污水處理技術之短程硝化反硝化概述

1.短程硝化反硝化原理及優點

短程硝化反硝化生物脫氮就是將硝化過程控制在HNO2階段，隨后在缺氧條件下進行反硝化，也就是不完全硝化反硝化生物脫氮。短程硝化反硝化與傳統硝化反硝化生物脫氮相比，具有許多優點：對于活性污泥法，可節省氧供應量約25%，降低能耗，節省反硝化所需碳源，在C/N比一定的情況下提高TN去除率，減少污泥生成量可達50%，減少投堿量，縮短反應時間，相應反應器容積減少。

2. 短程硝化反硝化的影響因素

在短程硝化和反硝化過程中，起作用的兩種菌為氨氧化菌和亞硝酸氧化菌。因此，對這兩種微生物的生命活動產生影響的因素都會影響整個短程硝化反硝化過程的效果。

2.1 溫度

微生物的大比增長速率與溫度之間的關系可用修正的阿倫尼烏斯方程來描述：

其中μ mt 為溫度為 t℃時的微生物大比增長速率，μm20為標準溫度20℃時的微生物大比增長速率。E為反應活化能，R為氣體常數。

在 20℃以下，硝化細菌的生產速率大于亞硝化細菌，亞硝化細菌產生的亞硝酸鹽很容易被硝化細菌繼續氧化成硝酸鹽。

國內學者王淑瑩做過實驗表明，水溫保持在30℃時水中氨氮的轉化類型為短程硝化過程；當水溫在20.5~24.5℃時硝化類型由短程硝化轉化為全程硝化；隨著溫度再次升高，硝化類型又逐漸轉變為短程硝化；當溫度達到29~30℃時，硝化反應為穩定的亞硝酸型硝化。

但在實際中，通過加熱提高污水溫度會消耗大量的能源，這樣，短程硝化工藝的優點將不能得到充分發揮。因此，通過控制溫度實現短程硝化脫氮工藝僅適用于某些特種廢水（水溫在30℃左右）。

2.2 pH 值

通常條件下，亞硝化細菌和硝化細菌適宜生長的pH值范圍分別是7.0~7.5 和6.5 ~7.5。在混合體系中，亞硝化細菌和硝化細菌的pH分別在8.0 和7.0 附近。因此，可根據這兩種細菌適宜pH的差異來控制反應的類型和消化的產物。

國內學者王紅武等通過實驗對常溫下生活廢水短程硝化反硝化生物脫氮的研究表明：佳短程硝化反硝化反應條件為pH值大于8.5，大于該值時會抑制硝化細菌的生長, 而不抑制亞硝化細菌的生長。

實際應用中，要控制廢水的pH值，很可能需要投加相應的酸或堿，這樣勢必會增加處理成本。此外，硝酸菌對高pH值有一個適應過程，當它逐漸適應高pH值和游離氨時，全程硝化就會出現，因此，依靠pH值實現短程硝化脫氮過程并不穩定。此工藝僅適合于含高 pH值的廢水。

2.3 游離氨

廢水中氨隨pH值不同分別以分子態和離子態形式存在。分子態游離氨 (FA)對硝化作用有明顯的抑制作用，硝酸菌比亞硝酸菌對FA更敏感。

0.6 mg/L的FA幾乎可以抑制硝酸菌的活性，從而使 HNO2氧化受阻，出現HNO2積累。只有當FA達到5 mg/L 以上時才會對亞硝酸菌活性產生影響，當達到40 mg/才會嚴重抑制亞硝酸的形成。

進水氨氮濃度低時出水氨氮濃度也低，氨氮去除率高；當提高進水氨氮濃度時，游離氨超過亞硝化菌抑制濃度則會使亞硝化率降低而使得出水氨氮濃度增大，此時為達到較高的氨氮去除率須延長硝化時間。

硝化時間增加使亞硝態氮的積累量增加，反硝化時間就會延長。所以，如果將溫度、DO和pH值控制在有利于HNO2積累的條件下，進水氨氮濃度（FA濃度）越低越能促進HNO2的積累。

