生態(tài)環(huán)境2006, 15(5): 905-908http://www.jeesci.comEcology and EnvironmentE-mail: editor@jeesci.com生活污水的好氧反硝化研究張智'，楊華仙', 張曉衛(wèi)”，浦軍毅'1.重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，重慶400045; 2. 中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司，重慶400013摘要:采用強(qiáng)化生物絮凝工藝處理生活污水，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了好氧反硝化的存在;好氧反硝化的效率依賴三個(gè)因素:溶解氧濃度、絮體大小、有效碳源。低溶解氧質(zhì)量濃度有利于好氧反硝化脫氮，當(dāng)ρ(DO)為 0.5 mg L'時(shí)，TN去除率達(dá)到57.7%。結(jié)合理論分析，對(duì)好氧反硝化的機(jī)理以及影響因素進(jìn)行了探討。關(guān)鍵詞:氨氮;生活污水;好氧反硝化;溶解氧;碳氮比中圖分類號(hào): X703文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A文章編號(hào): 1672-2175 (2006) 05-0905-04傳統(tǒng)的生物脫氮理論認(rèn)為生物脫氮( biological板焊接制作。流量為4.0m? d',缺氧池、絮凝池、nitrogen removal, BNR )過程由好氧條件下的自養(yǎng)型沉淀池容積: 0.3、 0.25、 0.46 m'，對(duì)應(yīng)的HRT分硝化(autotrophic nitrification) 和缺氧條件下的異別為: 1.8、1.5、2.8 ho水溫20~ ~22 C,進(jìn)水pH=7.6~養(yǎng)型反硝化( heterotrophic denitrification)來共同完9.3(平均為8.2)，絮凝池pH平均為7.3成"，可由NH-N的去除過程來說明2:MLSS=1 800~1900 mg L'，泥齡(SRT)維持在8~NH4*+1.5O2 NO2+H2O+2H+(1)10d。.NO2+0.5O2 NO3(2)NO2 +3H(碳源) 0.5N2+2H2O+OH(3)NO3 +5H(碳源) 0.5N2+2H2O+OH(4)缺強(qiáng)化絮額式(1 )和(2)在好氧條件下進(jìn)行，而式(3)和(4)在TTT缺氧條件下進(jìn)行。由式(1)~(4)可知，硝化過程產(chǎn)目流污泥V_ 剩余污晁_生酸，因此消耗水中的堿度，而在反硝化過程中則產(chǎn)生堿度。根據(jù)理論計(jì)算，每硝硝化1 g NH3-N需圖1工藝流程約7.14 g堿度(CaCO3計(jì))，每反硝化1 g NO2-N或Fig. 1 Flow chart of treatmentNO3-N可產(chǎn)生3.57 g堿度。因此對(duì)于生物脫氮工藝，若反硝化完全，則每去除1 g NH3-N需投堿約1.2試驗(yàn)水質(zhì)3.57 g,這就是傳統(tǒng)硝化反硝化(NDN)存在的問題3試驗(yàn)用水采用宿舍區(qū)生活污水，具體水質(zhì)指標(biāo)見表1。好氧反硝化又稱同時(shí)硝化反硝化(SND)4,是表1 p(9/ p( N對(duì)脫氮的影響在有氧條件下發(fā)生反硝化。上個(gè)世紀(jì)人們就清 楚地Tab. 1 Nitrogen removal vs ()/i(N)發(fā)現(xiàn)5-7:若溶解氧濃度得到嚴(yán)格控制，可以在同一(P(C)/i(N)-P(COD,)/(mg. 少_ p(NH-N,)/(mg- L ρ(TN,)(mg 少運(yùn)行條件下發(fā)生SND。近年來，好氧反硝化(Aerobic進(jìn)出η%進(jìn)denitrification) [8.9也有不少研究和報(bào)道。在許多實(shí)2.49 182 18 90.11 58.12 36.88 36.65 73.00 50. 5430.77際運(yùn)行中的好氧硝化池中也常常發(fā)現(xiàn)有30%的總3.56 253 2 589.72 59.38 30.35 48.89 71.08 4.72 37.084.58340 31 90.88 59.71 30.08 50.12 74.16 40.61 45.24氮損失0。