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浅谈实现短程硝化反硝化的影响因素

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2017年6月 污染治理(45 ̄48) 环境研究与监测 第30卷 浅谈实现短程硝化反硝化的影响因素 雷经纶.杨帆 (甘肃省环境监测中心站,甘肃兰州730020) 摘要:目前,短程硝化反硝化生物脱氮技术作为一种高效的方法,在国内外氮和磷的污染控制 中广泛运用。文章综述了短程硝化反硝化的研究现状、影响因素,介绍了加入不同抑制剂后短程硝 化反硝化的效果.为今后实现更高效、更广泛的短程硝化生物脱氮技术提供参考和支持。 关键词:硝化;反硝化;影响因素;抑制剂 中图分类号:X505 文献标识号:A 文章编号:(甘)LK000067(2017)02-45—48—04 Discussion on Influencing Factors of Shortcut Nitriication fDenitriication fLei Jinglun,Yang Fan (Gansu Province Environmental Monitoring Center Station,Lanzhou 730020,China) Abstract:At present,the shortcut nitriifcation denitrification biological nitrogen removal technolo— gY as an efifcient method,widely used in the control of nitrogen and phosphorus pollution at home and abroad.This paper reviewed the factors influencing nitriifcation and denitrification,research status,in— troduces the effect of nitriifcation and denitriifcation by adding different inhibitors,for the future to achieve a more efficient,more extensive biological nitriifcation and denitriifcation technology to provide reference and support. Key words:nitriifcation;denitrification;influencing factors;inhibitor 短程硝化反硝化又称为亚硝酸型硝化反硝 生长所需的最小基质浓度较低,基质利用率相对 化,与传统硝化反硝化不同的是,短程硝化反硝化 较大.在自然界中很难观察到亚硝酸盐显著稳定 的关键在于将NH4+氧化控制在NO2 ̄阶段。阻止 的积累。因此。如何将硝化反应稳定的控制在亚硝 NO2 ̄的进一步氧化I-I。如何持久地维持较高浓度 化阶段已成为近年来废水生物脱氮的一个重要研 NO2 ̄的积累及影响NO2+积累的因素便成为了研究 究方向。 的重点和热点。 1短程硝化反硝化的研究现状 目前研究主要集中在硝酸菌和亚硝酸菌对环 境因素的敏感程度不同来实现对亚硝酸盐的筛 选、积累。通过控制条件以确立亚硝酸细菌的竞争 优势,从而有效地抑制硝酸细菌的活性或减少硝 在硝化过程中.由于亚硝酸氧化菌维持稳态 酸菌的数量12"1。现阶段对短程硝化反硝化的研究主 要集中于煤气废水、焦化废水、石化废水、垃圾渗 收稿日期:2017—04一l3 作者简介:雷经纶(1988一),男.汉族,甘肃永登人,大学本科,助理’ 程 师,现从事环境监测与管理丁:作。 