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1 短程硝化反硝化的反应机1


短程硝化反硝化的影响因素
1 短程硝化反硝化的反应机理
传统的硝化过程包括亚硝化阶段和硝化阶段,分别由亚硝化细菌和硝化细 菌来完成,将 NH4+依次转化为 NO2-和 NO3-。反硝化过程是通过反硝化细 菌将 NO2-或 NO3-作为电子受体转化为 N2。短程硝化反硝化就是通过分别 培养驯化亚硝化细菌和反亚硝化细菌,通过亚硝化细菌将 NH4+在亚硝化作用 下转

化为 NO2-,然后不经 NO3-的生成过程直接由反亚硝化细菌将 NO2-转 化为 N2 的过程。短程硝化反硝化之所以能够实现,主要是由于亚硝化过程和 硝化过程是氨氮氧化过程中依次进行的过程,在硝化过程中通过控制适当的条 件完全可以把两者分开。另外,从微生物学角度分析,亚硝化细菌和硝化细菌 之间的关系并不密切,并无进化谱上的关联性,运行过程中通过控制适宜的环 境条件可以培养出亚硝化细菌。

2 各因素对短程硝化反硝化的影响分析
2.1 温度的影响
温度对硝化反应的影响是通过亚硝化细菌和硝化细菌生长速率的不同而表 现出来的。通常认为,生物的硝化反应在 4 ~ 45 ℃ 下均可进行,适宜的温度 为 20 ~ 30 ℃,在 12 ~ 14 ℃ 时,亚硝化细菌的活性大于硝化细菌的活性, 表现为 NO2- 的积累,15 ~ 30 ℃ 时硝化细菌的活性大于亚硝化细菌的活 性, 形成的 NO2-可完全被转化为 NO3-,超过 30 ℃时又出现 NO2- 的积 累。

目前, 对于温度对亚硝化细菌生长的影响说法不一。王淑莹等和高景峰 等 运用 SBR 法考察了温度对短程硝化反硝化的影响, 得出维持稳定短程硝化 反硝化的最适温度为 28 ~ 29 ℃, 此时亚硝化率为 82.2% ~ 83.5%。 高 大文 运用 SBR 反应器处 理 豆 制 品 废 水 , 在 温 度 为 (31 ± 0.5) ℃ 的 条 件下, 获得了较好的亚硝化 效 果 , 亚 硝 化 率 (NO2-/(NO2- + NO3-))稳定在 90% 以上。 Hellinga 等 认为在 5 ~ 20 ℃ 的条件下, 由 于亚硝化细菌的生长速率小于硝化细菌, 不可能存在 NO2- 的积累, 要想稳 定 NO2- 的积累, 温度应控制在 30 ~ 35 ℃。 作者在 pH 值为 7.5 时, 通过静态试验研究了不同温度条件下 NO2- 的积累情况, 结果表明, 亚硝化细菌的最适生长温度是 20 ~ 30 ℃, 温度低 于 20 ℃ 时, 亚硝化细菌增长速率低于硝化细菌, 无 NO2- 的积累, 温度高 于 20 ℃ 时,亚硝化细菌活性开始增强,硝化细菌的活性受到抑制, 亚硝酸盐 产率提高,25 ℃ 时,亚硝酸盐所占百分比达到 60%,27 ℃ 时,亚硝化率达 到 61%,表明亚硝化细菌适宜在高温条件下生长, 亚硝化细菌较硝化细菌具 有更 好 的 抗 高 温 性 ,当 温 度 超 过 30 ℃ 以 后 , 发 现 NO2- 积累量下 降, 而此时硝酸盐浓度也出现明显降低,因而亚硝化效率仍保持较高的态势。 分析认为, 这是由于温度过高时, 超过了亚硝化细菌的承受负荷,导致亚硝 化细菌的活性受到抑制,甚至部分细菌结构遭到破坏而死亡, 造成 NO2--N 的积累降 低 ,由 NO2--N 生 成 NO3--N 的 量 也 因 此 下 降 ,因而 NO2--N 的积累率并未表现出明显降低。

2.2 pH 值的影响

pH 值对硝化细菌和亚硝化细菌的生长都有很大影响。 一般认为亚硝化 细菌的最适生长的 pH 值为 7.0 ~ 8.5, 硝化细菌的最适生长的 pH 值为 6.0 ~7.5,pH 值小于 7 则整个化过 程 受 到 抑 制 , pH 值大于 8 时出现 NO2- 的积累。 目前, 众多学者都在研究 pH 值对亚硝化细菌生长的影响, 但众说纷纭, 尚未得出一致的亚硝化细菌最适生长 pH 值。 作者利用静态试验,通过调节不同 pH 值对短程硝化的影响进行了研 究, 得出在 pH 值为 7.5 时亚硝酸盐积累效果较 pH 值为 7.0 和 6.5 时都好, 且呈现出随 pH 值增大,亚硝化效率提高,当 pH 值超过 8.0 时,亚硝化效率 开始降低。 分析认为,随着 pH 值的提高,游离氨浓度逐渐提高,当游离氨浓 度低于亚硝化细菌的抑制浓度而高于硝化细菌的抑制浓度时,硝化细菌被抑 制, 表现出亚硝化效率的提高,而当游离氨浓度超过了亚硝化细菌的抑制浓度 时对亚硝化细菌产生抑制,表现出亚硝化效率的降低,因此要获得较多的亚硝 酸盐积累,需要控制适宜的 pH 值,使游离氨浓度维持在亚硝化细菌和硝化细 菌的抑制浓度之间。实际运行中,pH 值控制在 7.5 ~ 8.0 范围内时,亚硝化效
果最佳。

