摘要：如今在脫氮領(lǐng)域里，發(fā)現(xiàn)了同步硝化反硝化的脫氮除方法。同步硝化反硝化是一種經(jīng)濟(jì)節(jié)能的脫氮工藝。傳統(tǒng)理念，硝化反硝化過(guò)程必須分開(kāi)，但是事實(shí)上，在一定范圍內(nèi)同步硝化反硝化能實(shí)現(xiàn)分開(kāi)后的效果。這里我將對(duì)同步硝化反硝化做一下介紹。
關(guān)鍵詞：同步硝化反硝化 碳氮比 DO濃度
現(xiàn)已知在傳統(tǒng)生物脫氮過(guò)程中，N2O和NO等多種氮氧化物氣體既能產(chǎn)生于硝化階段又能產(chǎn)生于反硝化階段，但主要產(chǎn)生于硝化過(guò)程[1-4]。文獻(xiàn)[5]報(bào)道，當(dāng)硝化鹽在缺氧的密閉容器內(nèi)被反硝化時(shí)，水體中的N2O必須積累到一定濃度才能還原為氣體N2逸出，N2O最大積累量可達(dá)到硝酸鹽還原量的50%到80%[6]。這就給生物脫氮提出了新的問(wèn)題：減少氮氧化物的產(chǎn)生，以減少對(duì)大氣的污染。
同步硝化反硝化脫氮過(guò)程是一種新的廢水生物脫氮處理工藝，在好氧狀態(tài)下硝化和反硝化在一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)同時(shí)進(jìn)行。在敞口和曝氣的環(huán)境中，水體中的N2O很難有效積累達(dá)到還原為N2，目前好氧反硝化的代謝機(jī)理和脫氮反應(yīng)模式尚不十分清楚，因此不能肯定脫氮產(chǎn)物和發(fā)生量與傳統(tǒng)反硝化是相同的。
1? ?同步硝化反硝化的理論
傳統(tǒng)的廢水生物脫氮是由兩個(gè)階段完成的，即好氧條件下的硝化階段和厭氧條件下的反硝化階段。傳統(tǒng)的生物脫氮工藝是把硝化和反硝化作為兩個(gè)獨(dú)立的階段分別在不同反應(yīng)器中進(jìn)行，如A/A/O、A/O等；或者用來(lái)間歇的好氧和厭氧條件來(lái)運(yùn)行，如SBR、氧化溝等。
自從20世紀(jì)80年代初科學(xué)家在純菌種和混合菌種的培養(yǎng)中相繼發(fā)現(xiàn)了異養(yǎng)硝化[7-8]和好氧反硝化[3、7、9]現(xiàn)象以來(lái)，在以后的二十年里，越來(lái)越多的學(xué)者發(fā)現(xiàn)了同時(shí)硝化反硝化的機(jī)理，目前主要有微生物絮體的微環(huán)境理異養(yǎng)硝化、好氧反硝化、短程硝化和反硝化等理論[10]。
關(guān)于同步硝化反硝化機(jī)理的研究目前國(guó)內(nèi)外比較一致認(rèn)同的理論有：(1) 微環(huán)境理論。微生物的體積非常小，因此微生物個(gè)體所處的環(huán)境也微小的，微生物直接決定微生物個(gè)體的活動(dòng)狀態(tài)，但是由于微生物的代謝活動(dòng)和相互間的作用，微環(huán)境所處的狀態(tài)是可變的[11]；宏觀環(huán)境的變化往往導(dǎo)致微環(huán)境的急劇變化和不均勻分布，從而影響微生物群體的活動(dòng)狀態(tài)，并在某種程度上出現(xiàn)所謂的表里不一的現(xiàn)象[12]。氧傳遞和硝態(tài)氮傳遞的不均勻性，曝氣狀態(tài)下菌膠團(tuán)內(nèi)也可存在一定比例的缺氧微環(huán)境，因此在曝氣狀態(tài)下也可以出現(xiàn)某種程度的反硝化，也就是所謂的同步硝化反硝化現(xiàn)象[13]。(2) 好氧反硝化菌理論。近年來(lái)，硝化反硝化的理論有了新的重要發(fā)現(xiàn)，即許多異氧菌也能完成有機(jī)氮和無(wú)機(jī)氮（氨氮）的硝化過(guò)程。而且在很多的生態(tài)系統(tǒng)中，還比自氧菌占優(yōu)勢(shì)[14-15]；異氧硝化菌同時(shí)也是好氧反硝化，因而能在好氧條件下把氨氮直接轉(zhuǎn)化成氣態(tài)最終產(chǎn)物；另外，還發(fā)現(xiàn)一些其他細(xì)菌也能耗氧反硝化，如生絲微菌屬[16]。(3) 中間產(chǎn)物理論。關(guān)于硝化作用的生物化學(xué)機(jī)制，目前已初步搞清楚是按以下途徑進(jìn)行：NH3?H2N?OH?N2?N2O(HNO) ?NO?NO2?NO3-。因?yàn)楹醚跸趸蚝醚醴聪趸a(chǎn)生了中間產(chǎn)物NO2作為氣體逸出，構(gòu)成了好氧條件一部分總氮的損失[17]。
與傳統(tǒng)的生物脫氮技術(shù)相比，同時(shí)硝化和反硝化具有不可比擬的優(yōu)越性：可以減少反應(yīng)設(shè)備的數(shù)量和尺寸；降低氧氣的供給，從而節(jié)省能耗；減少甚至不需要碳源的投加，節(jié)省藥劑費(fèi)用等。
2?? 同步硝化反硝化的影響因素
2.1碳氮比的影響
