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關(guān)于同步硝化反硝化的詳解！

閱讀：563        發(fā)布時(shí)間：2022-12-12

根據(jù)傳統(tǒng)生物脫氮理論，脫氮途徑一般包括硝化和反硝化兩個(gè)階段，硝化和反硝化兩個(gè)過(guò)程需要在兩個(gè)隔離的反應(yīng)器中進(jìn)行，或者在時(shí)間或空間上造成交替缺氧和好氧環(huán)境的同一個(gè)反應(yīng)器中；實(shí)際上，較早的時(shí)期，在一些沒(méi)有明顯的缺氧及厭氧段的活性污泥工藝中，人們就層多次觀察到氮的非同化損失現(xiàn)象，在曝氣系統(tǒng)中也曾多次觀察到氮的消失。在這些處理系統(tǒng)中，硝化和反硝化反應(yīng)往往發(fā)生在同樣的處理?xiàng)l件及同一處理空間內(nèi)，因此，這些現(xiàn)象被稱為同步硝化/反硝化（SND）。



一、同步硝化反硝化的優(yōu)點(diǎn)


對(duì)于各種處理工藝中出現(xiàn)的SND現(xiàn)象已有大量的報(bào)道，包括生物轉(zhuǎn)盤、連續(xù)流反應(yīng)器以及序批示SBR反應(yīng)器等等。與傳統(tǒng)硝化-反硝化處理工藝比較，SND具有以下的一些優(yōu)點(diǎn)：

1、 能有效地保持反應(yīng)器中pH穩(wěn)定，減少或取消堿度的投加；

2、減少傳統(tǒng)反應(yīng)器的容積，節(jié)省基建費(fèi)用；

3、 對(duì)于僅由一個(gè)反應(yīng)池組成的序批示反應(yīng)器來(lái)講，SND能夠降低實(shí)現(xiàn)硝化-反硝化所需的時(shí)間；

4、 曝氣量的節(jié)省，能夠進(jìn)一步降低能耗。

因此SND系統(tǒng)提供了今后降低投資并簡(jiǎn)化生物除氮技術(shù)的可能性。

二、同步硝化反硝化的機(jī)理


1、宏觀環(huán)境
    
生物反應(yīng)器中的溶解氧DO主要是通過(guò)曝氣設(shè)備的充氧而獲得，無(wú)論何種曝氣裝置都無(wú)法使反應(yīng)內(nèi)氧氣在污水中充分混勻。最終形成反應(yīng)器內(nèi)部不同區(qū)域缺氧和好氧段，分別為反硝化菌和硝化菌的作用提供了優(yōu)勢(shì)環(huán)境，造成了事實(shí)上硝化和反硝化作用的同時(shí)進(jìn)行。除了反應(yīng)器不同空間上的溶氧不均外，反應(yīng)器在不同時(shí)間點(diǎn)上的溶氧變化也可以導(dǎo)致同步硝化/反硝化現(xiàn)象的發(fā)生。Hyungseok Yoo 研究了SBR反應(yīng)器在曝氣反應(yīng)階段，反應(yīng)器內(nèi)DO濃度歷經(jīng)減小后逐漸升高，并伴隨的同步硝化/反硝化現(xiàn)象。

2、微環(huán)境理論
    
缺氧微環(huán)境理論是目前已被普遍接受的一種機(jī)理，被認(rèn)為是同步硝化/反硝化發(fā)生的主要原因之一。這一理論的基本觀點(diǎn)認(rèn)為：在活性污泥的絮體中，從絮體表面至其內(nèi)核的不同層次上，由于氧傳遞的限制原因，氧的濃度分布是不均勻的，微生物絮體外表面氧的濃度較高，內(nèi)層濃度較低。在生物絮體顆粒尺寸足夠大的情況下，可以在菌膠團(tuán)內(nèi)部形成缺氧區(qū)，在這種情況下，絮體外層好氧硝化菌占優(yōu)勢(shì)，主要進(jìn)行硝化反應(yīng)，內(nèi)層為異樣反硝化菌占優(yōu)勢(shì)，主要進(jìn)行反硝化反應(yīng)（如圖）。除了活性污泥絮凝體外，一定厚度的生物膜中同樣可存在溶氧梯度，使得生物膜內(nèi)層形成缺氧微環(huán)境。