稻森悠平"等觀察到缺氧階段和好氧階段2h內(nèi)TN的明顯降低認(rèn)為發(fā)生了好氧反硝化。2試驗(yàn)結(jié)果及分析作者采用強(qiáng)化生物絮凝工藝處理某大學(xué)生活污水2.1 (C0D)/ ρ(N之比對(duì)好氧反硝化的影響過程中，同樣發(fā)現(xiàn)明顯的好氧反硝化現(xiàn)象，并對(duì)好從表1中的處理效果看，由于強(qiáng)化絮凝工藝采氧反硝化的機(jī)理以及影響因素進(jìn)行了探討。用了短水力停留時(shí)間(Short HRT),使得硝化反應(yīng)不1試驗(yàn)條件及方法很徹底，在低ρ(COD)/ ρ(N)(2.49)下,反硝化對(duì)碳源1.1試驗(yàn)裝置及運(yùn)行工藝流程見圖1。試驗(yàn)一體化裝置采用熱扎鋼(能量)需求難以滿足，TN去除不理想(30.77%)，隨中國(guó)煤化工基金項(xiàng)目:中冶賽迪技術(shù)開發(fā)合同(CISD2004-15)作者簡(jiǎn)介:張智(1960-), 男，教授，博士，博導(dǎo)，多年從事水處理技術(shù)研究與教學(xué)。MHCNMH G收稿日期: 2006-05-09.)06生態(tài)環(huán)境第15 卷第5期(2006年9月)p(COD)/p(N)的增加，TN去除率的上升趨勢(shì)明顯(見2.3溶解氧對(duì)好氧反硝化的影響圖2)。溶解氧濃度直接影響到硝化反硝化速率，進(jìn)而影響脫氮效率。試驗(yàn)中調(diào)節(jié)絮凝池ρ(DO)分別為80-◆-infuent.0.2、0.5、 0.8、1.3、 1.5、 3.0、 3.6mgL',考察Do對(duì)脫氮的影響，結(jié)果見圖3。5-+-euent40十2(十10 - + removalratio(%)60↑22.533.544.550p(C)p(N)E0圖2 TN去除率隨 p (C)/ p (0)變化曲線0 0.5 1. 1.52 2.533.5 4Fig.2 TN removal ratio vs CNρ (DO)(mgrL)此外，氨氮的去除大于總氮，而對(duì)于完全的圖3 TN去除率隨D0變化曲線SND,銨氧化速率應(yīng)大致等于反硝化速率[12]。因?yàn)镕ig.3 TN removal ratio vs DO自養(yǎng)硝化要比異養(yǎng)代謝慢，所以SND在硝化過程中需要緩慢降解的有機(jī)碳源來持續(xù)提供給反硝化TN的去除曲線呈現(xiàn)“雙峰”狀，ρ(D0)=0.5能量。廢水中通常是固有緩慢降解的coD,而內(nèi)部mgL'(低溶氧水平)對(duì)應(yīng)去除率的左峰值點(diǎn)，有機(jī)碳儲(chǔ)藏聚合體也是另一個(gè)緩慢降解的能量源。p(D0)=1.5 mgL" (中溶氧水平)對(duì)應(yīng)去除率的右峰因?yàn)镻HB的氧化速率較可溶性的碳源要慢，所以值點(diǎn)，其左右峰值幾乎等高(57.7%與58.1%)。p(DO)從易生物降解的COD轉(zhuǎn)化到細(xì)菌儲(chǔ)藏聚合體(例在0.2~1.3范圍內(nèi)，TN去除率先上升后跌落，表如PHB)貯備了溶解性的COD以用作緩慢降解的明好氧反硝化易在低溶解氧條件下取得，當(dāng)氧濃度底物3。這樣p(COD)Vp(N)對(duì)好氧反硝化的影響便太低[p(D0)=0.2 mg:L]時(shí)，氨的氧化受到抑制，亞不難理解了。硝酸鹽及硝酸鹽濃度較低，脫氮效率降低5);當(dāng)p(DO)超過0.5 mgL',污泥充氧劇烈，大顆粒絮體2.2好氧過程中的反硝化為了避免將缺氧段的常規(guī)異養(yǎng)反硝化歸功于逐漸被打碎，破壞了絮體內(nèi)部的缺氧(厭氧)微環(huán)境，絮凝池的好氧反硝化，試驗(yàn)對(duì)絮凝池中氮的不同形使得好氧反硝化受到抑制，從而降低了脫氮速率。態(tài)進(jìn)行了跟蹤監(jiān)測(cè)，結(jié)果見表2。當(dāng)p(DO)超過1.3 mgL', TN的去除率迅速上升, .