“活性污泥脱氮效率影响因素”的概念、定义、翻译、参考文献-科学参考

单词

活性污泥脱氮效率影响因素

释义

【活性污泥脱氮效率影响因素】

活性污泥法具有效率高、占地少等优点，但由于活性污泥系统对污水中氮去除能力较低(总氮去除率仅为30%左右)，易造成纳水体系富营养化。为了解决这一关键性问题，国外对活性污泥的脱氮机制及其影响因素作了广泛深入的研究，并提出了许多改进方法。

活性污泥系统对氮的去除包括氨挥发，含氮物质的纯沉淀、生物硝化和反硝化等途径，但主要是通过硝化和反硝化这两个微生物学过程进行。具体步骤为：在好气的条件下通过硝化菌的作用，氨被氧化亚硝酸盐和硝酸盐；在厌气的条件下，硝酸盐和亚硝酸盐又能通过硝化过程和反硝化过程使硝酸盐还原生成分子氮逸入大气，从而达到脱氮的目的，使整个处理系统中的含氮量降低。L．B．Wood等(1981)报导：在硝化过程中氮的减少是由于亚硝化菌通过羟胺－亚硝酸还原酶把亚硝酸进行亚硝氧化造成的。

反硝化细菌为一种兼性养菌，在厌气条件下进行无氧呼吸，能利用有机物(如碳水化合物)以取得能量和还原力，以NO₃^－或NO₃^－中的氧作为最终的电子和受氢体，使硝酸盐还原为分子氮。反应式为：

　　　　C₆H₁₂O₆+6H₂O→6CO₂+24H⁺

　　　　4NO₃^－+24H⁺→12H₂O+2N₂^{/p>从上式可知：该反应须利用有机碳源，因而有时需要人工投加。投加的物质不同反硝化率也有差异。
活性污泥系统不仅能去除含氮物质，还使未被降解的这部分含氮化合物性质发生改变。一般经活性污泥处理后，水中的可溶性有机氮比未经处理的可溶性有机氮更加耐热。
由于活性污泥对氮的去除主要是通过硝化菌、反硝化菌的生物作用而实现的，因而影响这些生物活性的参数(如温度、pH、溶解氧、毒物浓度等)的变化势必对整个系统的氮去除率产生影响。如A．C．van Haondel等(1992)报导：活性污泥系统进水中TKN／COD比率、温度、污泥龄变化会对硝化－反硝化作用产生影响。N．K．Shammas(1986)对一个装满再排放活性污泥研究后发现：硝化速率在H+浓度2×10↑（－9}mol／L、温度25～35℃时最佳。下面是几个影响较大的参数及其影响作用。

1．温度。生物活性和温度密切相亲，温度过低时，生物处于休眠状态，过高时则使之变性失活故温度对系统中的氮去除率有较大影响。实验结果表明：当温度在10～35℃之间时，硝化反应遵循Michaelis～Menten动力学方程，在15℃时硝菌的活性最高；在一个处理医药废水的硝化系统中，当温度大于38℃时，BOD₅去除率下降，硝化使用则完全停止。H．B．de等(1987)研究了连续流动搅拌反应器中不同温度下的反硝化率，结果发现中温比高温的反硝化程度高。G．Halmo等(1981)研究了投加碳源条件下温度对反硝化过程的影响，5℃和20℃相比，较低温度影响密切相关。

不同生物对温度变化的反应敏感性也不尽相同。硝化菌和亚硝化菌对热敏感性差异极大，因为当温度升后，亚硝酸盐的产生量远多于消耗量，所以在工业系统中可通过调整温度来控制NO₂^－积累量。此外，温度还会对活性污泥系统中氨的挥发产生一定影响。

2．在不同的H⁺浓度条件生物表现出不同的活性，从而影响氮的去除，反过来氨化作用、硝化作用、反硝化作用又会影响系统的H⁺浓度。Paz等(1985)发现高H⁺浓度的系统中投加碳酸氢盐。因其既能降低H⁺浓度，又可作为微生物的营养物质。K．A．Nanbina等(1981)用模型研究了含有细菌和藻类的活性污泥系统对氮的吸收去除，发现生物含氮量和H⁺浓度密切相关，一般情况下藻类和真菌对氮的吸收代谢量为8%～11%，而H⁺浓度为1．59×10^－9～10^－8mol／L时上升至16%。较高H⁺浓度不利于系统对氮的去除。

3．溶解氧。影响到好氧、厌氧微生物的比例，从而影响整个系统的处理效率。一般情况下，DO浓度上升，硝化率、反硝化率下降。R．C．Charley等(1980)实验结果表明：溶解氧对硝化作用有不利影响，但污泥经驯化后即使DO高达38mg／L也不会产生抑制作用。T．J．Goreau等(1980)研究了DO对硝化菌生物代谢的影响，在DO浓度较低条件下，亚硝化毛杆菌大量地产生N₂O，说明溶解氧浓度还会影响代谢产物。在一个活性污泥系统中，随着DO浓度下降，氮呼吸率上升。在日本，对D浓度和氧化沟污泥反硝化作用的关系研究后发现：当DO浓度上升，反硝化速率下降，且氧对反硝化的抑制呈简单的竞争性抑制。Simpkin(1990)证实DO的存在不完全抑制微生物硝化酶的合成。曝气方式不同，使系统的DO浓度不一，硝化作用就会产生差异。对两个活性污泥厂的运行数据分析后发现：表面曝气系统和扩散曝气系统相比，硝化作用较弱，主要原因就在于两者DO浓度不同。较低DO浓度，不仅提高了系统的脱氮效率，还节省大量能源，但应注意防止污泥膨胀的发生。