圖片



3、生物學(xué)解釋
    
傳統(tǒng)理論認(rèn)為硝化反應(yīng)只能由自養(yǎng)菌完成，反硝化只能在缺氧條件下進(jìn)行，近年來(lái)，好氧反硝化菌和異樣硝化菌的存在已經(jīng)得到了證實(shí)。

三、同步硝化反硝化影響因素

  
實(shí)現(xiàn)SND的關(guān)鍵在于對(duì)硝化反硝化菌的培養(yǎng)和控制，目前國(guó)內(nèi)外研究認(rèn)為對(duì)影響硝化反硝化菌的因素如下。

1、溶解氧

DO的影響對(duì)同步硝化反硝化至關(guān)重要，研究表明，通過(guò)控制DO濃度，使硝化速率與反硝化速率達(dá)到基本一致才能達(dá)到理想效果。

2、有機(jī)碳源
   
有機(jī)碳源對(duì)整個(gè)同步硝化反硝化體系的影響尤為重要。研究表明，有機(jī)碳源含量低則反硝化滿足不了要求；有機(jī)碳源含量高則不利于氨氮去除。

3、微生物絮體結(jié)構(gòu)

微生物絮體結(jié)構(gòu)不但影響生物絮體內(nèi)DO的擴(kuò)散，而且影響碳源的分布，絮體結(jié)構(gòu)大小、密實(shí)度適中才有利于同步硝化反硝化。研究表明，微生物絮體的同步硝化反硝化能力隨活性污泥絮體大小的增加而提高。

4、pH值

同步硝化反硝化值在7.5左右時(shí)最合適。硝化菌理想pH為8.0~8.4，而反硝化菌pH為6.5~8.0.

5、溫度

同步硝化反硝化溫度在10~20℃時(shí)。硝化菌在20~25℃時(shí)性能減退，亞硝化反之。25℃時(shí)亞硝化性能高。25℃后，亞硝酸菌受游離氨的抑制明顯。

四、同步硝化反硝化主流工藝——MBBR


MBBR是結(jié)合懸浮生長(zhǎng)的活性污泥法和附著生長(zhǎng)的生物膜法的高效新型反應(yīng)器，基本設(shè)計(jì)原理是將比重接近水、可懸浮于水中的懸浮填料直接投加到反應(yīng)池中作為微生物的活性載體，懸浮填料能與污水頻繁多 次接觸，逐漸在填料表面生長(zhǎng)出生物膜( 掛膜) ，強(qiáng)化了污染物、溶解氧和生物膜的傳質(zhì)效果，即而 MBBR被稱為“移動(dòng)的生物膜"?；谄馭ND機(jī)理研究，綜合微環(huán)境和生物學(xué)理論，MBBR生物膜內(nèi)SND可能存在的反應(yīng)模式是，分布于生物膜好氧層的好氧氨氧化菌、亞硝酸鹽氧化菌和好氧反硝化細(xì)菌與分布于生物缺氧層的厭氧氨氧化菌、自養(yǎng)型亞硝酸細(xì)菌和反硝化細(xì)菌相互協(xié)作，最終達(dá)到脫氮目的。

MBBR是依靠曝氣池內(nèi)的曝氣和水流的提升作用使載體處于流化狀態(tài)，進(jìn)而形成懸浮生長(zhǎng)的活性污泥和附著生長(zhǎng)的生物膜，充分發(fā)揮附著相和懸浮相生物兩者的*性，不僅提供了宏觀和微觀的好 氧和厭氧環(huán)境，還解決了自養(yǎng)硝化菌、異養(yǎng)反硝化菌與異養(yǎng)細(xì)菌的DO之爭(zhēng)和碳源之爭(zhēng)。故MBBR可實(shí)現(xiàn)硝化和反硝化兩個(gè)過(guò)程的動(dòng)力學(xué)平衡，具有同步硝化反硝化非常良好的條件，能實(shí)現(xiàn)MBBR同步硝化反硝化脫氮。





