當(dāng)代水處理新技術(shù)原理與應(yīng)用南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院吳立波聯(lián)系方式：蒙民偉樓322

電話23503730（O）手-mail:wulb@第七講傳統(tǒng)生物脫氮工藝進(jìn)展一、傳統(tǒng)生物脫氮原理二、傳統(tǒng)生物脫氮工藝及進(jìn)展三、同時硝化反硝化四、短程硝化反硝化工藝一、傳統(tǒng)生物脫氮原理1、微生物學(xué)基礎(chǔ)知識2、傳統(tǒng)硝化原理3、傳統(tǒng)反硝化原理1、微生物學(xué)基礎(chǔ)知識代謝包括物質(zhì)代謝（合成）和能量代謝（代謝）物質(zhì)代謝：自養(yǎng)：無機碳源異養(yǎng)：有機碳源能量代謝：光能化學(xué)能（氧化還原反應(yīng)）

電子供體：有機物(H)、無機還原性物質(zhì)（被氧化）電子受體：分子態(tài)氧、其他氧化性物質(zhì)（被還原）（受氫體：O2-）能量代謝為物質(zhì)代謝提供能量。由于能量利用率不同，微生物的產(chǎn)率系數(shù)不同。

傳統(tǒng)氮循環(huán)示意圖2、硝化反應(yīng)原理硝化反應(yīng)原理硝化反應(yīng)原理代謝合成平衡硝化反應(yīng)原理3、反硝化反應(yīng)原理反硝化反應(yīng)原理反硝化反應(yīng)原理NO2-NO3-52反硝化反應(yīng)原理NO2-反硝化反應(yīng)原理二、廢水生物脫氮工藝流程及進(jìn)展

根據(jù)硝化和反硝化的原理可知，要達(dá)到廢水生物脫氮的目的，必須先通過好氧硝化作用將氨氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，然后在缺氧的條件下進(jìn)行反硝化，將廢水中的氮最終轉(zhuǎn)化為氮氣逸出。因此生物脫氮工藝是一個包括硝化和反硝化的工藝流程，并據(jù)此可采用多級活性污泥系統(tǒng)或單級活性污泥系統(tǒng)。多級活性污泥系統(tǒng)是傳統(tǒng)的生物脫氮系統(tǒng)，即單獨進(jìn)行硝化和反硝化的工藝系統(tǒng)。單級活性污泥系統(tǒng)是將含碳有機物的氧化、硝化和反硝化在一個活性污泥系統(tǒng)中實現(xiàn)，并只有—個沉淀池。從完成生物硝化的反應(yīng)器來分，脫氮工藝可分為微生物懸浮生長型(活性污泥法及其變型)和微生物附著生長型(生物膜反應(yīng)器)。隨著實際運行經(jīng)驗的增加和技術(shù)的改進(jìn)，新的脫氮工藝不斷出現(xiàn)，并在實際處理工程中得到推廣應(yīng)用。傳統(tǒng)生物脫氮工藝進(jìn)展反應(yīng)器與系統(tǒng)的改進(jìn)多泥—單泥后置—前置交替循環(huán)反應(yīng)器生物膜反應(yīng)器復(fù)合生物反應(yīng)器傳統(tǒng)生物脫氮新認(rèn)識1.硝化與亞硝化過程可分開：短程硝化反硝化2.同時硝化反硝化：同步硝化反硝化

（氧氣對反硝化屬競爭性抑制）

生物脫氮工藝生物脫氮工藝缺點是必須回流硝化液，反硝化率受限制。生物脫氮工藝生物脫氮工藝改進(jìn)AB工藝生物脫氮工藝生物濾池、生物轉(zhuǎn)盤、生物流化床等均是常用的生物膜法處理構(gòu)筑物，通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計可以使其同時具有去除含碳有機物和脫氮的功能。有機負(fù)荷是影響硝化效果的重要因素，有機負(fù)荷增加會使硝化率減少，因為異養(yǎng)菌會與硝化菌競爭生物膜表面空間和溶解氧，從而抑制硝化茵的增殖。在生物膜脫氮系統(tǒng)中，應(yīng)進(jìn)行混合液的回流以提供缺氧反應(yīng)器所需的N0x-N，但污泥不需要回流。不同的反應(yīng)器采取的工藝流程也會不同。生物脫氮工藝A/O-SBR二\三溝式氧化溝SND:simultaneousnitrificationanddenitrification