4．污泥龄。许多学者认为，污泥龄对于硝化——反硝化代谢是一个最重要的设计参数。在一个处理含有NH₃、酚、硫氰酸盐的焦炭厂废水的系统中，先对废水进行预处理(使SS＜10mg／L)，只要延长污泥龄，活性污泥系统即能发生硝化作用，当Q_c在170～280d时，NH₃去除率大于99%。污泥龄的延长，除了可增加生物的硝化能力外，还可减轻毒性物质的抑制作用。如D．J．Richards等(1989)在试验中发现：延长SRT_s能够减轻氰对硝化过程的抑制作用。Sherrard等发现(1982)，活性污泥中硝化菌含量和停留时间密切相关。

5．污水性质。污水中总凯氏氮含量会直接影响硝化生物活性，而由于其在矿质化过程中使系统H⁺浓度发生变化又进一步影响硝化生物活性。J．H．Sherrard(1980)报导：在一个给定的Qs值下，硝化能力随着进水COD／TKN比率的变化而变化，TKN矿质化过程使H⁺浓度降低，所以硝化作用使系统下降的碱度值要比我们实际观察到的值大。Mine(1986)用模型研究了COD／TKN对硝化作用的影响：当COD／TKN比值下降对COD和NH₃去除率也下降，他们认为这是由于高浓度亚硝酸和自由氨对生物产生了抑制作用。对缺氮的工业废水，须投加一定量的含N物质后，才能进行生化处理，而投加氮源对系统H⁺浓度，需氧量等都要产生影响，从而导致系统硝化作用的改变。S．L．Emerson等(1983)研究发现：往缺N废水中投加NH₃^－N将导致废水污泥产量上升、耗氧量增加、碱度下降，COD去除率提高不多；而投加NO₃^－N作为氮源时，虽然系统的COD去除率提高程度和投加NH₃^－N时相差不大，但污泥产生量和耗氧量都减少，且使系统的碱度上升。Hart报导，在限氮条件下，活性污泥对COD和N的去除率与污水COD、NH₄⁺－N及SRT有关。进水的有机物浓度也要影响硝化和反硝化作用。对两个运行系统调查研究后发现：水中有机碳的浓度较低时，系统硝化率较高，且和曝气时间呈一函数关系；时水中有机碳浓度较高者反硝化率较高。往废水中投加有机物质会降低氨氧化作用，主要是有机物会降低氨和氧化氨的生物之间的亲和力。冲击负荷对系统的硝化作用影响不大。R．D．Mueller等(1980)对一个处理炼油厂废水的活性污泥系统的硝化过程研究后发现：只要选择合适的H⁺浓度、温度、SRT，冲击负荷对硝化作用的影响是暂时的，可以逐渐恢复。

6．毒性物质。污水成份复杂，常含有一些毒性物质(如重金属等)，这些物质会对活性污泥系统的处理效率产生影响。但以同物质对硝化菌、反硝化菌等生物的抑制起始浓度、程度都不尽相同，而且抑制机制也不同。据一些学者的研究发现：As、Cr、F对硝化作用的抑制是非竞争性的，毒性大小序列为Cr＞As＞F；Cr、Ni、Zn对硝化作用有毒性影响，且Ni对亚硝化菌有特殊的抑制作用；酚对硝化作用的抑制是非竞争性的，酚浓度在2～75mg／L之间时呈对数抑制；钢铁行业排放废水中的痕量有机物对硝化作用有一定的抑制作用，而苯环上有甲基的物质抑制作用最大；当工业废水中含有一定量的CN时，污泥系统既可进行反硝化作用又能去除CN，因为作为反硝化过程的碳源和能源的碳氢化合物和CN^－形成Cyanhydrins，而该物质的水解产物较易降解，又可为硝化菌提供电子。污水中的氨、硝酸盐等物质也会对系统的去氮能力产生一定的影响。据研究：氨态氮对亚硝化毛杆菌的抑制起始浓度为10mg／L，自由亚硝酸盐浓芳在0．28～1．0mg／L之间时会抑制硝化菌活性。但Gallagher等(1987)研究发现：即使煤气化废水的NH_3－N浓度大于500mg／L，系统仍能发生硝化作用。污水中的氯对微生物的抑制作用较大。据Ford报导，自由氯浓度超过30mg／L即可抑制亚硝化菌活性，人们为了防止丝状菌膨胀常往曝气池中投加氯，而这会抑制系统的硝化作用，这一点应引起重视。英格兰的一项研究成果表明：预处理中加入石灰(调pH)能略微增加硝化生物的活性。值得注意的是，生物所处状态不一，对各种毒物的敏感性也不尽相同。如经培养的活性硝化菌比处于休眠状态的硝化菌对金属离子更为敏感。除以上一些因素外，曝气池结构、进料方式、系统流程等对硝化作用也会产生一些影响。如chudoba等发现：来自完全混合系统的硝化菌比来自推流式系统的生物对氨更为敏感，故完全混合活性污泥法的硝化率不高。一般间歇式进料能提高COD去除率和硝化程度；活性污泥系统的流程不同，对氮的去除能力也有差异，一般单段活性污泥系统比两段活性污泥系统的有机氮和无机氮去除率更高。在瑞典，对原始污水进行沉淀后可改善硝化作用，而被沉淀的有机物又可作为反硝化作用的碳源。

