《短程硝化反硝化影响因素分析_王鹏.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《短程硝化反硝化影响因素分析_王鹏.pdf（4页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、工业用水与废水I N D U S T R I A LWA T E R&WA S T E WA T E RV o l.3 8 N o.2 A p r.,2 0 0 7短程硝化反硝化影响因素分析摘要:通过介绍短程硝化反硝化的脱氮机理,分析了温度、D O浓度、游离氨浓度、游离亚硝酸浓度、p H值、泥龄及有机物浓度7个方面对于短程硝化反硝化的影响,探讨如何控制这些影响因素来达到亚硝酸盐的积累,最终实现短程硝化反硝化。提出了一些常用脱氮工艺进行短程硝化反硝化的控制参数,并展望了今后研究的发展方向。关键词:短程硝化反硝化;影响因素;亚硝酸盐积累中图分类号:X 7 0 3.1文献标识码:A文章编号:!1 0
2、 0 9-2 4 5 5(2 0 0 7)0 2-0 0 1 2-0 4A n a l y s i so nf a c t o r sa f f e c t i n gs h o r t-t e r mn i t r i f i c a t i o n-d e n i t r i f i c a t i o nWA N GP e n g1,L I NH u a-d o n g1,2(1.F a c u l t y o f U r b a nC o n s t r u c t i o na n dE n v i r o n m e n t E n g i n e e r i n g,C h o
3、n g q i n g U n i v e r s i t y,C h o n g q i n g 4 0 0 0 4 5,C h i n a;2.Y o n g c h u a nG l o b a l C r e d i t Wa t e r L i m i t e dC o m p a n y,C h o n g q i n g 4 0 2 1 6 0,C h i n a)A b s t r a c t:T h r o u g ht h e i n t r o d u c t i o no f t h e m e c h a n i s mo f s h o r t-t e r mn i
4、 t r i f i c a t i o n-d e n i t r i f i c a t i o no nn i t r o g e nr e m o v a l,s e v e nf a c t o r s:t e m p e r a t u r e,c o n c e n t r a t i o no f D O,c o n c e n t r a t i o no f f r e ea m m o n i a,c o n c e n t r a t i o no f f r e en i t r o u s a c i d,p Hv a l u e,s l u d g e a g e
5、 a n d o r g a n i c s u b s t a n c e,w h i c h a f f e c t t h e s h o r t-t e r mn i t r i f i c a t i o n a n d d e n i t r i f i c a t i o nw e r e a n a l y z e d,m e a n w h i l e,h o wt o c o n t r o l t h e s e a f f e c t i n g f a c t o r s f o r n i t r i t e a c c u m u l a t i o n,a n