aerobicdenitrificationShortcutnitrification-denitrification

三、SND技術(shù)simultanousN.DeN.1985年，Rittmann等在工業(yè)規(guī)模的氧化溝中成功地實現(xiàn)了同時硝化和反硝化，并通過實驗證實了反硝化反應(yīng)可在絮體內(nèi)部缺氧區(qū)連續(xù)進(jìn)行。通過控制DO濃度可實現(xiàn)在同一反應(yīng)器內(nèi)的SND，后來的Daigger、Rittmann以及國內(nèi)的高廷耀、呂錫武等都對SND進(jìn)行了大量的研究工作。近年來國內(nèi)外有不少實驗和報道都證明了SND現(xiàn)象，尤其是在有氧條件下的反硝化現(xiàn)象確實存在于各種不同的生物處理系統(tǒng)，如生物轉(zhuǎn)盤、SBR、氧化溝、CAST等，但對SND的機理及工程應(yīng)用的可行性尚有待進(jìn)一步的研究和開發(fā)。1997年意大利實際應(yīng)用于延時曝氣活性污泥法改造。SND作用機理：宏觀環(huán)境理論微環(huán)境理論微生物理論SND作用機理宏觀環(huán)境理論微環(huán)境理論微生物理論微環(huán)境理論SND工藝的機理一般從物理學(xué)、生物學(xué)以及生物化學(xué)的角度進(jìn)行闡釋。比較合理的理論解釋是微環(huán)境理論。微環(huán)境理論側(cè)重從物理學(xué)觀點研究活性污泥和生物膜的微環(huán)境中各種物質(zhì)（如有機物、DO等）傳遞的變化，各類微生物的代謝活動及其相互作用，所導(dǎo)致微環(huán)境中物理、化學(xué)和生物條件或狀態(tài)的改變。該理論認(rèn)為，由于微生物個體形態(tài)非常微小，一般屬于納米級，影響生物生存的環(huán)境也是微小的。而宏觀環(huán)境的變化往往導(dǎo)致微環(huán)境的變化或不均勻分布，從而影響微生物群或者類型的活動狀態(tài)，并在某種程度上出現(xiàn)所謂的表里不一現(xiàn)象（即宏觀環(huán)境與微觀環(huán)境不一致）。事實上，由于微生物種群結(jié)構(gòu)、基質(zhì)分布和生物化學(xué)反應(yīng)的不均運性，以及物質(zhì)傳遞的變化等因素的相互作用，在活性污泥菌膠團和生物膜內(nèi)部存在多種多樣的微環(huán)境類型。而每一種微環(huán)境往往只適合于某一類微生物的活動，而不適合其它微生物的活動。在活性污泥中，決定各類微環(huán)境狀況的因素包括有機物和電子受體（DO、硝態(tài)氮的濃度）、物質(zhì)傳遞特性、菌膠團結(jié)構(gòu)特征、各類微生物的分布和活動狀況等。在好氧微環(huán)境中，由于好氧菌的劇烈活動，當(dāng)好氧速率高于傳氧速率時，可形成厭氧性微環(huán)境；同樣，厭氧微環(huán)境在某些條件下，也可能成好氧性微環(huán)境。如DO濃度增高，攪拌加劇，使氧傳遞能力增強時，就會使菌膠團內(nèi)部原來的微環(huán)境由厭氧型轉(zhuǎn)化為好氧型。一般而論，即使在好氧性微環(huán)境占主導(dǎo)地位的活性污泥系統(tǒng)中，也常常同時存在少量的微氧、缺氧、厭氧等狀態(tài)的微環(huán)境。而采用點源性曝氣裝置或者曝氣不均勻時，則比較容易出現(xiàn)大比例的局部缺氧微環(huán)境。因此，曝氣階段會出現(xiàn)某種程度的反硝化，或者成為同時硝化反硝化現(xiàn)象。對同時去除有機物和進(jìn)行反硝化的工藝，硝化菌在活性污泥中占5％左右，大部分硝化菌、反硝化菌處于生物絮體內(nèi)部。在這種情況下，DO濃度增高將提高對生物絮體的穿透力，因此可以提高硝化反應(yīng)的速率，但會降低反硝化的速率。生物絮體內(nèi)部的微環(huán)境狀態(tài)，除DO受影響外，還和有機負(fù)荷（F/M）、攪拌程度有關(guān)。高F/M、低DO或無攪拌時，生物絮體內(nèi)微環(huán)境傾向于向缺氧或厭氧狀態(tài)發(fā)展。反之，低F/M、高DO或有攪拌時，微環(huán)境傾向于向好氧狀態(tài)發(fā)展。由于好氧工藝中厭氧性微環(huán)境的存在，為同時硝化反硝化現(xiàn)象的發(fā)生提供了可能。SND工藝機理的模型解釋

SND工藝的優(yōu)點因為不同于經(jīng)典的脫氮理論，如果能夠掌握并運用好SND這種工藝，則在實際運行的污水廠中不但可以大大減小反應(yīng)器體積，從而節(jié)省工程投資費用，而且可以節(jié)約運行費用。與傳統(tǒng)的生物脫氮技術(shù)相比，SND工藝具有獨特的優(yōu)越性：1硝化過程中堿度被消耗，同時反硝化過程中產(chǎn)生了堿度，因此，SND工藝能有效地保持反應(yīng)器中pH值的穩(wěn)定。又考慮到硝化反應(yīng)的最適pH值范圍比較狹窄，僅為7.5～8.6，因此，這一點便具有重要意義。另一方面，SND工藝無需投加外碳源。因此，SND工藝可節(jié)省大量的藥劑費用。2SND工藝意味著在同一反應(yīng)器內(nèi)，在相同操作下，硝化、反硝化反應(yīng)能同時進(jìn)行。如果能保證這些反應(yīng)具有一定的效率，則可減少反應(yīng)器的數(shù)量和尺寸。對于連續(xù)運行的SND工藝污水處理廠，可以省去缺氧池或者減少其容積。對于僅由一個反應(yīng)池組成的序批式反應(yīng)器來講，SND工藝能夠降低實現(xiàn)完全硝化、反硝化所需要的時間。3SND工藝可以減少氧氣的供給，從而節(jié)省生物脫氮系統(tǒng)的能耗花費。4SND工藝提供了今后降低生物脫氮系統(tǒng)投資并簡化生物脫氮技術(shù)的可能性。SND工藝的主要控制因素

