生態(tài)環(huán)境2006, 15(5): 905-908htp://wwwjeesci.comEcology and EnvironmentE-mail: editor@ jeesci.com生活污水的好氧反硝化研究張智',楊華仙'， 張曉衛(wèi)”，浦軍毅“1.重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，重慶400045; 2. 中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司，重慶400013摘要:采用強化生物絮凝工藝處理生活污水，試驗結(jié)果驗證了好氧反硝化的存在;好氧反硝化的效率依賴三個因素:溶解氧濃度、絮體大小、有效碳源。低溶解氧質(zhì)量濃度有利于好氧反硝化脫氮，當ρ(DO)為0.5 mg L'時，TN去除率達到57.7%。結(jié)合理論分析，對好氧反硝化的機理以及影響因素進行了探討。關(guān)鍵詞:氨氮;生活污水;好氧反硝化;溶解氧;碳氮比中圖分類號: X703文獻標識碼: A文章編號: 1672-2175 (2006) 05-0905-04傳統(tǒng)的生物脫氮理論認為生物脫氮( biological板焊接制作。流量為4.0m: d',缺氧池、絮凝池、nitrogen removal, BNR )過程由好氧條件下的自養(yǎng)型沉淀池容積: 0.3、 0.25、 0.46 m',對應(yīng)的HRT分硝化(autotrophic nitrification) 和缺氧條件下的異別為: 1.8、1.5、2.8 ho水溫20~ - 22 C,進水pH=7.6~養(yǎng)型反硝化(heterotrophic denirification)來共同完9.3(平均為8.2)，絮凝池pH平均為7.3,成川，可由NH-N的去除過程來說明2!:MLSS=1 800~ 1900 mg L,泥齡(SRT)維持在8~NH4*+1.5O2 NO2^+H2O+2H+(1)10 doNO2+0.5O2 NO;(2)NO2+3H(碳源) 0.5N2+2H2O+OH(3)NO3+5H(碳源) 0.5N2+2H2O+OH(4)豆化幫額開式(1)和(2)在好氧條件下進行，而式(3)和(4)在缺氧條件下進行。由式(1)~(4)可知，硝化過程產(chǎn)目成污泥2州余污波--?生酸，因此消耗水中的堿度，而在反硝化過程中則產(chǎn)生堿度。根據(jù)理論計算，每硝硝化1 g NH3-N需圖1 工藝流程約7.14g堿度(CaCO3計)，每反硝化1g NO2-N或Fig. 1 Flow chart of treatmentNO3-N可產(chǎn)生3.57 g堿度。因此對于生物脫氮工藝，若反硝化完全，則每去除1gNH-N需投堿約1.2試驗水質(zhì)3.57 g,這就是傳統(tǒng)硝化反硝化(NDN)存在的問題31試驗用水采用宿舍區(qū)生活污水，具體水質(zhì)指標之一見表1。好氧反硝化又稱同時硝化反硝化(SND)4,是表1 p(9/ P(N對脫氮的影響在有氧條件下發(fā)生反硝化。. 上個世紀人們就清楚地Tab. I Nitrogen removal vs (C)Ii(N)發(fā)現(xiàn)5-7:若溶解氧濃度得到嚴格控制，可以在同一P(C)/I(N)P(COD,)(mg: _ (NH-N,)/(mg _ P(TN,/(mg:運行條件下發(fā)生SND。近年來,好氧反硝化(Aerobic進.出7%進出_ _ 7%進出7%denitrification) [8.9也有不少研究和報道。在許多實2.418 90.11 58.12 36.88 36.65 73.00 50.54 30.77際運行中的好氧硝化池中也常常發(fā)現(xiàn)有30%的總3.56 2: 5326 89.72 59.38 30.35 48.89 71.08 44.72 37.084.58340 31 90.88 A 59.71 30.08 50.12 74.16 40.61 45.24氮損失['0。稻森悠平"等觀察到缺氧階段和好氧階段2h內(nèi)TN的明顯降低認為發(fā)生了好氧反硝化。