根據傳統生物脫氮理論，脫氮途徑一般包括硝化和反硝化兩個(gè)階段，硝化和反硝化兩個(gè)過(guò)程需要在兩個(gè)隔離的反應器中進(jìn)行，或者在時(shí)間或空間上造成交替缺氧和好氧環(huán)境的同一個(gè)反應器中；實(shí)際上，較早的時(shí)期，在一些沒(méi)有明顯的缺氧及厭氧段的活性污泥工藝中，人們就層多次觀(guān)察到氮的非同化損失現象，在曝氣系統中也曾多次觀(guān)察到氮的消失。在這些處理系統中，硝化和反硝化反應往往發(fā)生在同樣的處理條件及同一處理空間內，因此，這些現象被稱(chēng)為同步硝化/反硝化（SND）。
一、同步硝化反硝化的優(yōu)點(diǎn)
對于各種處理工藝中出現的SND現象已有大量的報道，包括生物轉盤(pán)、連續流反應器以及序批示SBR反應器等等。與傳統硝化-反硝化處理工藝比較，SND具有以下的一些優(yōu)點(diǎn)： 1、 能有效地保持反應器中pH穩定，減少或取消堿度的投加； 3、 對于僅由一個(gè)反應池組成的序批示反應器來(lái)講，SND能夠降低實(shí)現硝化-反硝化所需的時(shí)間； 4、 曝氣量的節省，能夠進(jìn)一步降低能耗。 因此SND系統提供了今后降低投資并簡(jiǎn)化生物除氮技術(shù)的可能性。
生物反應器中的溶解氧DO主要是通過(guò)曝氣設備的充氧而獲得，無(wú)論何種曝氣裝置都無(wú)法使反應內氧氣在污水中充分混勻。最終形成反應器內部不同區域缺氧和好氧段，分別為反硝化菌和硝化菌的作用提供了優(yōu)勢環(huán)境，造成了事實(shí)上硝化和反硝化作用的同時(shí)進(jìn)行。除了反應器不同空間上的溶氧不均外，反應器在不同時(shí)間點(diǎn)上的溶氧變化也可以導致同步硝化/反硝化現象的發(fā)生。Hyungseok Yoo 研究了SBR反應器在曝氣反應階段，反應器內DO濃度歷經(jīng)減小后逐漸升高，并伴隨的同步硝化/反硝化現象。 缺氧微環(huán)境理論是目前已被普遍接受的一種機理，被認為是同步硝化/反硝化發(fā)生的主要原因之一。這一理論的基本觀(guān)點(diǎn)認為：在活性污泥的絮體中，從絮體表面至其內核的不同層次上，由于氧傳遞的限制原因，氧的濃度分布是不均勻的，微生物絮體外表面氧的濃度較高，內層濃度較低。在生物絮體顆粒尺寸足夠大的情況下，可以在菌膠團內部形成缺氧區，在這種情況下，絮體外層好氧硝化菌占優(yōu)勢，主要進(jìn)行硝化反應，內層為異樣反硝化菌占優(yōu)勢，主要進(jìn)行反硝化反應（如圖）。除了活性污泥絮凝體外，一定厚度的生物膜中同樣可存在溶氧梯度，使得生物膜內層形成缺氧微環(huán)境。
傳統理論認為硝化反應只能由自養菌完成，反硝化只能在缺氧條件下進(jìn)行，近年來(lái)，好氧反硝化菌和異樣硝化菌的存在已經(jīng)得到了證實(shí)。
實(shí)現SND的關(guān)鍵在于對硝化反硝化菌的培養和控制，目前國內外研究認為對影響硝化反硝化菌的因素如下。 DO的影響對同步硝化反硝化至關(guān)重要，研究表明，通過(guò)控制DO濃度，使硝化速率與反硝化速率達到基本一致才能達到最佳效果。 有機碳源對整個(gè)同步硝化反硝化體系的影響尤為重要。研究表明，有機碳源含量低則反硝化滿(mǎn)足不了要求；有機碳源含量高則不利于氨氮去除。 微生物絮體結構不但影響生物絮體內DO的擴散，而且影響碳源的分布，絮體結構大小、密實(shí)度適中才有利于同步硝化反硝化。研究表明，微生物絮體的同步硝化反硝化能力隨活性污泥絮體大小的增加而提高。 同步硝化反硝化值在7.5左右時(shí)最合適。硝化菌最適pH為8.0~8.4，而反硝化菌最適pH為6.5~8.0. 同步硝化反硝化溫度在10~20℃時(shí)最適。硝化菌在20~25℃時(shí)性能減退，亞硝化反之。25℃時(shí)亞硝化性能最高。25℃后，亞硝酸菌受游離氨的抑制明顯。