溶解氧（DO）溶解氧（DO）的控制對于同時硝化反硝化過程具有重要的影響作用。首先，DO濃度必須是以滿足含碳有機物的氧化及硝化反應(yīng)的需要。若硝化不充分，則難以進(jìn)行反硝化，因此，溶解氧濃度不能過低。其次，DO濃度又不宜過高，以便在微生物絮體內(nèi)產(chǎn)生溶解氧梯度，形成缺氧微環(huán)境，同時使系統(tǒng)中有機物不致于過度消耗，影響反硝化碳源的需要。有人研究報道認(rèn)為，當(dāng)DO濃度為6.0mg/L時，由于溶解氧濃度相對較高，氧的穿透能力較強，所以在菌膠團內(nèi)部形成的缺氧區(qū)較小或者只能在較少數(shù)的菌膠團內(nèi)部形成較小的缺氧區(qū)，反硝化能力較弱；另一方面，由于DO濃度太高，好氧區(qū)的異氧好氧菌活性很強，能將有機物進(jìn)行快速的降解，即使在部分污泥絮體的內(nèi)部形成缺氧區(qū)，也會由于有機物的不足而降低反硝化能力。但當(dāng)DO濃度為3.0mg/L時，氧的穿透能力就會降低，因此能形成缺氧區(qū)的污泥絮體增多或污泥絮體的缺氧區(qū)增大，使反硝化能力增強，總氮的去除率迅速提高。而當(dāng)DO濃度為1.0mg/L左右時，氧的穿透力已很弱，大多數(shù)污泥絮體的內(nèi)部都能形成缺氧區(qū)，所以反硝化能力很強。因此，通過控制曝氣量來控制適當(dāng)?shù)腄O濃度是提高SND脫氮效率的關(guān)鍵因素之一。一般地，DO濃度控制在0.5～1.0mg/L內(nèi)，在滿足硝化地前提下，同時通過反硝化可去除60％～70％的總氮。另一方面，將DO濃度控制在1.0mg/L左右時，氨經(jīng)亞硝化產(chǎn)生大量的亞硝酸鹽，而實際上亞硝酸鹽在反應(yīng)器中積累很少，這是因為在如此低的DO濃度條件下，污泥絮體內(nèi)部很容易形成缺氧區(qū)，形成的亞硝酸鹽可以直接擴散至缺氧區(qū)被反硝化掉，有助于實現(xiàn)短程硝化反硝化生物脫氮。污泥濃度和絮體結(jié)構(gòu)污泥濃度與絮體結(jié)構(gòu)，即活性污泥顆粒的多少、大小及其密實度，這是另一個影響同時硝化反硝化過程的重要因素。有研究表明，在活性污泥濃度較低的情況下（1～2mg/L），由于曝氣的攪動，使得活性污泥絮體表面更新速率加快，很難形成缺氧微環(huán)境，因而難以產(chǎn)生反硝化作用，而提高活性污泥濃度有助于提高好氧SND過程的脫氮效果。如果將活性污泥濃度控制在5g/L左右，DO濃度控制在0.5～1.0mg/L，則可形成較好的缺氧微環(huán)境，明顯的提高SND的脫氮效果。有機負(fù)荷和COD/N

反硝化過程需要有足夠的碳源，因此污泥有機負(fù)荷直接影響好氧SND過程的脫氮效果。在控制曝氣量的前提下，污泥有機負(fù)荷過高，異養(yǎng)菌活動旺盛，勢必抑制硝化反應(yīng)，硝化不充分必然會影響反硝化；污泥有機負(fù)荷過低，有機物大量消耗，必然影響反硝化的碳源需要。有研究表明，將污泥有機負(fù)荷控制在0.10～0.15kgBOD5/(kgMLSS*d)范圍內(nèi)，在保證BOD去除的同時，預(yù)留了同步反硝化的碳源，可保證反硝化的順利進(jìn)行。另有研究表明，對于氨氮含量高、有機物含量低的工業(yè)廢水，COD/N是直接影響SND過程的脫氮效果的重要參數(shù)。當(dāng)COD/N低于4時，有必要向廢水中投加有機物以來補充碳源的不足。氧化還原電位（ORP）控制氧化還原電位可以很好地反映DO的變化，特別是DO比較低時。若DO無法直接測量，氧化還原電位更可成為DO的間接測量手段。污水處理廠的低濃度氧曝氣可用絕對ORP的測量來控制。從能斯特方程可以看到，在低溶解氧時利用控制ORP代替控制溶解氧有以下兩大優(yōu)點：

