短程硝化脱氮技术研究进展

时间:2023-08-20 19:40:03 来源:网友投稿

尹国策,魏佳音,何林锟

(兰州交通大学环境与市政工程学院,甘肃兰州 730070)

近些年,随着经济的快速发展,我国越来越重视对环境的保护,出台了许多政策以及制定了诸多污水的排放标准,要求污水厂各个出水指标均要达到一级A类标准,这其中就包括氨氮(NH3-N)和总氮(TN)。国内外多数水厂均采用全程硝化脱氮工艺,即先通过氨化作用将有机氮转化为NH3、NH4+,然后进行硝化反应的第一步,将NH3、NH4+转化为亚硝酸盐(NO2-);
然后进行第二步,将NO2-转为硝酸盐(NO3-),最后进行反硝化反应将NO3-转化为氮气。

这种传统工艺存在运行能耗高,水力时间长,总氮的去除率不高等特点。因此,只有对常规的生物脱氮工艺进行改进,加强生物脱氮功能,才能解决氨氮排放达标问题,而短程硝化技术对于生物脱氮技术具有较高的切实性。

1.1 短程硝化机理

短程硝化脱氮技术是利用氨氧化菌(AOB)和硝酸菌(NOB)在动力学特性上存在的固有差异,控制硝化反应只进行到NH2--N 阶段,然后进行反硝化反应。该工艺的实质就是通过控制环境条件,抑制硝酸菌(NOB)的同时,使氨氧化菌(AOB)成为优势菌种,从而实现NH2--N 的大量积累。

1.2 短程硝化特点

短程硝化原理:

对比上述几个方程式可以得出:

(1)短程硝化只需将氨氮转化为亚硝酸盐,可节省25%的供氧量,降低了运行成本;

(2)短程反硝化则是直接将上一步转化的亚硝酸盐转化为氮气,减少了40%的外加碳源。另外,在降低了运行能耗的同时,还使低碳氮比高效率脱氮成为可能。

氨氧化菌(AOB)与硝酸菌(NOB)主要指标对比见表1,由表1 可以得出:

表1 AOB 菌与NOB 菌主要指标对比

(1)AOB 的世代期比NOB 短,所以污泥龄短,易提高反应器微生物浓度;

(2)硝化和反硝化速率提高,降低了反应器的水力停留时间,节省反应器的有效容积与占地面积;

(3)通过表观系数计算,在硝化过程中可减少产泥24%~33%,在反硝化过程中可减少产泥50%,节省了污水处理中的污泥处理费用。

常规的硝化反应分两步进行,而短程硝化只进行第一步,即不允许NO2--N 被继续氧化为NO3--N,这样就可以实现亚硝酸盐的积累。影响短程硝化过程的因素有温度、溶解氧、pH 值、游离氨以及抑制剂等。

2.1 温度

短程硝化过程中存在着非常复杂的转化过程,这其中就包括系统中多种酶的转化以及多种过程产物。从生理特性上来讲,每个生物反应都有一个最佳反应温度[1]。因此可以通过调控反应器内的温度来控制AOB和NOB 的生长速率,从而对AOB 进行筛选,对NOB进行淘汰。

在目前的研究中,研究者们对短程硝化中AOB 的最佳生长温度说法不一。袁林江等[2]通过实验发现,当温度在12~14 ℃以及高于30 ℃时,NOB 的生长完全被抑制,AOB 生长速率较快,表现为亚硝酸盐的积累。在15~30 ℃时,NOB 的活性又上升,短程硝化过程消失。彭永臻[3]控制反应器温度在30~32 ℃时,成功实现了生活污水的短程硝化脱氮;
而高景峰等[4]在处理啤酒废水时发现,实现短程硝化的最适温度为28~29 ℃。

2.2 溶解氧(DO)