6、d r e a l i z e t h e s h o r t-t e r mn i t r i f i c a t i o n-d e n i t r i f i c a t i o na tl a s tw e r ea l s od i s c u s s e d.T h ec o n t r o lp a r a m e t e r so fs h o r t-t e r m n i t r i f i c a t i o n-d e n i t r i f i c a t i o nu s e di ns o m ec o m m o nn i t r o g e nr e m o
7、v a l p r o c e s s e s w e r ep r o p o s e dw i t ht h er e s e a r c hd i r e c t i o ni nt h ef u t u r e p r o s p e c t e d.K e y w o r d s:s h o r t-t e r mn i t r i f i c a t i o n-d e n i t r i f i c a t i o n;a f f e c t i n g f a c t o r s;n i t r i t e a c c u m u l a t i o n王鹏1,林华东1,2(1
8、.重庆大学 城市建设与环境工程学院,重庆4 0 0 0 4 5;2.永川侨立水务有限公司,重庆4 0 2 1 6 0)脱氮的工艺有很多,但焦点主要集中在开发一些能耗和药剂耗用量低、紧凑高效、基建费用低和脱氮效率高的工艺上。目前,有两种方法可以实现这一要求。一是氮化合物通过亚硝酸盐路径除去,这也是所谓的短程硝化反硝化,即将氨氮氧化为亚硝酸盐为止,通过选择抑制性物质或限制硝酸盐菌的活性,使亚硝酸盐有一定积累,然后对其进行反硝化来去除氮。短程脱氮不会形成硝酸盐,因而短程脱氮和除磷具有较好的共实现基础。二是,最近研究发现,在供氧体受限或缺少有机碳源的厌氧条件下发生同时硝化反硝化。1短程硝化反硝化的机理
9、硝化反应分为亚硝酸化和硝酸化两个步骤,这两步反应是由不同微生物来实施的。两步反应的计量式和对应微生物如下所示:亚硝酸化:2 N H4+3 O2 2 N O2-+4 H+2 H2O微生物:氨氧化菌A m m o n i a o x i d i z e r(N i t r o s o-m o n a s、N i t r o s o s p i r a、N i t r o s o c o c c u等)。硝酸化:2 N O2-+O2 2 N O3-微生物:亚硝酸氧化菌N i t r i t e o x i d i z e r(N i t r o-b a c t e r、N i t r o s p i
10、 r a等)。在生物脱氮中,亚硝酸盐氧化成硝酸盐,硝酸盐再还原成亚硝酸盐是两个多余的反应。避免这两个环节就可以节省2 5%的氧气和约4 0%的有机碳源。短程硝化反硝化就是将硝化过程控制在亚硝酸化阶段终止,随后直接实现反硝化,氮的变化过程收稿日期:2 0 0 6-0 8-2 2;修回日期:2 0 0 6-1 1-1 01 2为:N H4+H N O2 N2。另外,在脱氮除磷工艺中,回流到厌氧区的处理液中如果有硝酸盐存在,会对聚磷菌的磷释放过程产生不利影响。2短程硝化反硝化影响因素及控制分析短程硝化的标志是有稳定和较高的N O2-N积累,如何控制硝化停止在N O2-阶段是实现短程硝化的关键。因此控
11、制那些能对硝酸菌和亚硝酸菌产生不同影响作用的影响因素,可以影响硝化形式,从而实现亚硝酸盐积累。影响亚硝酸积累的因素主要有温度、D O浓度、游离氨(F A)浓度、游离亚硝酸(F N A)浓度、p H值、泥龄及有机物浓度。2.1温度生物硝化反应在4 4 5 内均可进行,亚硝酸菌与硝酸菌生长的最适宜温度不相同。在1 21 4时,活性污泥中硝化菌活性受到严重抑制,出现H N O2积累;1 5 3 0 时,硝化过程形成的N O2-完全被氧化成N O3-;温度超过3 0 后又出现N O2-的积累。在一定温度范围内(5 4 0),微生物的最大比增长速率与温度之间的关系可用修正的阿伦尼乌斯方程来描述1。mt=