1）DO較小的改變反映在氧化還原電位上的變化較大；

2）負(fù)的氧化還原電位可測量范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于DO的可測量范圍，所以可以代替DO控制同步硝化反硝化。SND工藝的研究進(jìn)展基于SND工藝相對于傳統(tǒng)生物脫氮工藝的諸多優(yōu)勢，SND工藝正逐漸成為目前生物脫氮研究的熱點之一。目前對SND生物脫氮技術(shù)的研究主要集中在生物膜反應(yīng)器、氧化溝、SBR等反應(yīng)器系統(tǒng)。WatanabeY.等人采用了部分淹沒式旋轉(zhuǎn)生物接觸反應(yīng)器進(jìn)行了SND的研究。通過實驗發(fā)現(xiàn)，溶解氧的變化對生物膜反應(yīng)器的影響很大，氧流入量越低，硝化率越低，反硝化率越高；氣相氧分壓在0.1大氣壓時(氧流量＝0.35g/m2/h)，脫氮率達(dá)到最高。Masuda等人研究發(fā)現(xiàn)，生物膜密度、單位體積生物膜中異養(yǎng)生物和硝化菌反硝化菌的數(shù)量隨生物膜厚度的增加而增加，而膜內(nèi)的反應(yīng)速率并未明顯受到膜厚的影響。由此可見，生物膜的厚度和溶解氧的濃度是影響生物膜反應(yīng)器SND效果的兩個關(guān)鍵因素，只有將二者控制到合適的程度才能保證SND的效果。

Bruce等人研究的兩個單溝氧化渠操作較為簡單，平均溶解氧濃度為0.1～0.5mg/L，脫氮率就分別達(dá)到97.6%和76%。對典型的三溝式Orbal氧化溝的研究發(fā)現(xiàn)，供氧量只需為需氧量的50%-70%，即溶解氧在0-0.5mg/L左右，外溝道就處于虧氧狀態(tài)，就有利于異養(yǎng)微生物利用硝酸鹽氮進(jìn)行反硝化。因而，氧傳遞速率是氧化溝工藝需控制的主要參數(shù)。

Munch等人觀察了SBR反應(yīng)器中溶解氧對硝化率和反硝化率的影響，發(fā)現(xiàn)曝氣階段溶解氧對硝化率的影響可用Monod方程表示，反硝化菌與溶解氧的關(guān)系可用數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換方程表示，且轉(zhuǎn)換常數(shù)比預(yù)期值要高，這意味著好氧硝化反硝化的程度也高于預(yù)期值，運行過程中硝化菌的活動受到抑制，同時好氧硝化反硝化速率隨曝氣時間的延長而降低，完全硝化反硝化時溶解氧濃度大約為0.5mg/L。東南大學(xué)環(huán)境工程系分別采用ORP儀和溶解氧儀控制SBR反應(yīng)器的SND現(xiàn)象，ORP儀設(shè)置70mV、50mV、20mV3個最大值，溶解氧儀設(shè)置0.15mg/L、1mg/L、2mg/L3個最大值，實驗獲得了SND工藝20%-60%的除氮率，且曝氣初期1.5h內(nèi)除氮率急劇增加。ORP控制有效的實現(xiàn)了高低溶解氧條件的交替，保證充分硝化反應(yīng)的同時創(chuàng)造了SND的最佳環(huán)境。結(jié)果表明：不同最大ORP值控制的SND，其除氮率由小到大的順序為70mV，50mV，20mV，且50mV和20mV時，反應(yīng)后期亦出現(xiàn)顯著的SND現(xiàn)象，而低氧條件下，DO儀控制的SND除氮率和硝化速度都明顯低于OPR儀控制。間歇曝氣工藝的氮去除率可達(dá)90%，溶解氧濃度、曝氣循環(huán)的設(shè)置方式、碳源形式及投加量均是其重要的影響因素。K.Pochana等人認(rèn)為生物易降解碳源的投加和活性污泥絮體體積的增加均可引起SND效率的顯著加強。實驗結(jié)果表明：活性污泥絮體平均粒徑由40Lm變?yōu)?0Lm時，SND貢獻(xiàn)率由21%增到了52%。此外，反應(yīng)器液相主體的溶解氧濃度在一定范圍內(nèi)增加，會呈線性關(guān)系抑制SND，但DO濃度增至0.8mg/L時，其線性關(guān)系不明顯。由上可見，同時硝化反硝化生物脫氮技術(shù)中，生物膜、活性污泥絮體的結(jié)構(gòu)及溶解氧濃度是能否進(jìn)行SND的關(guān)鍵控制因素。SND工藝存在的問題