许多研究者发现，硝化与反硝化作用可以同时进行，由于反硝化作用能使污水中的氮以N₂或N₂O形式逸出，从而使污水中含氮物质得以彻底去除。提高活性污泥反硝化作用的方式主要有投加碳源、设立厌氧段(A／O)、间歇式曝气(SBR)等方法。

1．投加碳源。反硝化脱氮需要利用有机碳源。以前国外一般都采用甲醇作为碳源。因该物质不仅价格较低廉，而且能很快为反硝化菌所代谢，代谢过程中，氮气的挥发按下列形式逸出：

2NO₃^－+CH₃OH→3NO₂^－+CO₂+H₂O+2OH

2NO₂^－+CH₃OH→N₂^－+CO₂+H₂O+2OH

这一反应要求在中性H⁺浓度、15℃或略高温度下进行，可使水中90%的硝态氮得以去除。如美国使用甲醇作为反硝化作用的碳源时可使出水含氮量小于1mg／L。

由于投加甲醇需增加处理费用，因而国外一些学者研究了用工业废弃物或副产品代替甲醇的可行性，Monteith等调查发现：30种工业废弃物中有27种反硝化率超过甲醇。乙酸和甲酸也可作为碳源，但效果略不及甲醇。酵母、乳液等作为碳源和甲醇一样有效。有一个反硝化系统中，1gNO₃^－N需2．6g甲醇并产生0．56g细菌。

应该指出的是加入有机碳促进反硝化作用会严重影响排放污泥的数量和质量。因而，为了有效利用污水中原有含碳物质，目前国外采用预先反硝化／硝化处理技术。如Wilson等对先进行反硝化反应的系统和最后进行反硝化的系统比较后发现：先进行反硝化时由于污泥水中含有较充分的碳源，故甲醇用得较少而且耗能低、成本最省。Bridle等在一个处理焦炭厂废水的实验中发现：使用预先反硝化／硝化程序时无需投加有机碳即能完成去氮作用。

2．设立厌氧段或采用间歇式曝气。由于厌氧环境有利于反硝化作用，故为了提高系统对氮的去除率，人们往往在曝气池中设立厌氧段或采用间歇式的曝气，使系统的某些区域或某些时间出现厌氧环境。由于好氧时进行硝化、厌氧时进行反硝化，从而提高了系统的脱氧效率。以色列的一个研究结果表明：将一小型活性污泥的曝气池分为厌氧和好氧段后，系统的脱氮能力大幅度上升。Picard等研究结果表明，在曝气池首端设立厌氧段后，对各种工业废水无需投加碳源就会使含氮物质得以有效处理。Doid等报导：活性污泥系统增设一个不曝气区域后，可使每日需氧量下降，降低出水硝酸浓度，且不需控制系统的H+浓度。一般A／O法对总氮的去除率可以提高到70%左右。由于间歇式活性污泥法(SBR)在某些阶段不进行曝气，故系统很容易同时发生反硝化、硝化作用，从而提高了氮的去除率。如Goronszy等发现：间歇式活性污泥法有利于硝化／反硝化作用，并使氮去除率大于85%。Palis报导在低负荷条件下，尽管SBR系统了出现反硝化作用有一定困难，但有90%左右总氮得以去除。在某氧化沟系统中，Inoman(1987)等学者采用间歇式曝气后，无需投加碱性物质或有机碳源就使氮去除率达到81%。值得注意的是，由于SBR系统对氮氨化率较高，而高浓度的氨能抑制硝化菌活性，导致出水中亚硝酸盐浓度较高。

选择合适的H⁺浓度(偏碱)、较低的溶解氧浓度、延长污泥龄等都有利于常规活性污泥厂对氮的去除，但同时应注意防止出现污泥膨胀、降低对其它有机物的降解等一系列问题。A／O法和SBR法除了脱氮、脱磷效率高外，还具有投资省，运转费用低等优点，是以后活性污泥的一个发展方向。生物脱氮研究正在不断深入，已建立了一些计算机模型，并应用于工艺优化，主要水质参数氨氮、硝酸盐逍芳的在线自动化监测已趋于成熟，在这些研究成果的支持下，活性污泥的脱氮技术必将有更进一步的发展。

(浙江师范大学申秀英、许晓路撰)

随便看

科学参考收录了7804条科技类词条，基本涵盖了常见科技类参考文献及英语词汇的翻译，是科学学习和研究的有利工具。