2.3 DO 的影响
DO 浓度是影响亚硝化过程的一个重要因素 。由于亚硝化细菌和硝化细菌 都是好氧菌, 在高 DO 浓度条件下, 亚硝化反应速率和硝化反应速率相匹配, 不会存在 NO2- 的积累, 只有在低 DO 浓度条件下才会出现 NO2- 的积累, 因为亚硝化细菌的氧饱和常数(KO = 0.2 ~ 0.4 mg / L)小于硝化细菌的 氧饱和常数(KO = 1.2 ~ 1.5 mg / L), 低 DO 浓度条件时,亚硝化细 菌对 DO 的亲和力强于硝化细菌, 补偿了由于低氧所造成的代谢能力的下降, 使氨氮的氧化并未受到影响, 但低氧造成硝化细菌活动能力的下降, 促使了

NO2- 的积累, OLAND 工艺就是通过控制 DO 浓度实现短程硝化反硝化的典 型工艺,但低 DO 浓度条件下易发生活性污泥的解体和丝状菌的膨胀, 因此通 过 控 制 低 DO 浓 度 条 件 来 实 现 NO2- 的积累时应注意污泥膨胀的问题。 作者通过静态试验考察了不同 DO 浓度对亚硝酸盐积累的影响。 试验控制 温度为 27 ℃, pH 值为 7.5, DO 质 量 浓 度 分 别 控 制 在 0.5、 1.0、 1.5、 2.0 和 2.5 mg / L, 结果表明, DO 质 量 浓 度 控 制 在 0.5 和 1.0 mg / L 时 亚 硝 化 率 都 是 逐 渐 增 大 的 ,且 DO 质量浓度控制在 0.5 mg / L 时亚硝化率的增速最快,而另外 3 种条件下, 亚硝化率逐渐降 低, 且 DO 越高, 亚硝化率降低越快。据此得出高 DO 浓度对亚硝酸盐积累 有明显的抑制作用, 低 DO 浓度条件下亚硝酸盐积累效果较好, 高 DO 浓度 条件下硝酸盐积累效果好

2.4 游离氨的影响
游离氨对亚硝化细菌和硝化细菌都有抑制作用, 但对硝化细菌更敏感。一 般认为游离氨对亚硝化细菌和硝化细菌的抑制质量浓度分别为 10 ~ 150mg / L 和 0.1 ~ 1.0 mg / L。 游离氨质量浓度大于 0.1mg / L 即可达到对硝 化细菌的抑制而实现 NO2- 的积累, 只有当质量浓度大于 10 mg / L 时才会 对亚硝化细菌产生抑制作用, 因此可以通过控制游离氨的质量浓度在 0.1 ~ 10 mg / L 之间而达到 NO2- 的积累。但硝化细菌对高浓度游离氨具有不可 逆转的适应性 , 因 此 通 过 控 制 高 浓 度 游 离 氨 的 条 件 来 实 现 NO2- 的积累不具有长久的稳定性。 徐冬梅等 研究指出, 0.6 mg / L 的游离氨几乎可以抑制硝化细菌的活 性, 从而出现 NO2- 的积累, 只有当游离氨的质量浓度大于 5 mg / L 时才

会对亚硝化细菌产生抑制作用。 Abeling 等研究指出 , 亚 硝 化 细 菌 的 最 适 游 离 氨 的 质 量 浓 度 为 0.5mg / L, 当游离氨的质量浓度在 1.0 ~ 1.5 mg / L 之间时, 对硝化细菌产生抑制作用, 对亚硝化细菌无任何影 响, 只有当游离氨的质量浓 度 大 于 7.0 mg / L 时才对亚硝化细菌产生抑 制作用。

2.5 有害物质的影响
相对于亚硝化细菌,硝化细菌对环境更为敏感,对周围环境的适应性也较 慢 。高浓度的游离氨、重金属及其离子、酚、氰等有害物质都会对硝化细菌产 生抑制作用而造成 NO2- 积累,相对于亚硝化细菌,硝化细菌对这些有害物质 的适应性也较慢, 因此在反应初期, 这些毒害物质都会对硝化细菌产生抑制 作用, 造成 NO2- 积累。另外,高浓度的 NH3-N、 NO2--N、有机底物 及络合阳离子也会对硝化细菌产生抑制作用。

3 结语
短程硝化反硝化以其工艺简洁、能耗低、效率高等一系列优点越来越受到 人们的青睐, 但目前研究尚处于实验室阶段, 还无成熟理论支持, 对许多因 素的控制也难以准确地把握。 工艺开发也仅限于运 行 条 件 苛 刻 的 SHARON 工 艺 和 OLAND 工 艺 ,工程实例还难以推广应用,为此在以后的研究中还应 加强对以下几个问题的探讨: (1)在短程硝化反硝化中, 影响 NO2- 积累的因素很多, 但目前对这些影 响因素的控制参数还难以准确的把握, 在以后的研究中应加强对这些影响因素 控制参数的探讨。

(2)短程硝化反硝化对高温、 高氨氮废水具有较好的处理效果, 在常温 下如何实现普通城市污水的短程硝化反硝化还有待进一步研究。 (3)短程硝化反硝化需要控制低的 DO 浓度条件, 但在低 DO 浓度条件下 活性污泥的沉降性能差和污泥膨胀的问题也应当引起重视。


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