2試驗結(jié)果及分析作者采用強化生物絮凝工藝處理某大學(xué)生活污水2.1 p( COD)/ p(N之比對好氧反硝化的影響過程中，同樣發(fā)現(xiàn)明顯的好氧反硝化現(xiàn)象，并對好從表1中的處理效果看，由于強化絮凝工藝采氧反硝化的機理以及影響因素進行了探討。用了短水力停留時間(Short HRT),使得硝化反應(yīng)不1試驗條件及方法很徹底，在低ρ(COD)/ p(N)(2.49)下，反硝化對碳源1.1試驗裝置及運行工藝流程見圖1。 試驗一體化裝置采用熱扎鋼(能量)需求難以滿足，TN去除不理想(30.77%)，隨基金項目:中冶賽迪技術(shù)開發(fā)合同(CISD12004-15)作者簡介:張智(1960-), 男，教授，博士，博導(dǎo)，多年從事水處理技術(shù)研究與教學(xué)。E-mail: zhangzhicq@ 163.com收稿日期: 2006-05-09 :906生態(tài)環(huán)境第15卷第5期(2006年9月)p(COD)/p(N)的增加，TN去除率的上升趨勢明顯(見2.3溶解氧對好氧反 硝化的影響圖2)。溶解氧濃度直接影響到硝化反硝化速率，進而影響脫氮效率。試驗中調(diào)節(jié)絮凝池p(DO)分別為-◆-influent0.2、0.5、 0.8、 1.3、1.5、 3.0、3.6mgL",考察DO對脫氮的影響，結(jié)果見圖3。250-fluent! 40，f30230十20-▲removalratio(%)育6(22.533.544.55ρ(C)p(N) .自20圖2 ! TN去除率隨ρ (C)/ ρ (N)變化曲線0 0.511.522.533.54ig2 TN removal ratio vs CINρ (DO)(mgL)此外，氨氮的去除大于總氮，而對于完全的圖3 IN去除率 隨DO變化曲線SND,銨氧化速率應(yīng)大致等于反硝化速率12。因為Fig. 3 TN removal ratio vs Do自養(yǎng)硝化要比異養(yǎng)代謝慢，所以SND在硝化過程中需要緩慢降解的有機碳源來持續(xù)提供給反硝化TN的去除曲線呈現(xiàn)“雙峰”狀，p(D0)=0.5能量。廢水中通常是固有緩慢降解的COD,而內(nèi)部mgL" (低溶氧水平)對應(yīng)去除率的左峰值點，有機碳儲藏聚合體也是另一個緩慢降解的能量源。p(D0)=1.5 mg:L' (中溶氧水平)對應(yīng)去除率的右峰因為PHB 的氧化速率較可溶性的碳源要慢，所以值點，其左右峰值幾乎等高(57.7%與58.1%)。p(DO)從易生物降解的COD轉(zhuǎn)化到細菌儲藏聚合體(例在0.2~1.3范圍內(nèi)，TN去除率先上升后跌落，表如PHB)貯備了溶解性的COD以用作緩慢降解的明好氧反硝化易在低溶解氧條件下取得，當氧濃度底物13。這樣p(COD)p(N)對好氧反硝化的影響便太低[(D0)=0.2 mgL勹]時，氨的氧化受到抑制，亞不難理解了。硝酸鹽及硝酸鹽濃度較低，脫氮效率降低(059;當2.2好氧過程中的反硝化p(DO)超過0.5 mg:L",污泥充氧劇烈，大顆粒絮體為了避免將缺氧段的常規(guī)異養(yǎng)反硝化歸功于逐漸被打碎，破壞了絮體內(nèi)部的缺氧(厭氧)微環(huán)境，絮凝池的好氧反硝化，試驗對絮凝池中氮的不同形使得好氧反硝化受到抑制，從而降低了脫氮速率。態(tài)進行了跟蹤監(jiān)測，結(jié)果見表2。當p(DO)超過1.3 mgL', TN的去除率迅速上升，到p(D0)=1.5 mg:L='時達到峰值，而后又逐漸衰減，表2絮凝池中氮的變化這表明p(DO)在1.3~3.6范圍內(nèi)，發(fā)生的不再是好Table2 Variation of nitrogen in foclation tankmgL'氧(自養(yǎng)"0)反硝化，而是傳統(tǒng)的異養(yǎng)反硝化，因為進水出水減少量去除率%p(NH-N)50.1215.1230.17隨氧濃度的增加，氧的穿透能力加強，會使菌膠團p(NO2~ N) .0.250.230.028內(nèi)部的部分微環(huán)境由厭氧型轉(zhuǎn)變?yōu)楹醚跣?