前沿关注 短程反硝化工艺研究现状

1 短程反硝化工艺运行方式

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运行方式不同对短程反硝化工艺亚硝酸盐积累的影响不同。
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Cao等采用这续流短程反硝化工艺,在C/N=3的条件下,USB反应器运行205d的平均亚硝酸盐转化率(NTR)达70%,低于Du等的研究结果(使用相同的接种污泥,采用序批式反应器SBR运行300d的平均NTR为80%),其原因可能是USB在生物与底物.碳源与硝酸盐等方面的传质效果比完全混合的SBR反应器差。
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Du等系统地对比了不同运行方式(序批式SBR和连续流USB)对短程反硝化的影响,以及两种运行方式的应用前景。研究发现,SBR中NTR达83.3%,大于USB的51.0%~71.3%,但USB中短程反硝化颗粒污泥的粒径、活性均优于SBR中的污泥,SBR适用于低浓度污水而USB适合于高浓度高负荷的特定废水。
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7 D' w, V( m/ M% o& U. ?目前污水厂最广泛使用的强化生物脱氮工艺是反硝化滤池,若能在反硝化滤池中实现短程反硝化,将极大地拓宽短程反硝化耦合厌氧氨氧化的应用范围。
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Cui等使用生物滤池反应器对短程反硝化工艺进行了研究,在C/N=3条件下成功获得长期移定高达60%的NTR。

4 [- U7 H8 s3 U6 O# _& n. }2 短程反硝化工艺电子供体类型与数量

电子供体的类型和数量对短程反硝化工艺也有重要影响。
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" U. W6 S. s: o/ K' I2 D8 k通过查阅高NO2- -N积累(NTR>50%)的短程反硝化工艺的文献,计算丁文献中对应的亚硝酸盐产生量(NPR),并总结丁运行参数(见表),可为进一步与厌氧氨氧化精合提供可靠的设计依据。
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" h: M7 n7 J+ k( [1 n4 k/ D* C电子供体过少,短程反硝化微生物得不到足够的能量和电子供体来维持其活性并进行硝酸盐还原;电子供体过多,短程反硝化过程不易维持且对后续厌氧氨氧化不利。


' v- L* p: m) ^! v9 b硫化物、硫代硫酸钠等无机物可作为反硝化的电子供体实现短程反硝化,而更多的研究还是集中于以有机物为电子供体的异养短程反硝化过程。
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乙酸钠是目前短程反硝化工艺使用最多的碳源之一,有研究认为以乙酸钠为碳源较容易实现高NO2- -N积累的原因与微生物对关特殊的代谢途径有关。污泥发酵上清液,甲醇、葡萄糖、内碳源等也都可以为亚硝酸盐的积累提供电子供体。

4 J' u) O1 Y8 ^1 |/ [/ kCao等使用实际生活污水中的碳源进行短程反硝化,发现短程反硝化并未被破坏,NTR长期稳定在90%左右,为未来使用实际污水的碳源进行短程反硝化提供了基础和经验。

. D" `; R' F$ q7 W虽然有较多文献表明C/N比会影响亚硝酸盐的积累,但也有研究表明高亚硝酸盐积累的短程反硝化工艺中亚硝酸盐积累特性在特定C/N范围内变化不大,其原因可能与系统优势菌群有关。

/ f0 f8 B) N# b1 SDu等发现C/N对高NO2- -N积累的短程反硝化污泥的亚硝化积累影响不大,推测系统长期运行富集的Thauera茧可能是一类只能还原NO3- -N为NO2- -N的微生物。
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7 Y. a/ ~) o; a4 @' H( m, k' I0 B, m3 短程反硝化工艺其他相关研究
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" g' l5 L5 S2 ?# C反硝化过程中温室气体控制和减排也是学者们研究和关注的重点。
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Du等研究了短程反硝化过程中N20排放规律,结果发现高NO2- -N积累的短程反硝化过程几乎不排放N20,可以通过控制反应阶段在NO2- -N积累最高时或者选择强碱性碳源来进一步控制和减少N20排放,若能推广应用短程反硝化工艺,将能大幅减少温室气体N20的排放。