四、同步硝化反硝化主流工藝——MBBR
MBBR是結合懸浮生長(cháng)的活性污泥法和附著(zhù)生長(cháng)的生物膜法的高效新型反應器，基本設計原理是將比重接近水、可懸浮于水中的懸浮填料直接投加到反應池中作為微生物的活性載體，懸浮填料能與污水頻繁多 次接觸，逐漸在填料表面生長(cháng)出生物膜( 掛膜) ，強化了污染物、溶解氧和生物膜的傳質(zhì)效果，即而 MBBR被稱(chēng)為“移動(dòng)的生物膜”。基于迄今SND機理研究，綜合微環(huán)境和生物學(xué)理論，MBBR生物膜內SND可能存在的反應模式是，分布于生物膜好氧層的好氧氨氧化菌、亞硝酸鹽氧化菌和好氧反硝化細菌與分布于生物缺氧層的厭氧氨氧化菌、自養型亞硝酸細菌和反硝化細菌相互協(xié)作，最終達到脫氮目的。 MBBR是依靠曝氣池內的曝氣和水流的提升作用使載體處于流化狀態(tài)，進(jìn)而形成懸浮生長(cháng)的活性污泥和附著(zhù)生長(cháng)的生物膜，充分發(fā)揮附著(zhù)相和懸浮相生物兩者的優(yōu)越性，不僅提供了宏觀(guān)和微觀(guān)的好 氧和厭氧環(huán)境，還解決了自養硝化菌、異養反硝化菌與異養細菌的DO之爭和碳源之爭。故MBBR可實(shí)現硝化和反硝化兩個(gè)過(guò)程的動(dòng)力學(xué)平衡，具有同步硝化反硝化非常良好的條件，能實(shí)現MBBR同步硝化反硝化脫氮。
實(shí)現 MBBR 同步硝化反硝化的關(guān)鍵技術(shù)是控制 MBBR 內硝化和反硝化的反應動(dòng)力學(xué)平衡，解決自養硝化菌和異養細菌的DO之爭及反硝化菌和異養細菌的碳源之爭等，故實(shí)現其主要控制因素有：碳氮比、溶解氧濃度、溫度和酸堿度等。 MBBR法的技術(shù)關(guān)鍵在于比重接近于水、輕微攪拌下易于隨水自由運動(dòng)的生物填料。通常填料由聚乙烯塑料制成，每一個(gè)載體的外形為直徑10mm、高8mm的小圓柱體，圓柱體中有十字支撐，外壁有突出的豎條狀鰭翅，填料中空部分占整個(gè)體積的0.95，即在一個(gè)充滿(mǎn)水和填料的容器中，每一個(gè)填料中水占的體積為95%。考慮到填料旋轉以及總容器容積，填料的填充比被定義為載體所占空問(wèn)的比例，為了達到最好的混合效果，填料的填充比最大為0.7。理論上填料總的比表面積是按照每一單位體積生物載體比表面積的數量來(lái)定義的，一般為700m2/m3。當生物膜在載體內部生長(cháng)時(shí)，實(shí)際有效利用的比表面積約為500m2/m3。 此類(lèi)型的生物填料有利于微生物在填料內側附著(zhù)生長(cháng)，形成較穩定的生物膜，并且容易形成流化狀態(tài)。當預處理要求較低或污水中含有大量纖維物質(zhì)時(shí)，例如在市政污水處理中不采用初沉池或者在處理含有大量纖維的造紙廢水時(shí)，采用比表面積較小、尺寸較大的生物填料，當已有較好的預處理或用于硝化時(shí)，采用比表面積大的生物填料。 DO濃度是影響同步硝化一反硝化的一個(gè)主要的限制因素，通過(guò)對DO濃度的控制，可使生物膜的不同部位形成好氧區或缺氧區，這樣便具有了實(shí)現同步硝化一反硝化的物理條件。 