12、m 2 0e x p(-Ea c t(2 0-t)2 9 3 R(2 7 3+t)6)(1)式中:mt温度t 时的微生物最大比增长速率,d-1;m 2 0标准温度(2 0)时的微生物最大比增长速率,d-1;Ea c t反应活化能,k J/m o l;R气体常数,8.3 1 4 J/(m o lK)。令=Ea c t/2 9 3 R(2 7 3+t)6(式中,称为温度系数),则上式可以写为:mt=m 2 0e x p(t-2 0)(2)根据式(2),硝化细菌的最大比增长速率随温度变化的曲线见图1。由图1可知,温度对亚硝酸细菌和硝酸细菌的最大比增长速率具有不同的效应,当温度低于2 0时,硝酸细菌的
13、最大比增长速率大于亚硝酸细菌的,而当温度高于2 0 时,亚硝酸细菌的最大比增长速率大于硝酸细菌的。换言之,当系统温度较高时,亚硝酸细菌处于优势地位,有利于亚硝酸盐的积累而实现短程硝化。S H A R O N工艺利用这一点使硝化细菌在竞争中被淘汰。2.2 D O浓度低D O浓度下的亚硝酸菌大量积累时,硝酸菌对D O的亲和力较亚硝酸菌强。亚硝酸菌氧饱和常数一般为0.2 0.4 m g/L,硝酸菌的为1.2 1.5 m g/L。低D O浓度下,亚硝酸菌和硝酸菌增值速率均有不同程度的下降,当D O的质量浓度为0.5 m g/L时,亚硝酸菌增值速率为正常的6 0%,而硝酸菌不超过正常的3 0%。利用这两
14、类菌动力学特性的差异可以达到淘汰硝酸菌的目的。鲁南等2发现了D O与亚硝态氮生成率之间的关系(如图2)。反应器长期在低D O条件下运行,会导致氨氧化菌种在硝化细菌中占有优势,且能稳定地保持这种优势,因而控制D O就成为了简化硝化和反硝化的一个有效手段。另外,氨氧化菌世代周期比亚硝酸氧化菌短,短程硝化可以提高微生物浓度和硝化反应速度,缩短硝化反应时间3。B e r n e t等在生物膜反应器中,控制D O的质量浓度在0.5 m g/L以下,从而使得出水中亚硝酸氮占总硝态氮的9 0%以上4。一般在硝化反应阶段当(D O):(F A)的值小于5时会产生N O2-N的大量积累,大于5时则不会出现N O
15、2-N积累。由于亚硝酸菌的氧饱和常数(KN=0.2 0.4 m g/L)远小于硝酸菌的氧饱和常数(KN=1.21.5m g/L),当活性污泥系统中D O的质量浓度降至0.3王鹏,林华东:短程硝化反硝化影响因素分析1 3工业用水与废水I N D U S T R I A LWA T E R&WA S T E WA T E RV o l.3 8 N o.2 A p r.,2 0 0 7m g/L时,亚硝酸菌的增殖速率约为正常的5 0%,而硝酸菌的增殖速率与正常速率的比值小于2 0%,同时必须控制合适的S R T,把硝酸菌从反应器中及时淘汰,才能实现稳定持久的亚硝酸盐积累。2.3 p H值硝酸菌和亚硝
16、酸菌适宜生长的p H值范围不同,亚硝酸菌的适宜p H值在7.0 8.5。而硝酸菌的适宜p H值在6.07.5。反应器中p H值低于7则整个硝化反应受抑制,p H值升高到8以上,则出水H N O2浓度升高。利用两者适宜生长的p H值不同,控制混合液中p H值就能控制硝化类型。研究证明,p H值对生物硝化反应器的效能可产生巨大的影响。合理调控p H值有利于短程硝化的实现。陈际达等5研究发现,短程硝化的适宜p H值范围为7.5 8.5,最佳p H值约为7.9。从基质的角度看,在较高的p H值下,F A浓度较高,可以满足亚硝酸细菌对基质的要求;F N A浓度较低,可以限制硝酸细菌对基质的需要。2.3.
17、1游离氨游离氨对硝酸菌和亚硝酸菌的抑制质量浓度分别为0.1 1.0 m g/L和1 0 1 5 0 m g/L。当游离氨的质量浓度介于两者之间时,亚硝酸菌能够正常增值和氧化,硝酸菌被抑制,就会产生亚硝酸盐积累。当p H值高于8.0时,F A占总氨氮浓度的比例迅速增大,如果环境中总氨氮浓度不高,可通过增大p H值来提高基质的有效性,但如果总氨氮浓度较高,则升高p H值极易诱发氨毒。在生物硝化反应器的操作中,对此应予以高度重视。2.3.2游离亚硝酸游离亚硝酸(F N A)是硝酸细菌的真正基质,也是亚硝酸细菌和硝酸细菌的真正抑制剂6。在水溶液中,H N O2与N O2-之间存在着如下电离平衡:H N
