体内部，絮体内缺氧区域比例的降低不利于反硝化，进而影响SND的效率；污泥浓度过高，如果DO不足就会导致硝化反应受阻，甚至会出现菌类死亡。Pochana等 13采用动态微生物絮体模型发现絮体平均直径为382m时，可实现98.5% 的SND；当平均直径减小到155m时，只能达到 26.3%的SND。高廷耀等 14研究表明，活性污泥浓度控制在5000mg/L左右，溶解氧控制在0.5-1.0mg/L，可以实现SND;李晓璐等 15认为在一定的污泥浓度范围内，随污泥浓度的降低（即污泥负荷量的增强） ，反硝化反应越强，污泥浓度为5200mg/L(即污泥负荷较重) 时反应效果最佳，TN
13、的去除率达到99.1% ；齐唯等 16认为在一定C/N值下污泥浓度的变化影响了氧的传递，进而影响了SND。当C/N值为5时，保证了NH 4+-N的去除率，但此时的好氧反硝化条件较差，出水残留较高浓度的NOx-N，TN 去除率只有49.4% ；当C/N 值增加到10时，污泥浓度增加，氧的传递受到限制，大幅度提高了系统的好氧反硝化效率，出水残留的NO x-N很低，但相反使NH 4+-N的去除率降低；当C/N值增加到15时，污泥浓度继续增加，氧的传递进一步受到限制，但此时TN去除率基本保持不变，出水NO x-N浓度依旧很低。2.4 pH值 pH是影响SND的又一个重要因素。不同微生物所适应的pH值范
14、围各不相同，硝化细菌是生物硝化过程的主体，硝化细菌的活性和数量决定了硝化作用的强弱，最适宜的pH值为8.0-8.4；而对于反硝化细菌的生长来说，最适宜的pH 值为 6.5-7.5，硝化菌和反硝化菌对pH值的变化十分敏感，超出适宜的范围后两种细菌的活性会大大降低。可见，对于SND体系，必须寻找一个适宜的pH值范围，使硝化反应与反硝化反应均能高效进行，进而得到理想的4TN去除率。Hong W Zhao等 17认为，由于在SND 工艺硝化过程中消耗的碱度和反硝化过程中产生的碱度具有一定的互补性，最适pH 值为7.5左右；邹联沛等 18通过MBR 研究了pH 值对SND的影响，通过pH的实际测量值与计
15、算值的对比可知，MBR中实现SND的最佳pH值约为7.2；方茜等 19考察污泥龄及pH值对SBR反应器SND的影响时发现，偏高或偏低的pH值均会影响SND过程中的硝化反应和反硝化反应, pH值在中性和略偏碱性的范围内有利于反应器内SND 的发生；杜馨 20在SBR-SND 脱氮技术的研究中发现，适宜SND 生物脱氮的pH值在7.5-8.0之间，系统在此范围内运行，出水TN去除率均可达92%以上。2.5 温度温度在12-14 或高于30时，活性污泥中的硝酸细菌活性会受到严重抑制，出现NO 2-N积累。在一般情况下，当温度在 15-30时，硝化反应生成的亚硝酸可以完全被氧化为硝酸，而反硝化反应的适
16、宜温度为20-40 ，综上可知，亚硝酸菌与硝酸菌具有不同的最适生长温度。在不影响亚硝酸细菌活性的基础上，通过调节温度抑制硝酸菌实现SND是一种可行的途径。Hungseok Yoo21研究表明，亚硝酸型硝化在 22-27，或者不低于15的情况下都可以实现SND；荷兰的Delft大学通过控制温度设计了SHARON工艺 22，在30-35 下，该工艺通过控制HRT来淘汰硝酸菌，使亚硝酸菌成为整个硝化过程中的优势菌，从而成功的实现SND 。张立秋等 23研究了常温（ 25-27）下SBBR中如何实现亚硝酸型SND，考察了(C)/ (N)对 SBBR系统SND的影响，采用SBBR法处理城市污水实现 SND较为适合的(C)/(N)为 5-8，亚硝酸盐的积累率高于85% ，TN去除率高于80%；张可方等 24研究得出，当温度为21-35 时，序批式生物膜反应器中能有效实现亚硝酸型SND。3 结束