到p(D0)=1.5 mgL"時(shí)達(dá)到峰值,而后又逐漸衰減，表2絮凝池中氮的變化這表明p(DO)在1.3~3.6 范圍內(nèi)，發(fā)生的不再是好Table2 Variation of nitrogen in foculation tankmgL'氧(自養(yǎng)"0)反硝化，而是傳統(tǒng)的異養(yǎng)反硝化，因?yàn)轫?xiàng)目50.12出水減少量去除率%隨氧濃度的增加，氧的穿透能力加強(qiáng)，會(huì)使菌膠團(tuán)p(NH-N)35.0015.1230.17p(NO2 N)0.250.230.02內(nèi)部的部分微環(huán)境由厭氧型轉(zhuǎn)變?yōu)楹醚跣停毖趸痯(NO, N)11.7113.49-1.78速率提高，亞硝酸鹽及硝酸鹽濃度提高，硝化與反11.9613.72-1.76硝化反應(yīng)趨于平衡，脫氮速率提高;當(dāng)氧濃度增加)(TN)62.0848.7213.3621.52到一定程度時(shí)，反硝化反應(yīng)受阻，會(huì)出現(xiàn)硝酸鹽及亞硝酸鹽的大量積累，脫氮速率降低。從表2中可以看出，氨氮的減少量15.12 mg:L'試驗(yàn) 采用低曝氣量[(D0)=0.5 mgL門]以減少不等于硝態(tài)氮的增加量1.76 mgL',表明有13.36能耗，反而取得較好的好氧反硝化效果。國(guó)外許多mgL"的氮通過其它途徑“消失”掉，實(shí)質(zhì)上氨氮以研究19120也3發(fā)現(xiàn): p(D0)=0.5 mgL",硝化硝態(tài)氮作為電子受體直接被氧化成N2而釋放到大速率等于反硝化速率，會(huì)導(dǎo)致完全的SND發(fā)生。氣中?？捎膳悸?lián)4反應(yīng)表示: NH2*+O2- >NO2，2.4絮體大小對(duì)好氧反 硝化的影響NH4+ +NO2- +N2+2H2OKlangduenl2為了證明SND是- -種物理現(xiàn)象的若沒有好氧反硝化，p(TN)在整個(gè)絮凝池曝氣假設(shè)，做了大量試驗(yàn)考察絮體大小對(duì)SND的影響。過程中應(yīng)基本保持不變(除少量物理吹脫和同化作根本的物理中國(guó)煤化工anoxic mass用會(huì)引起微量減少外)，p(TN)的明 顯降低(減少了fraction)存在YHCN MH G向絮體的傳13.36 mg:L' )則說明確實(shí)有好氧反硝化發(fā)生。遞受到限制。典生的系體八為3U ~i10 um,相對(duì)張智等:生活污水的好氧反硝化研究907要比Andreadkisl2]測(cè)量的10~70 um大。如此巨大用，在活性污泥菌膠團(tuán)和生物膜內(nèi)部會(huì)存在多種多的絮體尺寸會(huì)在絮體內(nèi)部創(chuàng)造缺氧區(qū)(anoxic zone)樣的微環(huán)境類型。而導(dǎo)致反硝化發(fā)生(見圖4)。在好氧性微環(huán)境中，由于好氧菌的劇烈活動(dòng),當(dāng)耗氧速率高于氧傳遞速率時(shí)，可變成厭氧性微環(huán)aerobicDisolved Oxygen Profle境;同樣，厭氧性微環(huán)境在某些條件下，也能轉(zhuǎn)化inside a floc' aerobieanoxic成好氧性微環(huán)境。- 般而論，既使在好氧性微環(huán)境占主導(dǎo)地位的活性污泥系統(tǒng)中，也常常同時(shí)存在少Oxygen dfusion量的微氧、缺氧、厭氧等狀態(tài)的微環(huán)境。而采用點(diǎn)Large flocSmall floce源性曝氣裝置或曝氣不均勻時(shí)，則易出現(xiàn)較大比例的局部缺氧微環(huán)境。因此曝氣階段會(huì)出現(xiàn)某種程度圖4絮體尺寸對(duì)好氧缺氧區(qū)比率的影響的反硝化，或稱同時(shí)硝化反硝化的現(xiàn)象。Fig. 4 Influence of floc size on aerobic anoxic zoneratio in schematic activated sludge floc4結(jié)論(1)好氧反硝化的最適環(huán)境條件為:低溶解氧、國(guó)內(nèi)的觀點(diǎn)[23)為: - -般絮體的尺寸在0.15 mm高碳氮比和短泥齡27-28]。異氧硝化(Heterotrophic ni-或生物膜厚度超過0.1 mm的范圍已經(jīng)足夠允許在trification)在自然界中對(duì)氨的氧化占了很大部分|29)，傳統(tǒng)的活性污泥處理系統(tǒng)中形成實(shí)際上的反硝化。