作為脫氮技術(shù)的一個新發(fā)展，同步硝化反硝化現(xiàn)象正逐漸引起國內(nèi)外學(xué)者的重視。但由于實現(xiàn)SND的控制因素多且復(fù)雜，各種因素之間又相互關(guān)聯(lián)，要將SND生物脫氮技術(shù)成功地投入工程實踐還有一段距離。目前，SND脫氮技術(shù)還存在著一些迫切需要解決的問題：(1)對SND的脫氮機理還有待進(jìn)一步的認(rèn)識與了解。(2)需要解決微環(huán)境理論中雙氧區(qū)模型的缺陷造成的問題，即有機碳源的問題。(3)需要加強對SND工藝中微生物培養(yǎng)以及污泥性能的研究。(4)SND在實際工程應(yīng)用中控制條件的確定和穩(wěn)定性、可靠性還需進(jìn)一步證實。(5)SND脫氮過程中有可能產(chǎn)生NO2-和逸出如NO、N2O等有害中間氣態(tài)產(chǎn)物，容易造成二次污染的問題。SND工藝技術(shù)發(fā)展展望目前,國外學(xué)者對同時硝化反硝化工藝的研究已進(jìn)入實驗室的深入研究階段，對其作用機理及動力學(xué)模型正在做進(jìn)一步的研究工作。國內(nèi)學(xué)者對生物脫氮研究的重點放在兩階段硝化－反硝化工藝上，尚未對同時硝化反硝化一體化工藝進(jìn)行足夠的研究。對于僅由一個反應(yīng)池組成的序批式反應(yīng)器來講，SND能夠降低硝化反硝化的完成時間。同時，由于SND不需要加導(dǎo)流板去形成缺氧或厭氧段，不需要單獨設(shè)置缺氧及缺氧段裝置，不需要內(nèi)循環(huán)。因此,SND系統(tǒng)很好地提供了今后降低投資并簡化生物除氮技術(shù)的可能性。而經(jīng)過亞硝酸鹽氮完成的同時硝化反硝化則更具有節(jié)省有機碳源和曝氣量等優(yōu)點。但同時硝化反硝化的影響因素較多,相對較難控制。今后的研究方向可放在如下幾個方面：(1)硝酸鹽氨氧化和亞硝酸鹽氨氧化技術(shù)的研究。(2)ORP信號對低溶解氧條件的控制比溶解氧信號更為精確有效，而缺氧條件時ORP信號控制是唯一的選擇。ORP控制易于較好維護同時硝化反硝化微生物所需的低氧環(huán)境，而ORP的信號折點則能控制反硝化的進(jìn)行程度。(3)研究發(fā)現(xiàn)兼性反硝化菌具有很強的生物攝P放磷能力,如何將脫氮除磷有機的結(jié)合起來,探索一種可持續(xù)城市污水生物處理技術(shù)成為研究熱點。(4)從微生物學(xué)的角度擴大對好氧反硝化菌的分類研究，發(fā)掘好氧反硝化菌的種屬資源,研究好氧反硝化菌的生長特性，提高和改善水處理過程同步硝化反硝化作用。(5)SND過程中硝化與反硝化的速率與傳統(tǒng)硝化反硝化速率的對比研究。生物脫氮的本質(zhì)，依然是利用了微生物動力學(xué)特性固有的差異而實現(xiàn)兩類細(xì)菌動態(tài)競爭與選擇的結(jié)果。因此，協(xié)調(diào)控制硝化與反硝化這兩個過程的動力學(xué)平衡顯得尤為重要。然而，由于過程的復(fù)雜性及控制因素的相互關(guān)聯(lián),使得實現(xiàn)SND并不是很容易的事。但是，由于SND的諸多優(yōu)越性，相信經(jīng)過不斷的完善與改進(jìn)，SND生物脫氮新技術(shù)最終將成為廢水脫氮處理的重要措施之一。四、短程硝化反硝化短程硝化－反硝化工藝是一種新型生物脫氮工藝。它在理念和技術(shù)上突破了傳統(tǒng)硝化－反硝化工藝的框架。在傳統(tǒng)硝化－反硝化工藝中，氨先被氧化成硝酸鹽（NH4+

－>NO2-－>NO3-,全程硝化），再被還原成氮氣（NO3-

－>NO2-

－>N2，全程反硝化）。就生物脫氮而言，硝化過程中的NO2-－>NO3-與反硝化過程中的NO3-

－>NO2-是一段多走的路，將其從工藝中省去同樣能實現(xiàn)廢水脫氮。該工藝的關(guān)鍵是實現(xiàn)亞硝酸的積累。在硝化系統(tǒng)中，與亞硝酸積累有關(guān)的因素包括：①自由氨的存在，②較高的pH值，③溶解氧濃度低，④溫度的變化，⑤氨氮負(fù)荷高，⑥污泥齡長，⑦硝酸鹽的還原。大多數(shù)研究人員認(rèn)為自由氨濃度高(高pH值條件下)和溶解氧濃度低是亞硝酸鹽積累的主要原因，指出亞硝酸積累的內(nèi)在原因在于自由羥氨(NH2OH)的積累。根據(jù)對前人試驗結(jié)果的分析，表明自由羥氨不應(yīng)是亞硝酸積累的最終原因，自由羥氨積累主要受溶解氧、pH的控制。1975年Voets處理高氨氮廢水1986年Sutherson證實可行性，Turk等用于推流式前置生物脫氮系統(tǒng)1989年耿艷樓研究短程硝化反硝化亞硝酸型硝化的控制途徑1.純氨氧化菌培養(yǎng)與固定2.溫度控制分選3.游離氨抑制分選4.低溶解氧抑制分選SHARON工藝:

singlereactorforhighammoniumremovalovernitrite荷蘭Delft工業(yè)大學(xué)提出并成功開發(fā)了Sharon工藝，即在同一反應(yīng)器內(nèi)，先在有氧條件下，利用亞硝化菌將氨氮氧化為亞硝酸鹽氮，然后在缺氧條件下，以有機物為電子供體，將亞硝酸鹽反硝化，生成氮氣。該工藝的關(guān)鍵是利用不同條件下亞硝酸菌和硝酸菌生長速率的差異，將硝酸菌逐步淘汰出反應(yīng)器，從而維持穩(wěn)定的亞硝酸積累。SHARON工藝的核心是利用亞硝酸菌要求的最小SRT小于硝酸菌及在高溫(30℃～35℃)下亞硝酸菌的生長速率明顯高于硝酸菌的生長速率的特性來控制系統(tǒng)的SRT在硝酸菌和亞硝酸菌的最小SRT之間，從而使亞硝酸菌具有較高的濃度而硝酸菌被自然淘汰，同時對系統(tǒng)內(nèi)的溫度和pH進(jìn)行嚴(yán)格控制，維持穩(wěn)定的亞硝酸積累。SHARON工藝主要用于處理城市污水二級處理系統(tǒng)中污泥消化的上清液和垃圾濾出液等廢水。荷蘭已建成兩座利用該工藝的廢水生物脫氮處理廠，證明了亞硝酸型生物脫氮的可行性。由于這些廢水本身溫度較高，屬高氨高溫水，有利于進(jìn)行短程硝化反硝化，可使硝化系統(tǒng)中亞硝酸的積累達(dá)100%。但大量的城市污水，一般都屬于低氨低溫水，要使水溫升高并保持在30℃～35℃很難實現(xiàn)。表1亞硝化菌和硝化菌的特征

細(xì)胞形狀橢球或棒狀橢球或棒狀細(xì)胞尺寸（μm)1.0×1.50.5×1.0革蘭氏染色陰性陰性世代周期（h）8-3612～59自養(yǎng)性專性專利需氧性嚴(yán)格好氧嚴(yán)格好氧最大比生長速率μm（h-1)0.04～0.080.02～0.06產(chǎn)率系數(shù)Y（mg細(xì)胞/mg基質(zhì)）0.01～0.130.02～0.07飽和常數(shù)Ks（mg/L）0.6～3.60.3～1.7Sharon工藝的概念Sharon是英文“singlereactorhighactivityammoniaremovalovernitrite”的字母縮寫。由于該工藝把硝化作用控制在亞硝酸鹽階段，比傳統(tǒng)硝化－反硝化工藝縮短了一段流程，因此國內(nèi)形象的將它稱為短程硝化－反硝化工藝。Sharon工藝的典型特征:短程硝化和短程反硝化被放置在一個反應(yīng)器內(nèi)實施，工藝流程短反應(yīng)器內(nèi)不持留活性污泥，裝置結(jié)構(gòu)簡單操作溫度較高（30－40oC），處理效率較好借助于反硝化作用調(diào)控酸堿度（pH7－8），無需加堿中和對于活性污泥法，可節(jié)省氧供應(yīng)量約25%，降低能耗節(jié)省反硝化所需碳源40%，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(dá)50%縮短反應(yīng)時間，相應(yīng)反應(yīng)器容積減少

Sharon工藝的原理經(jīng)濟性原理微生物學(xué)原理反應(yīng)工程學(xué)原理Sharon工藝的實施策略經(jīng)濟性原理NH4++1.5O2－－－－－NO2-+H2O+2H+

（5－1）

NH4++2.0O2－－－－－NO3-+H2O+2H+（5－2）短程硝化作用硝化作用供氧量節(jié)省25％6NO2-+3CH3OH+3CO2－－－3N2+6HCO3-+3H2O(5-3)6NO3-+5CH3OH+CO2－－－3N2+6HCO3-+7H2O(5-4)甲醇消耗量節(jié)省了40％短程反硝化作用反硝化作用亞硝酸細(xì)菌所致的氨氧化反應(yīng)和反硝化細(xì)菌所致的亞硝酸鹽還原反應(yīng)是開發(fā)Sharon工藝的基礎(chǔ)。比較反應(yīng)式（5－1）和（5－2）可知，由于Sharon工藝只有氨氧化反應(yīng)，沒有亞硝酸鹽氧化反應(yīng)，耗氧量可比傳統(tǒng)硝化工藝降低25％，供氧設(shè)備也可相應(yīng)壓縮。比較反應(yīng)式（5－3）和（5－4）可知，由于Sharon工藝的還原反應(yīng)起始于亞硝酸鹽而不是硝酸鹽，甲醇消耗量可比傳統(tǒng)反硝化工藝節(jié)省40％，運輸工具，貯存容器和投加設(shè)備也可相應(yīng)的減少。因此，Sharon工藝的經(jīng)濟性甚好，既能節(jié)約基建投資，也能降低運行費用。微生物學(xué)原理