，氨氧化p(NO, N)11.7113.49-1.78速率提高，亞硝酸鹽及硝酸鹽濃度提高，硝化與反ANO, N)11.9613.72-1.76硝化反應(yīng)趨于平衡，脫氨速率提高;當氧濃度增加__P(TN)62.0848.7213.3621.52到一定程度時，反硝化反應(yīng)受阻，會出現(xiàn)硝酸鹽及亞硝酸鹽的大量積累，脫氮速率降低。從表2中可以看出，氨氮的減少量15.12 mgL'試驗采用低曝氣量[p(D0)-=0.5 mgL]以減少不等于硝態(tài)氮的增加量1.76 mgL',表明有13.36能耗，反而取得較好的好氧反硝化效果。國外許多mgL'的氮通過其它途徑“消失"掉，實質(zhì)上氨氮以研究 71910也發(fā)現(xiàn): p(DO)=0.5 mgL',硝化硝態(tài)氮作為電子受體直接被氧化成N2而釋放到大速率等于反硝化速率，會導(dǎo)致完全的SND發(fā)生。氣中?？捎膳悸?lián)4反應(yīng)表示: NH2'+O2- >NO2,2.4絮體大小對好氧反 硝化的影響NH4* +NO2→N2+2H2OKlangduenl21為了證明SND是一種物理現(xiàn)象的若沒有好氧反硝化，p(TN)在 整個絮凝池曝氣假設(shè)，做了大量試驗考察絮體大小對SND的影響。過程中應(yīng)基本保持不變(除少量物理吹脫和同化作根本的物理解釋為:密實的缺氧核(anoxicmass用會引起微量減少外), p(TN)的明 顯降低(減少了fraction)存在于生物絮體中心，導(dǎo)致氧向絮體的傳13.36 mgL )則說明確實有好氧反硝化發(fā)生。遞受到限制。典型的絮體尺寸為50~110 pum,相對張智等:生活污水的好氧反硝化研究907要比Andreadkis22)測量的10~70 um大。如此巨大用，在活性污泥菌膠團和生物膜內(nèi)部會存在多種多的絮體尺寸會在絮體內(nèi)部創(chuàng)造缺氧區(qū)(anoxic zone)樣的微環(huán)境類型。而導(dǎo)致反硝化發(fā)生(見圖4)。在好氧性微環(huán)境中，由于好氧菌的劇烈活動，當耗氧速率高于氧傳遞速率時，可變成厭氧性微環(huán)aerobicDissolved Oxygen Profile境;同樣，厭氧性微環(huán)境在某些條件下，也能轉(zhuǎn)化inside a floenorie成好氧性微環(huán)境。- 般而論，既使在好氧性微環(huán)境占主導(dǎo)地位的活性污泥系統(tǒng)中，也常常同時存在少Oxygen dfusion量的微氧、缺氧、厭氧等狀態(tài)的微環(huán)境。而采用點.Large floeSmall floc源性曝氣裝置或曝氣不均勻時，則易出現(xiàn)較大比例的局部缺氧微環(huán)境。因此曝氣階段會出現(xiàn)某種程度的反硝化，或稱同時硝化反硝化的現(xiàn)象。Fig. 4 Influence of floc size on acrobic anoxic zoneratio in schematic activated sludge floc4結(jié)論(1)好氧反硝化的最適環(huán)境條件為:低溶解氧、國內(nèi)的觀點因為:一-般 絮體的尺寸在0.15 mm高碳氮比和短泥齡2728。異氧硝化(Heterotrophic ni-或生物膜厚度超過0.1 mm的范圍已經(jīng)足夠允許在trifcation)在自然界中對氨的氧化占了很大部分[29)，傳統(tǒng)的活性污泥處理系統(tǒng)中形成實際上的反硝化。而異養(yǎng)硝化菌(heterotrophice nitrifiers)相比 自養(yǎng)硝化2.5硝化負荷對好氧反硝化的影響菌(autotrophic nitrifers)通常:增殖更快產(chǎn)量更高、硝化負荷影響氨氮的轉(zhuǎn)化，負荷太高，硝化反需要更低的溶解氧、對酸性環(huán)境忍耐性更高8，故應(yīng)不完全，脫氮效果變差。根據(jù)經(jīng)驗，硝化負荷小酸性環(huán)境(acidic environment)是否對好氧反硝化有于NH-N 0.1 kgd (略高于城市污水處理中的氮負利就成為后續(xù)深入研究的焦點。