污水处理技术之短程硝化反硝化概述
发布时间：2021/11/28 21:43:31 点击次数：次
1.短程硝化反硝化原理及优点
短程硝化反硝化生物脱氮就是将硝化过程控制在HNO2阶段，随后在缺氧条件下进行反硝化，也就是不完全硝化反硝化生物脱氮。短程硝化反硝化与传统硝化反硝化生物脱氮相比，具有许多优点：对于活性污泥法，可节省氧供应量约25%，降低能耗，节省反硝化所需碳源，在C/N比一定的情况下提高TN去除率，减少污泥生成量可达50%，减少投碱量，缩短反应时间，相应反应器容积减少。
2. 短程硝化反硝化的影响因素
在短程硝化和反硝化过程中，起作用的两种菌为氨氧化菌和亚硝酸氧化菌。因此，对这两种微生物的生命活动产生影响的因素都会影响整个短程硝化反硝化过程的效果。
2.1 温度
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：
其中μ mt 为温度为 t℃时的微生物最大比增长速率，μm20为标准温度20℃时的微生物最大比增长速率。E为反应活化能，R为气体常数。
在 20℃以下，硝化细菌的生产速率大于亚硝化细菌，亚硝化细菌产生的亚硝酸盐很容易被硝化细菌继续氧化成硝酸盐。
国内学者王淑莹做过实验表明，水温保持在30℃时水中氨氮的转化类型为短程硝化过程；当水温在20.5~24.5℃时硝化类型由短程硝化转化为全程硝化；随着温度再次升高，硝化类型又逐渐转变为短程硝化；当温度达到29~30℃时，硝化反应为稳定的亚硝酸型硝化。
但在实际中，通过加热提高污水温度会消耗大量的能源，这样，短程硝化工艺的优点将不能得到充分发挥。因此，通过控制温度实现短程硝化脱氮工艺仅适用于某些特种废水（水温在30℃左右）。
2.2 pH 值
通常条件下，亚硝化细菌和硝化细菌适宜生长的pH值范围分别是7.0~7.5 和6.5 ~7.5。在混合体系中，亚硝化细菌和硝化细菌的pH分别在8.0 和7.0 附近。因此，可根据这两种细菌适宜pH的差异来控制反应的类型和消化的产物。
国内学者王红武等通过实验对常温下生活废水短程硝化反硝化生物脱氮的研究表明：最佳短程硝化反硝化反应条件为pH值大于8.5，大于该值时会抑制硝化细菌的生长, 而不抑制亚硝化细菌的生长。
实际应用中，要控制废水的pH值，很可能需要投加相应的酸或碱，这样势必会增加处理成本。此外，硝酸菌对高pH值有一个适应过程，当它逐渐适应高pH值和游离氨时，全程硝化就会出现，因此，依靠pH值实现短程硝化脱氮过程并不稳定。此工艺仅适合于含高 pH值的废水。
2.3 游离氨
废水中氨随pH值不同分别以分子态和离子态形式存在。分子态游离氨 (FA)对硝化作用有明显的抑制作用，硝酸菌比亚硝酸菌对FA更敏感。
0.6 mg/L的FA几乎可以抑制硝酸菌的活性，从而使 HNO2氧化受阻，出现HNO2积累。只有当FA达到5 mg/L 以上时才会对亚硝酸菌活性产生影响，当达到40 mg/才会严重抑制亚硝酸的形成。
进水氨氮浓度低时出水氨氮浓度也低，氨氮去除率高；当提高进水氨氮浓度时，游离氨超过亚硝化菌抑制浓度则会使亚硝化率降低而使得出水氨氮浓度增大，此时为达到较高的氨氮去除率须延长硝化时间。
硝化时间增加使亚硝态氮的积累量增加，反硝化时间就会延长。所以，如果将温度、DO和pH值控制在有利于HNO2积累的条件下，进水氨氮浓度（FA浓度）越低越能促进HNO2的积累。