1.基質(zhì)專一性和物種遠(yuǎn)緣性硝化作用是一個序列反應(yīng)，先由亞硝酸細(xì)菌把氨氧化成亞硝酸鹽（式（5－5）），再由硝酸細(xì)菌把亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽（式（5－6））。迄今為止，還沒有發(fā)現(xiàn)一種細(xì)菌能夠把氨直接氧化成硝酸鹽。硝化細(xì)菌的這種基質(zhì)專一性是研究和開發(fā)短程硝化工藝的重要依據(jù)。NH4++1.5O2－－－NO2-+H2O+2H+（5－5）NH4++0.5O2－－－NO3-（5－6）硝酸細(xì)菌亞硝酸細(xì)菌微生物學(xué)原理

2.倍增時間的差異性細(xì)菌完成一次分裂（個體數(shù)目增加一倍）所需的時間叫做倍增時間（doublingtime）細(xì)菌種類不同，比生長速率也不同，表現(xiàn)出來的倍增時間相差很大。

Sharon工藝涉及硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌，前者的倍增時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)長于后者（相差10倍以上），常常成為生物脫氮過程的“瓶頸”。通過操作控制，選留生長快的種群，淘汰生長慢的種群，這是Sharon工藝克服“瓶頸”效應(yīng)的法寶。微生物學(xué)原理

3.生長對基質(zhì)濃度的依賴性比生長速率的物理意義是單位時間內(nèi)由單位細(xì)菌增殖而來的細(xì)菌數(shù)量。比生長速率常數(shù)并非是一個真正的常數(shù)，它受基質(zhì)濃度的制約。比生長速率與限制性基質(zhì)濃度呈正相關(guān)Sharon工藝在高基質(zhì)濃度下運作，各種硝化細(xì)菌都以最大速率生長，對基質(zhì)濃度適應(yīng)性好且生長更快的菌群將取得競爭優(yōu)勢。微生物學(xué)原理