反硝化需要消耗一定量的有機(jī)碳源，而廢水成分不同，其可生化性不同，從而導(dǎo)致反硝化速率和最佳碳氮比不同。COD濃度太高對(duì)脫氮不利，當(dāng)碳氮比太大時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)生“碳穿透”現(xiàn)象(Carbon Breakthrough)，即過(guò)多的碳源阻礙了硝化作用的進(jìn)行。胡宇華[18]得出的同步硝化反硝化C:N:P的最佳范圍是(60~140):5:1，保證99.5%的氨氮去除率的有機(jī)碳源濃度為400～1000mg/L。實(shí)驗(yàn)者還研究了碳源投加方式對(duì)SND的影響，發(fā)現(xiàn)采用多次分批補(bǔ)料相對(duì)于一次性給料更為合理。
高景峰[19]通過(guò)在線模糊控制，捕捉PH和ORP的特征點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了反硝化時(shí)間的實(shí)時(shí)控制。同時(shí)，通過(guò)檢測(cè)PH斜率的變化可以判斷碳源是否充足，從而調(diào)控碳源的投加。促進(jìn)反硝化過(guò)程的結(jié)束。并通過(guò)比較不同碳源的pH和ORP變化曲線，可以優(yōu)選出適合某一系統(tǒng)的碳源。
對(duì)C/N較低的廢水，如某些工業(yè)廢水和垃圾滲濾液，實(shí)現(xiàn)高效同步硝化反硝化的條件之一是使流入的碳源盡量少地被好氧氧化。因?yàn)楹醚鯒l件下碳源首先被異養(yǎng)菌大量消耗，使系統(tǒng)中碳源處于較低水平，反硝化菌只能利用內(nèi)源碳進(jìn)行反硝化，而內(nèi)源反硝化化反應(yīng)速度慢，僅為5.4 mgNO3-/(L·h)[20]，因而SND效率就低。改進(jìn)的方法是采取非連續(xù)進(jìn)液方式，使入流的碳源在短時(shí)間內(nèi)被微生物體吸附和吸收，這樣生物體可以利用預(yù)先儲(chǔ)存的碳源來(lái)完成反硝化。
石利軍[21]等人同時(shí)認(rèn)為，在循環(huán)流生物膜反應(yīng)器中，隨著C/N的增大，COD去除率、硝化率、反硝化率都增加。當(dāng)C/N大于20：1時(shí)，COD去除效果較好，去除率達(dá)到60%以上。當(dāng)C/N降低到10：1時(shí)，COD去除效果持續(xù)下降，懸浮物增多。C/N為30：1時(shí)，COD去除率、硝化率、反硝化率分別達(dá)到90%、80%、70%以上。
2.2? DO的影響
王志盈[12]發(fā)現(xiàn)控制DO濃度為0.5～1.0mg/L時(shí)，由于亞硝酸菌對(duì)有限溶解氧的競(jìng)力強(qiáng)于硝酸菌，可實(shí)現(xiàn)亞硝酸80%以上的穩(wěn)定積累。
Hyungseok[22]在一個(gè)間歇曝氣連續(xù)進(jìn)液的反應(yīng)器(IDEA)中，使得好氧缺氧和厭氧過(guò)程交替出現(xiàn)，又利用硝酸菌對(duì)外界環(huán)境變化的適應(yīng)性較亞硝酸菌更慢的特點(diǎn)，逐步淘汰前者，實(shí)現(xiàn)亞硝酸鹽型同步硝化反硝化。試驗(yàn)者得出一個(gè)周期內(nèi)理想DO濃度曲線，和保證出水NH4+和NOX-值都較低的最佳平均DO值(1.0到1.5mg/L)，同時(shí)指出采用從底部連續(xù)進(jìn)液方式對(duì)于實(shí)現(xiàn)亞硝酸鹽型同步硝化反硝化具有顯著意義。
石利軍[21]等人認(rèn)為，在循環(huán)流生物膜反應(yīng)器中，隨著DO濃度的降低，COD去除率、硝化率、反硝化都降低。當(dāng)濃度降低到0.5mg/L時(shí)，COD去除率、硝化率、反硝化率分別為60%、40%、10%，硝化菌是好氧菌，反硝化菌是兼性缺氧菌。由于受到膜內(nèi)擴(kuò)散阻力的影響，生物膜法比活性污泥法所需的DO濃度要高。
3? ?結(jié)語(yǔ)
我認(rèn)為同步硝化反硝化去除氮的效果與單純的硝化或者反硝化差不多，但是它在經(jīng)濟(jì)上的有時(shí)卻顯而易見(jiàn)。它不僅實(shí)現(xiàn)了硝化與反硝化在同一個(gè)密閉容器中同步進(jìn)行，而且可以節(jié)省大量能耗，節(jié)省藥劑費(fèi)用，使投資成本大大降低。而C/N和DO作為影響同步硝化反硝化的兩大因素，如果控制好，可是使同步硝化反硝化效果達(dá)到最佳。將C/N和DO分別控制在5：1和0.5～1.0mg/L左右，能更好的達(dá)到同步硝化反硝化的最佳效果。
這種同步硝化反硝化的新技術(shù)的開(kāi)發(fā)對(duì)于脫氮領(lǐng)域而言意義是非常重大的，是一個(gè)新的起點(diǎn)，新的變革！
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