什么是短程硝化？
2021-09-13 07:46
来源：环保工程师
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由于工业化进程的加速，氮、磷的污染问题日益尖锐化。越来越多的国家地区制定了更为严格的污水氮、磷的排放标准。尤其是氮的考核内容也从单一的氨氮指标发展到总氮(氨态氮、硝态氦和有机氮的总和)的考核指标。由于近年来一些新理论的提出，如使污水脱氮实现短程硝化反硝化或者短程硝化厌氧氨氧化。这样不仅可以提高细菌的增长速度、缩短反应进程，从而减少反应容积；而且同时减少了硝化的曝气量和反硝化有机物的投加量，减少了运行费用。所以作为前沿脱氮技术的必经之路的短程硝化成为了近年来的研究热点。
废水生物脱氮，一般由硝化和反硝化两个过程完成，而硝化过程分为氨氧化阶段和亚硝酸盐氧化阶段。这两个阶段分别由氨氧化菌(AOB)和亚硝酸盐氧化菌(NOB)独立催化完成。第一阶段是在AOB的作用下，将氨氮NH3－N氧化为亚硝态氮NO2―N；而第二阶段是在NOB的作用下，将亚硝态氮NO2―N氧化为硝态氮NO3―N。由于硝化反应是由两类生理特性完全不同的细菌独立催化完成的不同反应，所以需要通过适当控制条件，可以将硝化反应控制在NO2―N阶段，阻止NO2―N的进一步氧化，短程硝化的成功的标准就是系统中大量NO2-N累积！随后直接进行反硝化或者厌氧氨氧化，这就是为什么短程硝化如此重要的原因！
1、由于硝化和反硝化速率加快，所以缩短了反应时间。
2、由于氨氧化菌(AOB)的周期比亚硝酸盐氧化菌(NOB)短，所以污泥龄短，提高反应器微生物浓度。
3、硝化反应器容积可减少8％，反硝化反应器容积可减少33％，可节省了建筑费用。
4、硝化过程节省约25％供氧量，反硝化过程节省约40％外加碳源(以甲醇计)，所以节省了运行费用。
5、硝化过程减少产泥24％一33％，反硝化过程减少产泥50％，明显降低了污泥排放量，进而减少污泥处理处置费用。 6、亚硝化-厌氧氨氧化所产生的CO2与普通的硝化-反硝化系统相比减少90%。生物脱氮的硝化过程是由AOB和NOB共同完成的；AOB的真正基质是水溶液中的游离氨，而NOB的真正基质是水溶液中的游离亚硝酸；AOB和NOB的生长还受到温度、pH值、DO、抑制物等因子影响。
在4～45℃内，氨氧化细菌和硝化细菌均可进行。但在12～14℃时，此时的温度会严重抑制活性污泥中硝化菌的活性，出现NHO2―的积累；15～30℃时，硝化过程形成的NO2―完全被氧化成NO3―；当温度超过30℃后又出现NO2―的积累。细菌在高温和低温均可较好地实现亚硝酸盐的积累。
实验表明，低温也可实现短程硝化。在低温时，亚硝酸盐氧化菌利用氨氮的能力大于硝化细菌利用NO2-N的能力，从而造成NO2―的累积。所以，短程硝化反应器需要在较高温度的季节启动，缓慢降温，使AOB渐渐适应低温环境，保证氨氧化效果；在适宜的条件下实现短程硝化，同时通过实时控制使其稳定并优化污泥种群结构，进而在低温条件下维持短程硝化。要解决实际应用低温的问题，还需要寻找出适应北方低温的氨氧化细菌的菌株来。
对DO的控制实现短程硝化是将该技术应用于实际的一种较为理想的方法。它比较适合作为未来实际工程的控制参数，因为控制好曝气量、曝气频率以及曝气方式，就可较好地实现短程硝化。
在生物膜反应器中，当DO的浓度控制在0.5mg/L以下时，就可以使出水中亚硝酸氮占总硝态氮的90％以上。
使用间歇曝气，阶段曝气等方法，来改变曝气方式以及曝气频率也可实现短程硝化。这些方法的共同点是使反应器内的DO值按一定规律周期性地升高降低，指示在一段时间内反应器处于厌氧状态。
DO浓度是AOB和NOB生长的重要影响因素之一，AOB和NOB的氧饱和常数分别为：0.3和1.1mg/L。可见AOB对氧的亲合力较NOB强，在低DO浓度下NOB的活性会显著减弱，使AOB生长速率大于NOB；虽然低DO浓度会使微生物代谢活动减弱，但硝化过程的氨氧化作用未受到明显影响，从而实现NO2――N的大量积累。
实验表明，FA（游离氨）对NOB和AOB产生抑制作用的浓度分别为0.1～1.1mg/L和10～15mg/L。而最新研究结果表明，FA浓度达到6 mg/L 时可完全抑制NOB的生长；FNA（游离亚硝酸）完全抑制NOB和AOB生长的浓度分别为0.02 mg/L和0.4 mg/L。因此可以利用FA或FNA的选择抑制作用使系统中的NOB受到抑制而AOB不受抑制，从而将硝化控制在亚硝化阶段；但NOB对FA的抑制具有适应性，若反应器长期运行短程硝化会被破坏。有相关研究者提出利用FA与FNA联合控制实现稳定的短程硝化过程，即在反应器启动初期利用废水中较高的FA浓度使NOB受到抑制之后，由于NO2――N大量积累，较低的pH值会导致较高的FNA浓度，从而可利用反应器前期较高浓度的FA和后期较高浓度的FNA共同维持短程硝化过程。
由于硝酸菌和亚硝酸菌适宜生长的pH值范围不同，所以可以利用控制PH值的方法实现短程硝化。亚硝酸菌的适宜PH值在7.0～8.5，而硝酸菌的适宜PH值在6.0～7.5。只要将PH值控制在7.5～8.5就可较好地抑制硝酸菌，实现亚硝酸的累积。
PH虽然是实际中较容易控制的，但它也存在一定的缺点。它的缺点是需要PH的实时监控，和相配套的药剂自动投加设备及搅拌设备，并且药剂费用也增添了反应器运行费用，这些在一定程度上抵消了短程硝化本身的优势。
通过SRT的控制是无法实现亚硝酸的积累的，SRT却是反应器短程硝化稳定运行的重要控制参数。泥龄控制偏低会导致硝酸菌和亚硝酸菌的流失，导致反应器处理能力的降低；泥龄过高会提高硝酸菌的数量，在低负荷下，反应器容易向全程硝化转化。选择适宜的SRT值是稳定实现短程硝化的关键参数。 对硝化反应有抑制作用的物质有：过高质量浓度的游离氨、重金属、有毒有害物质以及有机物。重金属会对硝化反应产生抑制，如Ag、Hg、Cr、Zn等，其毒性作用由强到弱；当pH由高到低时，毒性由弱到强．锌、铜和铅等重金属对硝化反应的两个阶段都有抑制，但抑制程度不同。某些有机物如苯胺、邻甲酚和苯酚等对硝化细菌具有毒害或抑制作用，因为催化硝化反应的酶内含Cu I一Cu II电子对，凡是与酶中的蛋白质竞争Cu或直接嵌入酶结构的有机物，均会对硝化细菌发生抑制作用。这些有机物对硝化菌的抑制作用要比亚硝化菌强，所以会在对含这类物质的污水生物脱氮中产生亚硝酸盐积累现象。
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