五、MBBR同步硝化反硝化控制因素


實(shí)現(xiàn) MBBR 同步硝化反硝化的關(guān)鍵技術(shù)是控制 MBBR 內(nèi)硝化和反硝化的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)平衡，解決自養(yǎng)硝化菌和異養(yǎng)細(xì)菌的DO之爭(zhēng)及反硝化菌和異養(yǎng)細(xì)菌的碳源之爭(zhēng)等，故實(shí)現(xiàn)其主要控制因素有：碳氮比、溶解氧濃度、溫度和酸堿度等。

1、填料

MBBR法的技術(shù)關(guān)鍵在于比重接近于水、輕微攪拌下易于隨水自由運(yùn)動(dòng)的生物填料。通常填料由聚乙烯塑料制成，每一個(gè)載體的外形為直徑10mm、高8mm的小圓柱體，圓柱體中有十字支撐，外壁有突出的豎條狀鰭翅，填料中空部分占整個(gè)體積的0.95，即在一個(gè)充滿水和填料的容器中，每一個(gè)填料中水占的體積為95%?？紤]到填料旋轉(zhuǎn)以及總?cè)萜魅莘e，填料的填充比被定義為載體所占空問(wèn)的比例，為了達(dá)到混合效果，填料的填充比為0.7。理論上填料總的比表面積是按照每一單位體積生物載體比表面積的數(shù)量來(lái)定義的，一般為700m2/m3。當(dāng)生物膜在載體內(nèi)部生長(zhǎng)時(shí)，實(shí)際有效利用的比表面積約為500m2/m3。

此類型的生物填料有利于微生物在填料內(nèi)側(cè)附著生長(zhǎng)，形成較穩(wěn)定的生物膜，并且容易形成流化狀態(tài)。當(dāng)預(yù)處理要求較低或污水中含有大量纖維物質(zhì)時(shí)，例如在市政污水處理中不采用初沉池或者在處理含有大量纖維的造紙廢水時(shí)，采用比表面積較小、尺寸較大的生物填料，當(dāng)已有較好的預(yù)處理或用于硝化時(shí)，采用比表面積大的生物填料。

2、溶解氧(DO)

DO濃度是影響同步硝化一反硝化的一個(gè)主要的限制因素，通過(guò)對(duì)DO濃度的控制，可使生物膜的不同部位形成好氧區(qū)或缺氧區(qū)，這樣便具有了實(shí)現(xiàn)同步硝化一反硝化的物理?xiàng)l件。

從理論上講，當(dāng)DO質(zhì)量濃度過(guò)于高時(shí)，DO能穿透到生物膜內(nèi)部，使其內(nèi)部難以形成缺氧區(qū)，大量的氨氮被氧化為硝酸鹽和亞硝酸鹽，使得出水TN仍然很高；反之，如果DO濃度很低，就會(huì)造成生物膜內(nèi)部很大比例的厭氧區(qū)，生物膜反硝化能力增強(qiáng)(出水硝氮和亞硝氮濃度都很低)，但由于DO供應(yīng)不足，MBBR工藝硝化效果下降，使得出水氨氮濃度上升，從而導(dǎo)致出水TN上升，影響最終的處理效果。

通過(guò)研究最終得出了MBBR法處理城市生活污水DO的一個(gè)值：當(dāng)DO質(zhì)量濃度在2mg/L以上時(shí)，DO對(duì)MBBR硝化效果的影響不大，氨氮的去除率可達(dá)97%-99%，出水氨氮都能保持在1.0mg/L以下；DO質(zhì)量濃度在1.0mg/L左右時(shí)，氨氮的去除率在84%左右，出水氨氮濃度有明顯上升。另外，曝氣池內(nèi)DO也不宜過(guò)高，溶解氧過(guò)高能夠?qū)е掠袡C(jī)污染物分解過(guò)快，從而使微生物缺乏營(yíng)養(yǎng)，活性污泥易于老化，結(jié)構(gòu)松散。此外，DO過(guò)高，過(guò)量耗能，在經(jīng)濟(jì)上也是不適宜的。