而異養(yǎng)硝化菌(heterotrophic nitrifiers)相比 自養(yǎng)硝化2.5硝化負(fù)荷對(duì)好氧反硝化的影響菌(autotrophic nitrifers)通常:增殖更快產(chǎn)量更高、硝化負(fù)荷影響氨氮的轉(zhuǎn)化，負(fù)荷太高，硝化反需要更低的溶解氧、對(duì)酸性環(huán)境忍耐性更高8，故應(yīng)不完全，脫氮效果變差。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，硝化負(fù)荷小酸性環(huán)境(acidic environment)是 否對(duì)好氧反硝化有于NH3-N0.1kgd'(略高于城市污水處理中的氮負(fù)利就成為后續(xù)深入研究的焦點(diǎn)。荷1240.05 kgd )為宜，當(dāng)硝化負(fù)荷超過NH3-N 0.1(2)反硝化過程中，硝酸鹽和亞硝酸鹽按照氧的kgdl時(shí)，出水p(NH3-N)明顯上升，去除率急劇下方式在呼吸作用的電子轉(zhuǎn)移鏈中(electron transport降，活性污泥結(jié)構(gòu)松散，沉淀池污泥成顆粒狀隨水chain)用作電子受體，對(duì)細(xì)菌的代謝作用只有較小帶出。的影響8。溶解氧嚴(yán)格控制運(yùn)行下，污泥沉降性能3機(jī)理探討得到改善(SVI=80)，肉眼便可觀察到污泥絮體礬花對(duì)于好氧反硝化機(jī)理可從生物學(xué)、生物化學(xué)以增大。及物理學(xué)的角度進(jìn)行探討。(3)與缺氧反硝化菌相比，好氧反硝化菌具有:(1)生物學(xué)角度。80年代好氧反硝化菌的重要發(fā)稍低的反硝化速率，在好氧和卻氧之間變動(dòng)的更優(yōu)現(xiàn)，使得好氧反硝化的解釋有了生物學(xué)的依據(jù)。已越的生態(tài)小環(huán)境，優(yōu)先利用特定的有機(jī)底物(如甲知的好氧反硝化菌[25]有Pseudomonas Spp,醇)3-31?？梢愿鶕?jù)其特性控制反應(yīng)朝有利的方向進(jìn)Alcaligenes faecalis, Thiosphaera Pantotrophao行(如進(jìn)水碳氮比不足時(shí)，可以投加甲醇，工程上以(2)生物化學(xué)角度。好氧反硝化所呈現(xiàn)出的最大p(COD)/p(N)=10為控制上限。特征是好氧階段總氮的損失。關(guān)于硝化作用的生物(4)供氧受到限制或缺少有機(jī)碳源的條件下，好化學(xué)機(jī)制的研究，目前已初步清楚按以下途徑進(jìn)氧反硝化技術(shù)有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn):氨氮和亞硝酸鹽分行: NH3氨-HN-NH2聯(lián)胺-→NH2-OH 羥胺- +N2 氨別作為電子供體和電子受體發(fā)生自養(yǎng)脫氮，使曝氣氣→N2O(HNO)氧化亞氮(硝?；?-→NO氧化氮能耗和有機(jī)碳源需求量大大減少。- +NO2亞硝酸- +NO;硝酸。在這個(gè)過在這個(gè)過程參考文獻(xiàn):中，至少有三個(gè)中間產(chǎn)物N2、N2O和NO能以氣體1] 顧夏聲.廢水生物處理數(shù)學(xué)模式[M]北京:清華大學(xué)出版社,形式產(chǎn)生，甚至有人261發(fā)現(xiàn)，好氧條件的反硝化會(huì)1993.GU Xiasheng. 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Low dissolved oxygen is propitious to aerobic denitrification, and TNremoval arived 57.7% when dissolved oxygen was 0.5 mg:L'. Both mechanism and influencing factors of SND were discussed inthis paper.中國(guó)煤化工Key words: ammonia; sewage; aerobic denitrification; dissolved oxygen; p(C)/p(N)MYHCNMH G.