滤液等高氨氮废水的处理,并产生了诸如 SHARON、CANON、OLAND工艺等。现阶段国内 环境研究与监测 第30卷 外研究多要求控制较高的温度和较高的pH(≥8) 现NO2-的积累。 此,控制硝化阶段温度存低温或 才能获得稳定的亚硝酸盐积累 对于一般低氨氮 较高的温度时,硝化产物主要是NO2- 但也彳丁报道 城市污水来说很少有能满足这螳条件的。通过控 认为,低温(12~l4oC)对硝酸菌的抑制作刖更为强 制较高的温度和pH值实现的短程硝化,在1 程上 烈,往往会出现亚硝酸氮的积累.温度超过30cC 应州会存在一定的局限性。因此,探讨常温下低氨 时,由于蛋白质变形会降低两类硝化菌的活性。 氮污水的短程硝化实现的控制途径具有重要理论 何岩 等认为温度是亚硝酸型硝化反应器有 研究价值和实际应用的意义 、 效运行的先决条件,低温(<15℃)条件下,温度对硝 H前,周内埘生物脱氮的研究还主要是针对 化细菌的影响远远大于D0干¨1.1A等其他影响作 传统1 艺的改进..新T艺的研究和开发应用还较 用,提高温度(>l5℃)对于亚硝酸型硝化反应器的 少.对微生物学机制的研究也较少.尤其是对生物 实际运行很重要。最佳温度条件的确定与所处理 脱氮限速步骤硝化作用的研究依然停留在菌种的 水质特点有密切关系。王少坡 等人在研究温度和 分离、纯化和生理生化特性的研究.很少涉及分子 污泥浓度对短程内源反硝化脱氮的影响中发现存 物学方面的研究,因此还需加强在高效菌种的 l5~30℃范围内,随着温度的升高.短程内源反硝化 分离、筛选和特殊脱氮微生物的方面的研究。即应 速率逐渐增高,温度每升高lOcc,反硝化速术增加 川现代分组生物学技术,研究硝化过程中微生物 3倍 反硝化菌大多属于中温性细菌,研究表明亚 之问的相互关系和作用机制,通过基因的改造提 硝酸型反硝化适宜的温度在28 左柯 高牌对氨氮的亲和力,以提高硝化速率,或通过构 2.2 I)O的影响 建基 程菌.解决脱氮过程中硝化率低的问题。 亚硝酸菌和硝酸菌均是簟性好氧菌, 生物 膜和活性污泥反应器中.当膜的厚度和污泥颗粒 2短程硝化反硝化的影响因素 的尺度较大时,形成对氧扩散梯度。亚硝酸菌对 DO的亲和力较硝酸菌强,低DO下亚硝酸 的增 短程硝化反硝化影响因素的研究是一个系统 殖速率加快近一倍.补偿了由于DO造成的代 活 l 程,任何一个控制因子的确定除明确它本身对 性下降.而硝酸菌增殖速度无任何提高一一般认为 硝化、反硝化两类菌的影响外,还要考虑其它因素 至少应使溶解氧浓度在0.5mg/L以上时才能很好 的协州作州. 其主要控制条件包括:温度、pH、溶解 地进行硝化作用,否则硝化作 会受到抑制 、张小 氧、游离氨以及污泥龄等。一 研究者对短程硝化 玲 等研究了低DO下的短程硝化,研究发现当 的主要操作条件进行了单独实验。并指H{了它们 CSTR的DO为O.2~0.3mg/L、SRT≤30d时实现_r 的适宦范嗣.. 亚硝酸的积累 但50d后发生_『污泥膨胀,硝化效 2.1温度的影响 率下降 周利f7】等人的研究发现存一定低污泥负倚 关于温度对短程硝化反硝化的影响说法不 下.通过提高DO浓度并不能使低DO膨胀污泥的 一一.般认为硝化细菌的温度系数比亚硝化细菌 沉降性能的得到有效的恢复。因此在采用控制低 小.即亚硝化细菌对温度的变化影响比硝化细菌 DO实现CSTR的短程硝化‘【 艺时,必须注意控制 更加敏感..且温度对生物脱氮系统中氨氧化菌的 SRT和污泥负荷.这是一个相互关联的体系 谢有 影响是双重的,既影响微生物的生理活性,又影响 奎 等认为.DO与氨氮浓度及氨氮类型、有机物浓 微生物的底物(游离氨FA和游离亚硝酸FNA)在 度、氧传质阻力和构筑物类型等均有复杂而密切 水溶液中的形态 的关系 目前对这些影响还很不深入,一些实验结 生物硝化反应在4~45℃内均可进行:在l2~ 果之间还存在分歧 另外,这些影响因子对最佳溶 l4℃以下活性污泥中硝酸菌活性受到严重抑制出 解氧浓度的联合作用也不清楚 、冈此通过婵论模 现NO2-积累:在15~30 范同内,硝化过程形成的 型来预测最佳DO浓度还存在很大难度,除参考已有 NO,-可完全被氧化成NO 一:温度超过30℃后又出 的文献资料外.