另外實驗中還發現，高濃度FA抑制所造成的 HNO2積累并不穩定，時間一長系統中亞硝酸濃度和亞硝化率均下降，HNO2濃度增大。這說明硝酸菌對 FA所產生的抑制作用會逐漸適應，而且硝酸菌對 FA適應是不可逆轉的，即便再進一步提高 FA濃度，亞硝化比率也不會增加。

2.4 溶解氧（DO）

低溶解氧下亞硝酸菌增殖速率加快，補償了由于低氧所造成的代謝活動下降，使得整個硝化階段中氨氧化未受到很大影響，而低DO對硝酸菌有明顯抑制作用，因而低溶解氧有利亞硝酸積累。目前普遍認為，DO濃度在0.5mg/L 以上時才能很好地進行硝化反應。

不過，高大文教授的SBR實驗結果表明，通過控制溶解氧實現短程硝化脫氮存在這硝化速率低， 污泥沉降性變差等不足，所以在實際工作中不宜采用這種工藝。

2.5 泥齡

亞硝酸菌的世代較硝酸菌短，在懸浮處理系統中若泥齡介于硝酸菌和亞硝酸菌的小停留時間之間時，系統中的硝酸菌會逐漸被淘洗掉，使亞硝酸菌成為系統中優勢硝化菌，硝化產物以 HNO2為主。

例如 SHARON工藝是由荷蘭 Delft 技術大學開發的脫氮新工藝，短程硝化和短程反硝化在同一個裝置內。其基本原理是利用在高溫 (30~35℃)下，亞硝酸菌的小停留時間小于硝酸菌，可以通過“洗泥”的方式對菌種進行篩選。

2.6 有害物質

硝酸菌對環境較為敏感。廢水中酚、氰及重金屬等有害物質對硝化過程有明顯抑制作用。相對于亞硝酸菌，硝酸菌對環境適應性慢，因而在接觸有害物質的初期受抑制，出現亞硝酸積累。

Hynens等人發現硝酸菌與亞硝酸菌并存時，在廢水中加入5 mmol/L的氯1酸鈉可抑制硝酸菌，但對亞硝酸菌無影響。因此，當廢水中含有酚，氫等有害物質時，要先將這些有害物質去除后再進行短程硝化反硝化。

2.7 C/N

在反硝化過程中，反硝化細菌屬于異養菌，必須在有機碳源下生長。因此對于短程硝化反硝化過程而言，C/N過高，抑制短程硝化速率；C/N過低，降低反硝化的反應速率。國內學者周莉對純種氨氧化菌所做的正交試驗表明，反硝化速率隨著C/N的增大有減小趨勢， 當增加到一1定程度（>8）時，變化趨勢就不明顯了。

3. 結語

(1) 水溫保持在30℃時水中氨氮的轉化類型為短程硝化過程。在29~30℃時，將pH值、進水氨氮和DO控制在有利條件下，可以發生穩定的亞硝酸型硝化。

(2)pH 值在8.5附近有利于 HNO2的積累。pH值一方面是亞硝酸菌生物限制性條件，另一方面影響游離氨濃度，從而影響亞硝酸菌的活性。

(3)FA 濃度一般控制在5mg/L 以下，將溫度、DO和pH值控制在有利條件下，進水氨氮濃度 (FA濃度)不能太高才能促進 HNO2的積累。

(4)亞硝酸菌對DO的親和力較硝酸菌強，DO控制在0.5 mg/L有利于HNO2的積累。

(5) 硝酸菌與亞硝酸相比對環境敏感，在硝化過程中可以添加抑制劑，促進HNO2的積累。

(6) 亞硝酸菌的世代性比硝酸菌短，選擇合適泥齡，可淘洗硝酸菌，促進HNO2的積累。

(7)對控制溫度、溶解氧和pH值實現的短程硝化脫氮工藝進行比較研究，發現控制溶解氧實現的短程硝化脫氮工藝存在許多問題，無論從硝化時間、硝化速率還是從污泥沉降性能上，該工藝均不如控制溫度和pH值實現的短程硝化脫氮工藝。它不但硝化速率低，從而導致硝化時間變長，而且，低溶解氧還易引發絲狀菌大量繁殖，嚴重時引起絲狀菌污泥膨脹。