荷1240.05 kgd )為宜，當硝化負荷超過NH3-N 0.1(2)反硝化過程中，硝酸鹽和亞硝酸鹽按照氧的kgd'時，出水p(NH;-N)明顯上升，去除率急劇下方式在呼吸作用的電子轉(zhuǎn)移鏈中(electron transport降，活性污泥結(jié)構(gòu)松散，沉淀池污泥成顆粒狀隨水chain)用作電子受體，對細菌的代謝作用只有較小帶出。的影響8。溶解氧嚴格控制運行下，污泥沉降性能3機理探討得到改善(SVI=80)，肉眼便可觀察到污泥絮體礬花對于好氧反硝化機理可從生物學(xué)、生物化學(xué)以曾大。及物理學(xué)的角度進行探討。(3)與缺氧反硝化菌相比，好氧反硝化菌具有:(1)生物學(xué)角度。80年代好氧反硝化菌的重要發(fā)稍低的反硝化速率，在好氧和卻氧之間變動的更優(yōu)現(xiàn)，使得好氧反硝化的解釋有了生物學(xué)的依據(jù)。C越的生態(tài)小環(huán)境，優(yōu)先利用特定的有機底物(如甲知的好氧反硝化菌[25]有Pseudomonas Spp,醇)30-31。可以根據(jù)其特性控制反應(yīng)朝有利的方向進Alcaligenes faecalis, Thiosphaera Pantotrophao行(如進水碳氮比不足時，可以投加甲醇，工程上以(2)生物化學(xué)角度。好氧反硝化所呈現(xiàn)出的最大p(COD)p(N)=10為控制上限。特征是好氧階段總氮的損失。關(guān)于硝化作用的生物(4)供氧受到限制或缺少有機碳源的條件下，好化學(xué)機制的研究，目前已初步清楚按以下途徑進氧反硝化技術(shù)有其獨特的優(yōu)點:氨氮和亞硝酸鹽分行: NH3氨-→H2N-NH2聯(lián)胺-→NH2-OH 羥胺-→N2 氮別作為電子供體和電子受體發(fā)生自養(yǎng)脫氮，使曝氣氣→N2O(HNO)氧化亞氮(硝酰基)-→NO氧化氮能耗和有機碳源需求量大大減少。一+NO2亞硝酸-→NO;硝酸。在這個過在這個過程參考文獻:中，至少有三個中間產(chǎn)物N2、N2O和NO能以氣體1] 顧夏聲.廢水生物處理數(shù)學(xué)模式[M]. 北京:清華大學(xué)出版社，形式產(chǎn)生，甚至有人20發(fā)現(xiàn)，好氧條件的反硝化會1993.產(chǎn)生比缺氧條件反硝化時更多的N2O中間產(chǎn)物。GU Xiasheng Mathematical mode of wastewater biologicaltreatment[M]. Beijing: Tsinhua University Press, 1993.(3)物理學(xué)角度(微環(huán)境理論)。微環(huán)境理論認2] 宗宮功.污水脫氮除磷技術(shù)[M]張蓀楠，吳之麗，譯.北京:中國為:由于微生物個體形態(tài)非常微小，一-般屬um級，環(huán)境科學(xué)出版社, 1987.ZONG Gonggong. Technology of nitrogen and phosphorus removal in影響生物的生存環(huán)境也是微小的"。而宏觀環(huán)境的wastewater[M]. Translated by ZHANG Sunnan,WU Zhili. Bejing:變化往往導(dǎo)致微環(huán)境的變化或不均勻分布，從而影China Enironment Science Press, 1987.響微生物群體或類型的活動狀態(tài)。事實上，由于微3] 馮葉成，王建龍，錢易，生物脫氮新工藝研究進展[刀]， 微生物學(xué)通報，2001, 284): 88-91.生物種群結(jié)構(gòu)、基質(zhì)分布代謝活動和生物化學(xué)反應(yīng)FENG Yecheng, WANG Jianlong, QIAN Yi. The research progress ofnew biological denitrogenation craft[J]. Microbiology, 2001, 28(4):的不均勻性，以及物質(zhì)傳遞的變化等因素的相互作88-91.