主要还是通过现场实验来确定. .第2期 雷经纶等:浅谈实现短程硝化反硝化的影响因素 47 2.3 pH值的影响 硝化反应时间.也相应的延长了反硝化反应的时 亚硝化菌对pH值特别敏感,最近研究表明, 间。但随着反应的进行,氨氧化菌对废水水质会产 当pH值为7.4~8.3时,亚硝酸盐积累速率达到很 生适应性,经过一段时间的培养,硝化时问将会缩 高;NO 一N生成速度在pH=8.0附近达到最大;而 短.整个运行周期的反应时间也将会缩短。张树 NO 一N生成速度在pH值:7.0附近达到最大。所以 等在研究高氮垃圾渗滤液的短程硝化时发现高游离 在混合体系中氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌的最适 氨是导致短程硝化的主要因素,以pH作为控制参 pH值分别在8和7附近。利用亚硝酸菌和硝酸菌 数调控曝气时间,可以有效的抑制亚硝酸盐氧化 的最适pH值不同。控制混合液中pH值就能控制 菌的增长。实现种群优化和稳定的短程硝化。鲁南 等 硝化类型及硝化产物。实验表明,亚硝酸型硝化要 求pH值必须控制在7.4~8.3,pH>7.4时亚硝酸盐 所占比率高于90%。 大多数学者都认为pH值是通过影响溶液中 FA和FNA的浓度,进而影响短程硝化反应的进 程。高大文 等人的实验证实了控制pH实现短程 硝化反硝化生物脱氮工艺的机理正是利用了反应 体系内的高pH和高游离氨浓度对硝酸菌产生抑 制,从而在硝化过程中产生亚硝酸盐积累。pH值 在整个短程硝化过程中具有一定的变化规律,一 般在有机物降解、硝化过程和反硝化过程结束时 都会出现拐点.可通过pH值的变化控制脱氮过 程。王少坡【4J等采用SBR反应器在碳源充足的条件 下对反硝化过程中的pH变化规律进行了研究,结 果表明,反硝化过程中pH曲线上不仅出现了指示 反硝化结束的特征点。还出现了表示硝酸盐完全 还原为亚硝酸盐的特征点。利用这些拐点可以准 确地指示生物反硝化反应的历程,为更好地控制 污水处理工艺提供参考数据。 2.4游离氨浓度与氮负荷 废水中氨随pH值不同分别以分子态和离子 态形式存在。国内外报道的关于FA对硝化、亚硝 化的抑制浓度范围很宽。但有一点共识,即亚硝酸 盐氧化菌对游离氨的敏感性要低于氨氧化菌。要 完成短程硝化就是要把游离氨的浓度控制在对亚 硝酸盐氧化菌起到抑制作用,而对氨氧化菌没有 影响的范围内。所以,当废水中NH 浓度较高,pH 值偏于碱性时,易形成亚硝酸型硝化。在相反的条 件下,则形成硝酸型硝化的倾向很大。研究还发现 进水氨氮的浓度对短程硝化反硝化的反应时间也 存在一定的影响。当进水氨氮浓度提高时,为了降 低氨氮负荷、达到较高的氨氮去除率必然要延长 在研究MBR中影响短程硝化反硝化的生态因子时 发现随着氨氮负荷的逐渐上升,NO 一N也有积累 的趋势,由于氨氮负荷增加,混合液中的分子态游 离氨也增加,抑制了硝酸菌的活性,从而造成NO ~N 的积累。但有学者指出过高进水氨氮浓度或氨氮 负荷变化会导致短程硝化反硝化速率下降,氨氮 去除率降低,因此应尽量避免出现氨氮负荷的冲 击。 2.5污泥龄的影响 硝酸菌的世代周期比亚硝酸菌的世代周期 短。在悬浮处理系统中,若使泥龄介于两者的最小 停留时间之间,则系统中的硝酸菌会逐渐被冲洗 掉,使亚硝酸菌成为系统优势菌,从而形成短程硝 化。在CSTR反应器中,也可通过控制水力停留时 间来实现。同时,唐欣『l21等研究表明,低强度超声作 用加快胞外聚合物分泌,增加生物酶活性,可以促 进了短程硝化污泥反应速率。 