從理論上講，當DO質(zhì)量濃度過(guò)于高時(shí)，DO能穿透到生物膜內部，使其內部難以形成缺氧區，大量的氨氮被氧化為硝酸鹽和亞硝酸鹽，使得出水TN仍然很高；反之，如果DO濃度很低，就會(huì )造成生物膜內部很大比例的厭氧區，生物膜反硝化能力增強(出水硝氮和亞硝氮濃度都很低)，但由于DO供應不足，MBBR工藝硝化效果下降，使得出水氨氮濃度上升，從而導致出水TN上升，影響最終的處理效果。 通過(guò)研究最終得出了MBBR法處理城市生活污水DO的一個(gè)最佳值：當DO質(zhì)量濃度在2mg/L以上時(shí)，DO對MBBR硝化效果的影響不大，氨氮的去除率可達97%-99%，出水氨氮都能保持在1.0mg/L以下；DO質(zhì)量濃度在1.0mg/L左右時(shí)，氨氮的去除率在84%左右，出水氨氮濃度有明顯上升。另外，曝氣池內DO也不宜過(guò)高，溶解氧過(guò)高能夠導致有機污染物分解過(guò)快，從而使微生物缺乏營(yíng)養，活性污泥易于老化，結構松散。此外，DO過(guò)高，過(guò)量耗能，在經(jīng)濟上也是不適宜的。 因為MBBR法主要是通過(guò)懸浮填料來(lái)實(shí)現最終的污水處理，所以DO對懸浮填料的影響也是影響整個(gè)處理結果的關(guān)鍵。有研究表明反應器的充氧能力在一定范圍內隨著(zhù)懸浮填料填充率的增大而增大。在曝氣的作用下，水隨填料一起流化，水流紊動(dòng)程度較無(wú)填料時(shí)大，加速了氣液界面的更新和氧的轉移，使氧的轉移速率提高。隨著(zhù)填料數量的增多，填料、氣流和水流三者之間的這種切割作用和紊動(dòng)作用不斷加強。但加入填料量為60%時(shí)，填料在水中的流化效果變差，水體紊動(dòng)程度也降低，使得氧的傳遞速率下降，氧的利用率降低。所以針對不同類(lèi)型的水質(zhì)，控制好DO的量對整個(gè)工藝最終的處理結果是至關(guān)重要的。 合適的水力停留時(shí)間(HRT)是確保凈化效果和工程投資經(jīng)濟性的重要控制因素。水力停留時(shí)間的長(cháng)短將直接影響到水中有機物與生物膜的接觸時(shí)間，進(jìn)而影響微生物對有機物的吸附和降解效率，所以針對不同的污水類(lèi)型找出經(jīng)濟而合理的HRT是非常關(guān)鍵的問(wèn)題之一。另外還有試驗結果表明：在中低氨氮負荷條件下，隨HRT的減少，氨氮填料表面負荷逐步升高，同時(shí)去除率維持原有水平或有一定增長(cháng)；當氨氮負荷升至高水平后，隨著(zhù)HRT的減少，氨氮去除率逐步降低。這些針對HRT的實(shí)驗研究結果為今后MBBR法的推廣應用奠定了基礎，但同時(shí)也有許多需要改進(jìn)之處，比如試驗只是單純的考慮HRT本身的影響，沒(méi)有把其他因素與HRT的關(guān)系有機的結合起來(lái)，在研究中將HRT和其他因素有機的結合起來(lái)進(jìn)行探討，不僅找到實(shí)驗最重要的影響因素，同時(shí)實(shí)驗過(guò)程中各因素之間的相互影響、相互制約關(guān)系也得到了很好地體現。所以針對影響因素的研究我們需要更全面更綜合的考慮。 在影響微生物生理活動(dòng)的各項因素中，溫度的作用非常重要。溫度適宜，能夠促進(jìn)、強化微生物的生理活動(dòng)；溫度不適宜，能夠減弱甚至破壞微生物的生理活動(dòng)。溫度不適宜還能夠導致微生物形態(tài)和生理特性的改變，甚至可能使微生物死亡。而微生物的最適溫度是指在這一溫度條件下，微生物的生理活動(dòng)強勁、旺盛，表現在增殖方面則是裂殖速度快、世代時(shí)間短。 