AOB 和NOB 均是严格的好氧菌,由于二者对氧的竞争力和亲和力的差异,所以能够通过控制反应器内溶解氧的浓度来调控二者的生长速率,然后淘汰NOB。一般认为在较低的溶解氧浓度下,AOB 的生长速率大于NOB。至少应使DO 在0.5 mg/L 以上才能很好的进行硝化作用,否则硝化作用会受到抑制。

杨庆等[5]调控溶解氧浓度为0.5 mg/L 时,可以实现一段时间的短程硝化,但在长期运行中,短程硝化会被破坏。这就需要不断的调控反应器中的溶解氧浓度来实现短程硝化过程。

2.3 pH 值

AOB 和NOB 均有其最适的pH 环境,AOB 的最适pH 值为7.0~8.5,NOB 的最适pH 值为6.0~7.5[6]。当pH值大于7.0 时,AOB 的生长速率会明显大于NOB,两者的最小SRT 较大,更易于通过控制SRT 淘汰NOB 菌群;
但当pH 值小于6.3 时,AOB 的生长速率低于NOB,难以通过控制SRT 淘汰NOB。另外,实验发现,反应器内的pH 值会随着硝化反应的进行而降低。

2.4 游离氨(FA)

游离氨是AOB 生长所需物质,过高的游离氨会抑制AOB 与NOB 的生长,但对NOB 菌群的抑制更为明显。因此可以通过控制游离氨的浓度来实现稳定的短程硝化过程。

WANG 等[7]在研究中发现,游离氨浓度为210 mg/L时,NOB 的生长速率远小于AOB。韩晓宇等[8]发现不断升高反应器内的游离氨浓度,也可以实现亚硝酸盐的积累。因此调控反应器内的FA 浓度,可以造成对AOB和NOB 的抑制差异,是实现短程硝化的有效手段。

2.5 抑制剂

重金属盐、有毒有害物质和一些有机物质都影响硝化反应。例如,重金属中的锌和铅对硝化过程两阶段都有抑制作用,但抑制程度不同。苯酚、苯胺等有机化合物对NOB 的抑制作用远大于AOB。因此可以向反应器中添加重金属、有机物等抑制剂,使亚硝酸盐在反应器中积累,从而实现稳定的短程硝化。

可以通过调控上述诸多控制因素使亚硝酸盐达到积累,实现稳定的短程硝化过程。但在实际操作时,仍存在诸多问题与难点:

(1)从温度方面来说,大多数生活污水或废水难以达到并维持28~35 ℃的水温,如果坚持用温度来控制短程硝化过程,势必会增加运行能耗。另外,目前控制短程硝化的最适温度说法不一,在实际中仍需要调控探究。

(2)从溶解氧方面来讲,反应器中过低的溶解氧会使硝化反应速率减缓,导致系统内的反应时间过长,从而会使反应池体的容积增大,增加了水厂的占地面积。另外,反应器中较低的溶解氧可能会发生丝状菌膨胀的状况,会严重影响脱氮过程。

(3)从pH 值方面来讲,在短程硝化过程中,系统内的pH 值会不断降低,这就需要不断的向反应器内投加碱度,增加了运行成本。另外AOB 和NOB 的最佳生长pH 值范围非常接近并且二者有交叉部分,这说明,用pH 值来调控短程硝化过程有一定的难度。

(4)从抑制剂的方面来讲,向反应器内加入抑制剂后,要精确的掌握排泥周期才能及时淘汰反应器内的NOB。否则NOB 可能会发生变异,适应了加有抑制剂的环境,这样短程硝化过程会被直接破坏掉。

本文就短程硝化的优势、机理进行了阐述,同时也指出了短程硝化的调控因素以及难点,希望能够为之后的研究提供一定帮助。虽然短程硝化技术还有一些问题有待于解决,实际工程应用也并不多,但其具有的潜力却是无限的。为了更好的研究利用短程硝化技术,可以从以下几个方向入手:(1)短程硝化反硝化SBR快速启动的研究;
(2)实时控制参数的探索与稳定性验证;
(3)微生物群落分析。

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