另外实验中还发现，高浓度FA抑制所造成的 HNO2积累并不稳定，时间一长系统中亚硝酸浓度和亚硝化率均下降，HNO2浓度增大。这说明硝酸菌对 FA所产生的抑制作用会逐渐适应，而且硝酸菌对 FA适应是不可逆转的，即便再进一步提高 FA浓度，亚硝化比率也不会增加。
2.4 溶解氧（DO）
低溶解氧下亚硝酸菌增殖速率加快，补偿了由于低氧所造成的代谢活动下降，使得整个硝化阶段中氨氧化未受到很大影响，而低DO对硝酸菌有明显抑制作用，因而低溶解氧有利亚硝酸积累。目前普遍认为，DO浓度在0.5mg/L 以上时才能很好地进行硝化反应。
不过，高大文教授的SBR实验结果表明，通过控制溶解氧实现短程硝化脱氮存在这硝化速率低， 污泥沉降性变差等不足，所以在实际工作中不宜采用这种工艺。
2.5 泥龄
亚硝酸菌的世代较硝酸菌短，在悬浮处理系统中若泥龄介于硝酸菌和亚硝酸菌的最小停留时间之间时，系统中的硝酸菌会逐渐被淘洗掉，使亚硝酸菌成为系统中优势硝化菌，硝化产物以 HNO2为主。
例如 SHARON工艺是由荷兰 Delft 技术大学开发的脱氮新工艺，短程硝化和短程反硝化在同一个装置内。其基本原理是利用在高温 (30~35℃)下，亚硝酸菌的最小停留时间小于硝酸菌，可以通过“洗泥”的方式对菌种进行筛选。
2.6 有害物质
硝酸菌对环境较为敏感。废水中酚、氰及重金属等有害物质对硝化过程有明显抑制作用。相对于亚硝酸菌，硝酸菌对环境适应性慢，因而在接触有害物质的初期受抑制，出现亚硝酸积累。
Hynens等人发现硝酸菌与亚硝酸菌并存时，在废水中加入5 mmol/L的氯酸钠可抑制硝酸菌，但对亚硝酸菌无影响。因此，当废水中含有酚，氢等有害物质时，要先将这些有害物质去除后再进行短程硝化反硝化。
2.7 C/N
在反硝化过程中，反硝化细菌属于异养菌，必须在有机碳源下生长。因此对于短程硝化反硝化过程而言，C/N过高，抑制短程硝化速率；C/N过低，降低反硝化的反应速率。国内学者周莉对纯种氨氧化菌所做的正交试验表明，反硝化速率随着C/N的增大有减小趋势， 当增加到一定程度（>8）时，变化趋势就不明显了。
3. 结语
(1) 水温保持在30℃时水中氨氮的转化类型为短程硝化过程。在29~30℃时，将pH值、进水氨氮和DO控制在有利条件下，可以发生稳定的亚硝酸型硝化。
(2)pH 值在8.5附近有利于 HNO2的积累。pH值一方面是亚硝酸菌生物限制性条件，另一方面影响游离氨浓度，从而影响亚硝酸菌的活性。
(3)FA 浓度一般控制在5mg/L 以下，将温度、DO和pH值控制在有利条件下，进水氨氮浓度 (FA浓度)不能太高才能促进 HNO2的积累。
(4)亚硝酸菌对DO的亲和力较硝酸菌强，DO控制在0.5 mg/L有利于HNO2的积累。
(5) 硝酸菌与亚硝酸相比对环境敏感，在硝化过程中可以添加抑制剂，促进HNO2的积累。
(6) 亚硝酸菌的世代性比硝酸菌短，选择合适泥龄，可淘洗硝酸菌，促进HNO2的积累。
(7)对控制温度、溶解氧和pH值实现的短程硝化脱氮工艺进行比较研究，发现控制溶解氧实现的短程硝化脱氮工艺存在许多问题，无论从硝化时间、硝化速率还是从污泥沉降性能上，该工艺均不如控制温度和pH值实现的短程硝化脱氮工艺。它不但硝化速率低，从而导致硝化时间变长，而且，低溶解氧还易引发丝状菌大量繁殖，严重时引起丝状菌污泥膨胀。