MBBR法主要是通過(guò)生物膜中各種類(lèi)型微生物的新陳代謝來(lái)達到對污水中有機污染物的降解，所以生物膜生長(cháng)的好壞將直接關(guān)系到廢水處理的最終結果，尤其對于硝化菌、反硝化菌而言，它們的生長(cháng)周期長(cháng)，且對環(huán)境的變化非常敏感，硝化菌的適宜溫度是20℃-30℃，反硝化菌的適宜溫度是20℃-40℃，溫度低于15℃時(shí)，這兩類(lèi)細菌的活性均降低，5~C是完全停止，所以溫度的變化將直接影響這類(lèi)細菌的生長(cháng)。相關(guān)實(shí)驗結果表明，氨氮填料表面負荷的變化基本與水溫的變化趨勢一致。水溫低時(shí)填料表面負荷低，水溫高時(shí)填料表面負荷約達到水溫低時(shí)的15倍。由此可見(jiàn)，硝化細菌受溫度影響大，低溫條件下活性較弱。 微生物的生理活動(dòng)與環(huán)境的酸堿度密切相關(guān)，只有在適宜的酸堿度條件下，微生物才能進(jìn)行正常的生理活動(dòng)。pH值過(guò)大的偏離適宜數值，微生物的酶系統的催化功能就會(huì )減弱，甚至消失。不同種屬的微生物生理活動(dòng)適應的pH值，都有一定的范圍，在這一范圍內，還可分為最低pH值、最適pH值和最高pH值。在最低或最高的pH環(huán)境中，微生物雖然能夠成活，但生理活動(dòng)微弱，易于死亡，增殖速率大為降低。 參與污水生物處理的微生物，一般最佳的pH值范圍，介于6.5-8.5之間。MBBR法作為生物膜法與活性污泥法相結合的工藝，同樣依賴(lài)于微生物的生長(cháng)以達到有機物降解的目的。所以保持微生物最佳pH范圍是取得良好污水處理效果的必要條件，當污水(特別是工業(yè)廢水)的pH值變化較大時(shí)，需要考慮設調節池，使污水的pH值調節到適宜范圍后再進(jìn)行曝氣。 根據每一個(gè)具體試驗條件的不同，還會(huì )有許多不同的影響因素。如氣水比一般控制在(3～4)，這樣的氣量能使反應器中的填料均勻地循環(huán)轉動(dòng)起來(lái)；濁度也需要控制在一定范圍內，相關(guān)研究結果表明：濁度大使得某些懸浮物容易覆蓋在生物膜的表面，阻礙生物氧化作用的進(jìn)行，導致處理效率大幅下降，同時(shí)還容易造成填料堵塞，另外整個(gè)實(shí)驗對進(jìn)水濁度和出水濁度進(jìn)行了檢測，進(jìn)水濁度為17.6-160NTU，出水濁度為18.1-142NTU，結果發(fā)現中試裝置對濁度基本沒(méi)有去除效果，出水濁度隨著(zhù)進(jìn)水濁度的變化而變化，所以我們需要嚴格控制好進(jìn)水濁度的量；COD容積負荷對去除率也有很大的影響，研究表明COD容積負荷為0.48-2.93kg/(m3•d)的范圍內對COD的去除率基本穩定在60%-80%。 在相同的水力停留時(shí)間下COD的去除率隨負荷呈正比增加趨勢，這是因為當進(jìn)水COD濃度較低時(shí)微生物降解有機物的速率也較小，其降解能力不能充分發(fā)揮，當進(jìn)水COD濃度增大時(shí)促進(jìn)了生物膜微生物的生長(cháng)，提高了降解速率，故對COD去除率得到了提高。以上各因素都會(huì )對污水處理造成不同程度的影響，此外還有營(yíng)養物質(zhì)、有毒物質(zhì)等，如果這些物質(zhì)過(guò)多的偏離微生物生長(cháng)需要，就會(huì )對污水處理的最終結果產(chǎn)生影響。我們須根據具體的條件和要求來(lái)確定哪一個(gè)因素是主要影響MBBR法的最終結果。
