6.3.1.2 同步硝化反硝化

(1)同步硝化反硝化机理同步硝化反硝化(Simultaneous Nitrification and Denitrifi-cation，SND)是指在低氧条件下，在一个反应器同时存在硝化作用和反硝化作用，从而可以一步达到污水脱氮的效果。

一方面，从物理学角度解释SND的微环境理论是目前已被普遍接受的观点。理论认为，由于氧扩散的限制，在微生物絮体内产生溶氧(DO)梯度。微生物絮体的外表面DO较高，以好氧菌、硝化菌为主；深入絮体内部，反硝化菌占优势；正是由于微生物絮体内缺氧环境的存在，导致了SND的发生。

另一方面，从生物学角度解释，微生物学家已报道发现了好氧反硝化菌和异养硝化菌。

由于大多数异养硝化菌同时是好氧反硝化菌，正因为如此，能够直接把氨转化成最终气态产物，因此从生物学的角度看，好氧同步硝化反硝化是可能的，事实也证明在有氧条件下的反硝化现象确实存在于不同的生物处理系统，如生物转盘、SBR、氧化沟、CAST、MBR、SMBR等工艺，在这些工艺中污泥不仅停留时间长，浓度高，而且在反应器局部范围内还可以形成厌氧或缺氧环境，有利于反硝化的进行，节省反应时间和空间。这些特点提高了同步硝化反硝化作用在污水处理中的应用价值，也就受到了越来越广泛的关注。近年来多种好氧反硝化菌被分离和研究，好氧反硝化技术的机理研究、应用研究也取得了一定进展。异养硝化是指异养微生物在好氧条件下将有机或无机氮(还原态N)氧化为NO₂^-和NO₃^-的过程。异养硝化微生物包括细菌、放线菌、真菌以及藻类(Spiller等，1976)。异养硝化菌种类繁多，并且其可以利用的基质范围广泛，如铵、胺、酰胺、N-烷基羟胺、肟、氧肟酸及芳香硝基化合物等，这使得异养硝化机理到目前仍不清楚，其代谢途径也未被确定和证实。迄今为止，异养硝化作用经常用来说明在自养硝化微生物不能生长或未能检测到的土壤中实际发生的硝化作用。土壤沉积物和熟土能够释放N₂O和NO，研究者认为可能与异养硝化细菌的异养硝化-反硝化有关。国内学者发现喷射环流反应器在好氧条件下具有良好的脱氮性能，该反应器在硝化过程中实现了对亚硝酸盐的积累，反应器的脱氮效果随进水C/N值的增加而提高，证明了异养硝化细菌的存在。同时对废水处理过程中产生的废气进行气相色谱分析，结果表明废气中氮气的含量比空气的增加了0.24%，证明反应器中发生了反硝化反应。综合试验结果表明，喷射环流反应器中的脱氮机理为亚硝酸盐型同步硝化反硝化。此外，在一些污水处理系统中发现了异养硝化作用，但异养硝化的处理能力不高，今后研究应朝着如何强化和提高异养硝化菌在污水脱氮中的作用和贡献等方向努力。

SND与传统生物理论相比具有很大的优势，它可以在同一反应器内同时进行硝化和反硝化反应，具有以下优点：

①曝气量减少，降低能耗；

②反硝化产生OH^-可就地中和硝化产生的H⁺，SND能有效地保持反应器内的pH；

③因不需缺氧反应池，可以节省基建费用，或至少减少反应器容积；

④能够缩短反应时间，节约碳源；

⑤简化了系统的设计和操作等。

因此SND系统提供了今后降低投资并简化生物除氮技术的可能性。

(2)影响因素

①溶解氧(DO)的影响。对同步硝化反硝化至关重要，通过控制DO浓度，使硝化速率与反硝化速率达到基本一致才能达到最佳效果。首先溶解氧浓度要满足含碳有机物的氧化和硝化反应的需要，若硝化不充分也难以进行反硝化；其次溶解氧浓度又不宜太高，以便在微生物絮体内产生溶解氧梯度，形成缺氧微环境，同时系统的有机物不要消耗太多，影响反硝化的碳源。由于反硝化反应主要发生在生物絮体内部的微缺氧区，所以水中的主体DO浓度的确定与絮体的尺寸大小有直接关系。同时，反应器形式、污泥浓度等因素也对DO的控制有很大的影响，因此文献中DO的范围变化也相当大。大多生产性实验的结果为0.5～1.0mg/L。对于不同的水质和不同的工艺，实现SND的具体DO浓度水平需要在实践中确定。