2.6有机质及有害物质的影响 活性污泥系统中可生物降解的含碳有机物与 含氮物质浓度之比,是影响生物硝化速率和过程 的重要因素。亚硝化反应系统中可生物降解的有 机质越高,污泥中硝化菌的比率就越低。Keisuket-3 1等人认为有机物对硝化菌的作用是通过影响活性 污泥系统中异养菌的活性来间接地影响硝化菌。 亚硝酸盐氧化菌对环境较为敏感,废水中的酚、氰 及重金属离子等有害物质对亚硝酸盐氧化过程有 明显的抑制作用。 根据各种废水的水质特点寻找其主要控制因 素,综合考虑各种控制条件来控制硝化过程。才能 使亚硝酸的积累能长久稳定地维持。 2.7盐浓度的影响 对于一些常用的无机盐来说,适量浓度对短 48 环境研究与监测 第30卷 程硝化具有促进左右,超过某个阈值则对硝化具 类细菌的生化特性不同,利用其对氧化菌敏感程 有抑制作用。当前无机盐对短程硝化的影响研究 度的差异可产生选择性抑制作用。抑制硝化细菌 还停留在单一组分或者少组分的条件下,由于实 除了来自于外加的抑制剂外,有时也来自于细菌 际废水中含盐组分、浓度的差异.其具体影响还需 所产生的代谢废物。这些废物如果在水中的浓度 要做更多的研究来确定【l4]。 3投加抑制剂实现的短程硝化反硝化 对于大量的常温下低氨氮的城市生活污水而 言,很难达到短程硝化反硝化所要求的全部条件。 可试图寻找某种抑制剂来克服不利因素对短程硝 化反硝化的影响,以期达到亚硝酸盐的高效稳定 的积累。外加抑制剂对参与反应的两类细菌会产 生不同的抑制作用,利用这种差异可以实现短程 硝化反硝化㈣。为便于研究,把能产生选择性抑制 的化学物质分为无机氮化合物、毒性物质、杀菌类 物质。 3.1无机氮类化合物 多数学者认为这类物质对短程硝化的影响主 要是通过游离氨和游离亚硝酸对硝化反应中两类 硝化细菌产生不同抑制作用来实现的。很多学者 对此做过验证,得出了不同的结果。但值得注意的 是硝酸菌对这种抑制作用具有适应性。还有学者 认为游离氨不是这种抑制作用的根本原因.他们 发现羟氨(NH OH/NH OH)是真正使硝酸菌产生抑 制的原因。羟氨是亚硝酸菌的中间反应产物,在高 游离氨、缺少氧和高pH情况下,羟氨很容易积聚, 从而影响和抑制硝酸菌的生化机能,但对这一点 值得进一步论证。 3.2南毒物质 利用亚硝酸盐氧化菌对环境较为敏感的特 性,废水中的酚、氰以及重金属离子等有害物质都 会对亚硝酸盐氧化过程有明显的抑制作用。这些 有毒物质多出现在工业废水中,特殊情况下可以 混合工业废水利用生化处理进行短程硝化反硝 化。此类有毒物质一般不作为抑制剂。 3.3消毒剂 消毒剂大多为氧化剂,利用氧化作用破坏生 物分子中的酶,从而杀死细菌。参与硝化作用的两 偏高,同样会对硝化作用产生作用。 宋学起【 刀等在常温下通过投加NaOCL抑制 剂,在SBR法生物脱氮工艺中成功实现了稳定高 效的亚硝酸盐积累。支辉霞【l8]等研究了在不同盐度 下各因素对含盐废水短程硝化反硝化的影响。结 果表明,含盐量增加有助于亚硝酸盐的积累。孙晓 杰㈣等用含海水30%的生活污水进行实验。实现了 短程硝化,证明了氯化钠是影响亚硝酸积累的因 素之一,但其亚硝化率较海水小,说明海水中其它 离子对亚硝酸积累也有一定影响。 4总结 短程硝化反硝化是一种很有前景的生物脱氮 技术。通过控制环境因素可以实现亚硝酸盐的积 累,其各个影响因素之间是一个相互关联的整体, 对于其各个影响因素还应进行深入研究。通过控 制加入不同的抑制剂并辅以有利的反应器或运行 方式可以实现稳定的亚硝酸盐的积累。短程硝化 反硝化技术处理废水工艺,在经济上和技术上均 具有一定的可行性。如何更高效的达到除氮作用, 还需要进一步的研究和开发。 参考文献: 【1]李军,杨秀山,彭永臻.微生物与水处理工程[M],北京:化 学工业出版社。2002. 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