因?yàn)镸BBR法主要是通過(guò)懸浮填料來(lái)實(shí)現(xiàn)最終的污水處理，所以DO對(duì)懸浮填料的影響也是影響整個(gè)處理結(jié)果的關(guān)鍵。有研究表明反應(yīng)器的充氧能力在一定范圍內(nèi)隨著懸浮填料填充率的增大而增大。在曝氣的作用下，水隨填料一起流化，水流紊動(dòng)程度較無(wú)填料時(shí)大，加速了氣液界面的更新和氧的轉(zhuǎn)移，使氧的轉(zhuǎn)移速率提高。隨著填料數(shù)量的增多，填料、氣流和水流三者之間的這種切割作用和紊動(dòng)作用不斷加強(qiáng)。但加入填料量為60%時(shí)，填料在水中的流化效果變差，水體紊動(dòng)程度也降低，使得氧的傳遞速率下降，氧的利用率降低。所以針對(duì)不同類型的水質(zhì)，控制好DO的量對(duì)整個(gè)工藝最終的處理結(jié)果是至關(guān)重要的。

3、水力停留時(shí)間（HRT）

合適的水力停留時(shí)間(HRT)是確保凈化效果和工程投資經(jīng)濟(jì)性的重要控制因素。水力停留時(shí)間的長(zhǎng)短將直接影響到水中有機(jī)物與生物膜的接觸時(shí)間，進(jìn)而影響微生物對(duì)有機(jī)物的吸附和降解效率，所以針對(duì)不同的污水類型找出經(jīng)濟(jì)而合理的HRT是非常關(guān)鍵的問(wèn)題之一。

另外還有試驗(yàn)結(jié)果表明：在中低氨氮負(fù)荷條件下，隨HRT的減少，氨氮填料表面負(fù)荷逐步升高，同時(shí)去除率維持原有水平或有一定增長(zhǎng)；當(dāng)氨氮負(fù)荷升至高水平后，隨著HRT的減少，氨氮去除率逐步降低。這些針對(duì)HRT的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果為今后MBBR法的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，但同時(shí)也有許多需要改進(jìn)之處，比如試驗(yàn)只是單純的考慮HRT本身的影響，沒(méi)有把其他因素與HRT的關(guān)系有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，在研究中將HRT和其他因素有機(jī)的結(jié)合起來(lái)進(jìn)行探討，不僅找到實(shí)驗(yàn)最重要的影響因素，同時(shí)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中各因素之間的相互影響、相互制約關(guān)系也得到了很好地體現(xiàn)。所以針對(duì)影響因素的研究我們需要更全面更綜合的考慮。

4、水溫

在影響微生物生理活動(dòng)的各項(xiàng)因素中，溫度的作用非常重要。溫度適宜，能夠促進(jìn)、強(qiáng)化微生物的生理活動(dòng)；溫度不適宜，能夠減弱甚至破壞微生物的生理活動(dòng)。溫度不適宜還能夠?qū)е挛⑸镄螒B(tài)和生理特性的改變，甚至可能使微生物死亡。而微生物理想 溫度是指在這一溫度條件下，微生物的生理活動(dòng)強(qiáng)勁、旺盛，表現(xiàn)在增殖方面則是裂殖速度快、世代時(shí)間短。