18、 O2!H+N O2-F N A占总亚硝态氮浓度的比例可计算如下:CF N ACT,N O2=11+Ka 1 0p H(3)式中:CF N A游离亚硝态氮浓度,m o l/L;CT,N O2亚硝态氮总浓度,m o l/L;Ka亚硝酸的离解常数,Ka=e x p-2 3 0 0/(2 7 3+t)。图3为2 0、2 5和3 0 时,p H值对F N A占总亚硝态氮浓度比例的影响。由图3可知,当p H值从0提高到4时,F N A占总亚硝态氮浓度的比例迅速下降,如果环境中总亚硝态氮浓度不高,可通过降低p H值来提高基质的有效性,但若总亚硝态氮浓度较高,则宜将p H值控制在6以上,以防F N A毒害。
19、另外,图3中的3条曲线几乎重合,因此可以看出在相同的p H值下,温度对F N A的影响较为微弱。2.4泥龄一方面,N H3-N的硝化速率比N O2-N的氧化速率快;另一方面,亚硝酸菌的世代周期比硝酸菌的短,因此可以通过缩短水力停留时间,使泥龄介于亚硝酸菌和硝酸菌的最小水力停留时间之间,使得系统中硝酸菌逐渐被冲洗掉,亚硝酸菌成为系统优势菌,从而形成亚硝酸型硝化。试验表明:水力停留时间小于3 h就可以实现亚硝酸盐硝化。2.5有机物浓度有机物对短程硝化的影响主要表现在异养菌与硝化菌对D O的争夺。当温度和p H值适合,D O和氨供给充足,有机物浓度对硝化作用不造成影响。但当D O不足,有机物浓度高时
20、,由于好氧异养微生物的比增殖速率(3 0 时为0.3 0.5 h-1)远大于自养硝化微生物的比增殖速率(3 0时为0.0 8 5 h-1),因而异养菌对水中D O的争夺强于硝化菌,故在D O不足时硝化菌的生长繁殖会受到抑制。有试验表明:有机负荷为0.2 5k gC O D/(k gM L S S d)时,可以实现较高的亚硝酸盐积累。3常用污水处理工艺短程硝化反硝化控制参数 A/O工艺中,长期控制D O在一个较低的水平,使其质量浓度在0.3 0.7 m g/L,可以对亚硝酸盐氧化菌(N O B)进行淘洗,从而实现稳定的亚硝酸盐积累,平均亚硝态氮积累率为8 5%,有时甚至超过9 5%7。1 4 M
21、 B R反应器中,当温度小于1 5或大于3 0 以及当p H值大于8时,N O2-N都开始积累,m(N O2-N)/m(N O x-N)已大于5 0%,而当p H值为9时,m(N O2-N)/m(N O x-N)已达到6 7%。D O的质量浓度小于1.0g/L有利于N O2-N的积累。随着氨氮负荷逐渐上升,N O2-N也有积累的趋势,一般可控制氨氮负荷在0.0 3 0.0 5 k g/(m3d)2。S B R工艺中,在温度为2 1 2 5、进水氨氮的质量浓度为3 0 0 m g/L、曝气量为7 0 8 0 L/h的条件下可实现短程硝化,亚硝态氮积累率大于9 0%。高、低溶解氧交替环境是实现短程
22、硝化的关键条件8。在p H值变化不大的情况下,增加进水氨氮质量浓度会提高亚硝酸盐的积累率,但也会延长反应时间。游离氨质量浓度为0.7 2 4m g/L时,也会对硝酸菌产生抑制的9。对于两段曝气生物滤池,控制A段水力负荷在2 2 m3/(m2d),气水体积比为6:1的条件下,当B段反应器的气水体积比为2:1时,B段具有明显的同步硝化反硝化特征,当气水比较低时主要进行短程的同步硝化反硝化1 0。C A S T工艺中,进水低m(C)/m(N)条件下,在低D O下可实现长期稳定的亚硝酸盐积累。当D O的质量浓度为0.5 m g/L时,系统内的亚硝化率可达8 0%以上,氨氮去除率大于9 0%;当D O的
23、质量浓度小于0.5 m g/L时,氨氮去除率下降;当D O的质量浓度大于1m g/L时,短程硝化过程向全硝化转化1 1。4总结当今,全球普遍强调可持续发展模式,这要求污水处理工艺不能再以治污作为处理的惟一目的,必须同时考虑污水所含污染物的资源化和能源化问题,并且所采用的技术必须以低能耗、高效率为前提。因此,污水处理工艺的应用和研究必须满足提高效率、节省能耗的要求。而传统生物脱氮由于消耗有机物和能源多,势必将被短程硝化反硝化,或被更节约能耗的短程硝化型的S N D或A N A M M O X的工艺所替代。为此以后需要对以下几个问题进行研究:加强和深化短程硝化机理的研究,尤其是低溶解氧下短程硝化机