②碳源。对于同步硝化反硝化系统，由缺氧环境和好氧环境一体化及硝化反硝化同时发生，使得有机碳源对整个反应影响尤为重要，碳氮比过低，满足不了反硝化的需要，过高降低硝化反应的速率，不利于氨氮的去除。高廷耀等在生产性实验中将污泥有机负荷控制在0.10～0.15kgBOD₅/(kgMLSS·d)范围内，在保证BOD₅去除的同时，预留了同步反硝化的碳源，保证反硝化顺利进行。

对于碳源的投加方式，一些学者也进行了研究。比如传统的碳源投加方式往往是一次性在曝气的开始段投加，但随着COD消耗，DO有逐渐回升趋势，不利于反硝化的进行。采用分批补加碳源(COD)的操作方法可以减轻反应后期碳源不足造成的影响，并且对比乙醇、丙三醇和葡萄糖作碳源同步硝化反硝化脱氮效率可知：采用较难降解物质作为碳源，可以延长COD的消耗时间，维持反应器内的低DO状态，达到与分批补料相同的处理效果。

③其他因素。影响SND的控制因素还有很多，如ORP、温度、pH值等也都会对SND有着一定的影响。利用氧化还原电极电位ORP控制实际上是一种间接DO控制。ORP可以很好地反映DO的变化，特别是DO比较低时。若DO无法直接测量，ORP更可成为DO的间接测量手段。pH值是影响废水生物脱氮处理工艺运行的一个重要因子。兼顾硝化菌和反硝化菌的最适pH值应保持在8.0左右。总的来说，影响同步硝化反硝化的因素多且复杂，其关键控制因素主要是DO、C/N、ORP以及污泥絮体结构，此外pH值、温度、污泥龄等因素也会对其产生一定影响。

(3)应用状况目前关于SND已有很多研究报道。如：高浓度氨氮废水在序批式反应器中进行同步硝化反硝化，明确不同溶解氧浓度和进水碳氮比对同步硝化反硝化脱氮性能的影响。利用曝气过滤一体化装置中进行同步硝化反硝化，并确定最佳运行参数。在膜生物反应器中通过控制DO浓度，实现同步硝化反硝化。国外学者发明了3级生物膜反应器(RBC)，可在好氧环境下高效去除氮和有机物。在SBR反应器内培养高活性好氧颗粒污泥实现同步硝化反硝化，COD和NHs-N的去除率分别达到95%～98%和75%～90%。SBR反应器在低DO的条件下，采用半连续投加碳源的方式，实现SND，总氮去除率达到80%。利用好氧反硝化菌种Alcaligenes fuecalis strain No.4在好氧状态下处理具有高浓度氨氮(2000mg/L)的猪舍废水，氨氮去除速率达到30mg/(L·h)，反硝化率超过65%，在控制一定的碳氮比和pH值的连续处理状况下，COD和氨氮的去除率达到100%。在厌氧-好氧序批式颗粒污泥膜生物反应器(GMBR)中处理人工配水，氨氮在好氧阶段经同步硝化反硝化(SND)取得较高的去除率(85.4%～98.9%)。在恒定气量连续曝气模式下，SND的持续稳定时间是有限的，SND持续稳定的时间和TN去除率随曝气量的增加而减少和降低利用膜生物反应器驯化培养硝化污泥，复配反硝化细菌，构建具有同步硝化反硝化功能且能去除COD的膜生物反应器系统，在规模150L的MBR中实现了同步硝化反硝化。采用SBR处理味精废水存在明显的好氧同步硝化反硝化现象，对氨氮和总氮的去除率分别达到99%、96%。

综上，目前很多同步硝化反硝化(SND)的研究，有的是通过控制SBR反应器的曝气时间保证反应器内先后出现好氧和厌氧环境，有的是由于反应器内空间上的供氧不均形成好氧和厌氧区域，还有是利用生物膜厚度或生物絮体半径上产生的氧浓度梯度形成表面好氧、里层厌氧的微环境。这些研究都是基于传统的脱氮原理，分为好氧硝化和厌氧反硝化两段完成的。而在合适的条件下的好氧反硝化，可以实现真正意义上的同步硝化反硝化。目前微生物的好氧反硝化现象仍处于研究阶段，故尚未有完全使用好氧反硝化的工程实践，还存在机理研究不成熟，反硝化效率不高等问题。

其他一些新型脱氮工艺还有好氧除氨工艺、生物膜/活性污泥法结合工艺中的短程亚硝化脱氮工艺、高盐短程硝化-反硝化工艺等。

文章来源：《水处理新技术、新工艺与设备》

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