MBBR法主要是通過(guò)生物膜中各種類型微生物的新陳代謝來(lái)達(dá)到對(duì)污水中有機(jī)污染物的降解，所以生物膜生長(zhǎng)的好壞將直接關(guān)系到廢水處理的最終結(jié)果，尤其對(duì)于硝化菌、反硝化菌而言，它們的生長(zhǎng)周期長(zhǎng)，且對(duì)環(huán)境的變化非常敏感，硝化菌的適宜溫度是20℃-30℃，反硝化菌的適宜溫度是20℃-40℃，溫度低于15℃時(shí)，這兩類細(xì)菌的活性均降低，5~C是停止，所以溫度的變化將直接影響這類細(xì)菌的生長(zhǎng)。相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，氨氮填料表面負(fù)荷的變化基本與水溫的變化趨勢(shì)一致。水溫低時(shí)填料表面負(fù)荷低，水溫高時(shí)填料表面負(fù)荷約達(dá)到水溫低時(shí)的15倍。由此可見(jiàn)，硝化細(xì)菌受溫度影響大，低溫條件下活性較弱。

5、pH值

微生物的生理活動(dòng)與環(huán)境的酸堿度密切相關(guān)，只有在適宜的酸堿度條件下，微生物才能進(jìn)行正常的生理活動(dòng)。pH值過(guò)大的偏離適宜數(shù)值，微生物的酶系統(tǒng)的催化功能就會(huì)減弱，甚至消失。不同種屬的微生物生理活動(dòng)適應(yīng)的pH值，都有一定的范圍，在這一范圍內(nèi)，還可分為過(guò)低pH值。在過(guò)低或過(guò)高的pH環(huán)境中，微生物雖然能夠成活，但生理活動(dòng)微弱，易于死亡，增殖速率大為降低。

參與污水生物處理的微生物，一般的pH值范圍，介于6.5-8.5之間。MBBR法作為生物膜法與活性污泥法相結(jié)合的工藝，同樣依賴于微生物的生長(zhǎng)以達(dá)到有機(jī)物降解的目的。所以保持微生物pH范圍是取得良好污水處理效果的必要條件，當(dāng)污水(特別是工業(yè)廢水)的pH值變化較大時(shí)，需要考慮設(shè)調(diào)節(jié)池，使污水的pH值調(diào)節(jié)到適宜范圍后再進(jìn)行曝氣。

6、其他

根據(jù)每一個(gè)具體試驗(yàn)條件的不同，還會(huì)有許多不同的影響因素。如氣水比一般控制在(3～4)，這樣的氣量能使反應(yīng)器中的填料均勻地循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)；濁度也需要控制在一定范圍內(nèi)，相關(guān)研究結(jié)果表明：濁度大使得某些懸浮物容易覆蓋在生物膜的表面，阻礙生物氧化作用的進(jìn)行，導(dǎo)致處理效率大幅下降，同時(shí)還容易造成填料堵塞，另外整個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)進(jìn)水濁度和出水濁度進(jìn)行了檢測(cè)，進(jìn)水濁度為17.6-160NTU，出水濁度為18.1-142NTU，結(jié)果發(fā)現(xiàn)中試裝置對(duì)濁度基本沒(méi)有去除效果，出水濁度隨著進(jìn)水濁度的變化而變化，所以我們需要嚴(yán)格控制好進(jìn)水濁度的量；COD容積負(fù)荷對(duì)去除率也有很大的影響，研究表明COD容積負(fù)荷為0.48-2.93kg/(m3•d)的范圍內(nèi)對(duì)COD的去除率基本穩(wěn)定在60%-80%。

在相同的水力停留時(shí)間下COD的去除率隨負(fù)荷呈正比增加趨勢(shì)，這是因?yàn)楫?dāng)進(jìn)水COD濃度較低時(shí)微生物降解有機(jī)物的速率也較小，其降解能力不能充分發(fā)揮，當(dāng)進(jìn)水COD濃度增大時(shí)促進(jìn)了生物膜微生物的生長(zhǎng)，提高了降解速率，故對(duì)COD去除率得到了提高。以上各因素都會(huì)對(duì)污水處理造成不同程度的影響，此外還有營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、有毒物質(zhì)等，如果這些物質(zhì)過(guò)多的偏離微生物生長(zhǎng)需要，就會(huì)對(duì)污水處理的最終結(jié)果產(chǎn)生影響。我們須根據(jù)具體的條件和要求來(lái)確定哪一個(gè)因素是主要影響MBBR法的最終結(jié)果。



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