此外Ji等口研究了盐度对短程反硝化的影响,发现短程反硝化污泥可以长期在高盐度条件下(3.0wt%)维持90%的亚硝酸盐积累率,说明短程反硝化工艺在高盐度含硝酸盐废水中也有较大的应用港力。

Wang等研究了短程反硝化耦合生物除磷的效果,以实际污水外加硝酸盐的配水,获得75.3%的亚硝酸盐积累率和92.3%的磷酸盐去除率;其中出水磷平均为0.4mg/L,出水氨氮和亚硝酸盐比例为1:1.02,接近于厌氧氨氧化理论比值(1:1.32),后续可与厌氧氨氧化进行较好的联合,共同实现市政污水和硝酸盐废水的脖氮除磷。
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随着研究的不断深入和扩展.短程反硝化的应用前景也越来越大。
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- O  N. J& X3 G/ o( b% _! E4 短程反硝化工艺启动策陷
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接种污泥对短程反硝化的启动尤为关键。
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Cao等发现,与A0和A20系统的污泥相比,接种污泥发酵耦合反硝化系统中的活性污泥能实现较高的亚硝酸盐积累率(80%),说明微生物种类对短程反硝化的亚硝酸盐积累具有重要影响。
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$ j5 D. S& m: V# t, v3 q2 ~而后续Du和Cao的有关短程反硝化的研究均使用上述Cao等研究中获得的成热的具有高亚硝酸盐积累特性的污泥,可实现短程反硝化工艺的快速启动并维持良好的亚硝酸盐积累。

控制高pH值或者调控C/N值也可实现短程反硝化的快速启动。
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+ V" Z* [  j6 N( X0 B& [+ L/ pSi等发现将接种活性污泥pH值控制在9时可快速启动并实现短程反硝化,平均NTR达83.86%。
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吕振等通过向厌氧氨氧化反应器中添加有机碳源使系统具备了短程反硝化能力,亚硝酸盐积累率最高达84%。
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" a' C( K. `) _& @$ g  W厉巍则通过逐步降低基质C/N的方式,实现了进水高氨负荷条件下的(91.0+/-#5.9)%。
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5 短程反硝化工艺过程控制
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反硝化过程中采用pH值、ORP实时控制方法可判断完全反硝化过程,同样,短程反硝化也可以通过监控实时数据来指示反应的进程。其中Gong等和Du等均采用pH值作为短程反硝化工艺的在线监测控制参数。

9 }+ H& O# U% S+ K反硝化过程中pH值的升高主要与亚硝酸盐的还原有关,因此在硝酸盐耗尽,亚硝酸盐积累最大时对应的pH值曲线出现一个拐点,这个拐点可作为指示亚硝酸盐积累最大时刻的一个控制参数。

+ r0 n3 n- d1 J* |+ U) X* i' |Gong等利用pH值的变化指示外源反硝化过程中NTR较高的时刻,在C/N=2.7、间歇流条件下,通过pH值的监控稳定获得60%的NTR。
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. I& A( T# R" l/ B) i- C- V- d5 d孙洪伟等提出以氧化还原电位ORP作为反硝化过程亚硝酸盐积累的控制参数。NO3- -N还原为NO2- -N和NO2- -N还原为N2两步的氧化还原电位分别是0.43V和0.956V,反硝化过程对应的ORP曲线会出现两个拐点,对应硝酸盐反应结束的Nitrateknee可以指示亚硝酸盐积累最大量的时刻。

7 T) e4 l6 M, k/ ^+ C影响短程反硝化的一个关键因素就是C/N比,进水水质波动导致碳源投加量也在波动,因此可以通过增加碳源自动投加系统来维持稳定的C/N,从而实现长期稳定的短程反硝化。
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当然,在小试研究中,Cao等及Du等多次证明了高亚硝酸盐积累的短程反硝化工艺一旦启动便可长期维持,这也是短程反硝化工艺应用到实际工程中具备的最重要的一个优势。

本文内容节选于：短程反硝化工艺的研究进展与展望，作者：田夏迪等
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