24、理的研究。对大量的城市污水来说,一般属于低温低氨污水,要使废水保温在3 0 3 5 难以实现。因此,对低温低氨的城市污水如何实现短程硝化反硝化值得进一步研究。由于许多因素的控制需要耗能或者难度较大(如温度的控制、动态条件下p H值的调整),所以需要研发更加节能高效且易于控制和操作的污水脱氮工艺。目前短程硝化反硝化的研究多为小试或中试,实际应用的例子较少,所以应加强污水厂实际运行中,短程硝化反硝化机理的研究与探索。目前S H A R O N、A N A M M O X、O L A N D工艺和它们的组合工艺在国内研究还不够深入,应从工程应用、生态学以及微生物学机制等角度进行深入的研究,争取在理论
25、和应用上都有所突破。参考文献:1X i a o d i H a o,J o s e p h J,M a r k CM,e t a l.M o d e l-b a s e d e v a l u a t i o no ft e m p e r a t u r ea n di n f l o w v a r i a t i o n so nap a r t i a ln i t r i f i c a t i o nA N A M M O Xb i o f i l mp r o c e s sJ.Wa t e r R e s e a r c h,2 0 0 2,3 6(1 9):4 8 3 9-4
26、 8 4 9.2鲁南,孙锐,普红平.M B R中影响短程硝化反硝化的生态因子J.山东轻工业学院学报,2 0 0 5,1 9(4):1 8-2 2.3施永生.亚硝酸型生物脱氮技术J.给水排水,2 0 0 0,2 6(1 1):2 1-2 4.4B e r n e t N,D a n g c o n g P,D e l g e n e s J P,e t a l.N i t r i f i c a t i o na t l o wo x y g e n c o n c e n t r a t i o n i nb i o f i l mr e a t o rJ.J E n v E n g,2 0
27、0 1,1 2 7(3):2 6 6-2 7 1.5陈际达,陈志胜,张光辉,等.含氮废水亚硝化型硝化的研究J.重庆大学学报(自然科学版),2 0 0 0,2 3(3):7 4-7 6.6S e u n g-Y e o n We o n,C h a n-Wo n L e e,S a n g-I l l L e e,e t a l.N i t r i t ei n h i b i t i o no fa e r o b i cg r o w t ho fA c i n e t o b a c t e rs pJ.Wa t e rR e s e a r c h,2 0 0 2,3 6(1 8):4
28、4 7 1-4 4 7 6.7马勇,王淑莹,曾薇,等.A/O生物脱氮工艺处理生活污水中试(一)短程硝化反硝化的研究J.环境科学学报,2 0 0 6,2 6(5):7 0 3-7 0 9.8张小玲,李斌,杨永哲,等.低D O下的短程硝化及同步硝化反硝化J.中国给水排水,2 0 0 4,2 0(5):1 3-1 6.9支霞辉,王红武,丁峰,等.常温条件下短程硝化反硝化生物脱氮研究J.环境科学研究,2 0 0 6,1 9(1):2 6-2 9.1 0王春荣,王宝贞,王琳.两段曝气生物滤池的同步硝化反硝化特性J.中国环境科学,2 0 0 5,2 5(1):7 0-7 4.1 1王少坡,彭永臻,李军,等.C A S T工艺处理低C/N废水中的D O对N O2-积累的影响J.哈尔滨工业大学学报,2 0 0 5,3 7(3):3 4 4-3 4 7.作者简介:王鹏(1 9 8 0-),男,回族,江苏扬州人,硕士生,主要从事活性污泥数学模型的研究,(电子信箱)g o l d w p s o h u.c o m;林华东(1 9 6 5-),男,重庆人,高级工程师,硕士生导师。王鹏,林华东:短程硝化反硝化影响因素分析1 5