4.生長與代謝的相關(guān)性氨氧化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)分別是亞硝酸細(xì)菌和反硝化細(xì)菌賴以生存的產(chǎn)能反應(yīng)，基質(zhì)代謝與細(xì)菌生長直接相關(guān)。在Sharon工藝中，加快了細(xì)菌特別是亞硝酸細(xì)菌的生長速率，就等于提高了基質(zhì)轉(zhuǎn)化速率。因此，富集快生型菌群并促進(jìn)其生長，對基質(zhì)高速轉(zhuǎn)化具有重要意義。反應(yīng)工程學(xué)原理在分批培養(yǎng)中，由于基質(zhì)消耗和產(chǎn)物積累營養(yǎng)條件與環(huán)境條件都會惡化，細(xì)菌的對數(shù)生長難以持續(xù)。如果連續(xù)添加新鮮培養(yǎng)基補充營養(yǎng)物質(zhì)，同時排除等量混合液消除有害產(chǎn)物，細(xì)菌的對數(shù)生長就能維持。這種培養(yǎng)補料和出料的培養(yǎng)方法稱為連續(xù)培養(yǎng)（continuousculture）。連續(xù)培養(yǎng)經(jīng)常被放置在恒化器（chemostat）中進(jìn)行.Sharon工藝的工作原理類同于連續(xù)培養(yǎng)，Sharon工藝的反應(yīng)裝置類似于恒化器。反應(yīng)工程學(xué)原理1.恒化器中培養(yǎng)液的稀釋率在恒化培養(yǎng)中，新鮮培養(yǎng)基以不變的流速輸入恒化器，并立即與該裝置內(nèi)的培養(yǎng)液充分混合。經(jīng)過混合的培養(yǎng)液以相同的流速輸出恒化器。在恒化器內(nèi)，培養(yǎng)液的體積不變，其更換速率與新鮮培養(yǎng)基的輸入速率以及培養(yǎng)液的總體積有關(guān)。當(dāng)培養(yǎng)液的總體積不變時，更換速率與新鮮培養(yǎng)基的輸入速率成正比。連續(xù)流（培養(yǎng)基連續(xù)流進(jìn)和流出恒化器）和全混合（恒化器內(nèi)培養(yǎng)液均勻一致）是恒化器的水力特征，稀釋率表征了單位時間內(nèi)恒化器中流體的更換次數(shù)。稀釋率的倒數(shù)是流體在恒化器內(nèi)的平均水力停留時間（hydraulicretentiontime,HRT）。從化學(xué)反應(yīng)的角度看，HRT表征了流體中基質(zhì)在恒化器內(nèi)的平均反應(yīng)時間。所需的HRT越短，表明恒化器的反應(yīng)潛力越大。反應(yīng)工程學(xué)原理2.恒化器中細(xì)菌濃度的變化假設(shè)新鮮培養(yǎng)基輸入后，恒化器內(nèi)沒有細(xì)菌生長，那么裝置內(nèi)原有的細(xì)菌將隨混合液的輸出而流失。對于恒化器，凈生長速率等于生長速率與流失速率之差凈生長速率＝生長速率-流失速率由于全混合，恒化器內(nèi)的細(xì)菌濃度均勻一致，裝置內(nèi)的細(xì)菌濃度與流出液中的細(xì)菌濃度相等。恒化器內(nèi)細(xì)菌濃度的變化反映了細(xì)菌生長速率與流體帶出速率的相對大小。細(xì)菌是恒化器進(jìn)行生物反應(yīng)的主角，恒化器反應(yīng)潛力的大小與細(xì)菌的活性和數(shù)量密切相關(guān)，恒化器內(nèi)細(xì)菌濃度的變化勢必影響恒化器的工作效能。反應(yīng)工程學(xué)原理3.恒化器中基質(zhì)濃度的變化在一定條件下，細(xì)菌濃度的增加與基質(zhì)的消耗成正比在連續(xù)培養(yǎng)中，濃度為So的限制性基質(zhì)以一定速率輸入恒化器，經(jīng)過細(xì)菌利用，大部分基質(zhì)被消耗，剩余基質(zhì)以濃度S輸出恒化器。恒化器內(nèi)的基質(zhì)濃度變化為基質(zhì)變化＝基質(zhì)流入量-細(xì)菌對基質(zhì)的消耗量-基質(zhì)流失量由于全混合，恒化器內(nèi)的基質(zhì)濃度均勻一致，裝置內(nèi)的基質(zhì)濃度與流出液中的基質(zhì)濃度相等。恒化器內(nèi)基質(zhì)濃度的變化反映了細(xì)菌代謝速率與流體帶出速率的協(xié)同作用?；|(zhì)是恒化器進(jìn)行生物反應(yīng)的原料，代謝所致的基質(zhì)轉(zhuǎn)化率直接反映了恒化器的工作效能。Sharon工藝的實施策略1.稀釋率對細(xì)菌的篩選作用采用恒化器混合培養(yǎng)多種細(xì)菌時，稀釋率對不同細(xì)菌具有淘汰作用。設(shè)定一個稀釋率后，各種細(xì)菌在恒化器中的命運取決于自身的生長速率，如果最大比生長速率小于設(shè)定的稀釋率，則該種群被洗出恒化器。所設(shè)定的比生長速率越高，被保留在恒化器內(nèi)的種群越少，這些種群的比生長速率越高。根據(jù)最小因子定律，生物生長受制于相對數(shù)量最少的營養(yǎng)物質(zhì)（限制性營養(yǎng)物質(zhì)）。改善營養(yǎng)條件（例如，提高限制性基質(zhì)濃度），將會促進(jìn)細(xì)菌生長，從而在某種程度上影響細(xì)菌的歸宿在傳統(tǒng)硝化工藝中，為了保證出水達(dá)標(biāo)，通常將氨濃度控制在較低的水平，裝置內(nèi)富集的一般是慢生型亞硝酸細(xì)菌；而在Sharon工藝中，通常將氨濃度控制在較高的水平，裝置內(nèi)富集的顯然是快生型亞硝酸細(xì)菌。Sharon工藝的實施策略SHARON工藝的成功還在于:巧妙地應(yīng)用了硝化菌(Nitrobacter)和亞硝化菌(Nitrosomonas)的不同生長速率,即在較高溫度下，硝化菌的生長速率明顯低于亞硝化菌的生長速率。

因此,在完全混合反應(yīng)器中通過控制溫度和停留時間,可以將硝化菌從反應(yīng)器中沖洗出去(washout)，使反應(yīng)器中亞硝化菌占絕對優(yōu)勢,從而使氨氧化控制在亞硝化階段。同時通過間歇曝氣，可以達(dá)到反硝化的目的。Sharon工藝的實施策略2.反應(yīng)器內(nèi)不持留菌體反應(yīng)器的反應(yīng)潛力主要取決于反應(yīng)速率和反應(yīng)時間。在生物反應(yīng)器中，反應(yīng)速率主要取決于生物活性和生物數(shù)量。Sharon工藝要將硝化作用終止于亞硝酸鹽階段，必須抑止硝酸細(xì)菌的活性，最有效的辦法是將硝酸細(xì)菌清除出反應(yīng)系統(tǒng)。如果采用現(xiàn)有的高效生物反應(yīng)器，很難實現(xiàn)對硝酸細(xì)菌的清除，這是因為這些反應(yīng)器在持留生物體時不能區(qū)分亞硝酸細(xì)菌和硝酸細(xì)菌。鑒此，Sharon工藝創(chuàng)新性地選用了不持留生物體的連續(xù)流全混合反應(yīng)器（恒化器），利用兩個菌群的生長速率上的差異，通過調(diào)控稀釋達(dá)到了清除硝酸細(xì)菌的目的。在恒化器的運行中，通過調(diào)控稀釋率，不僅清除了生長相對緩慢的硝酸細(xì)菌，也淘汰了慢生型亞硝酸細(xì)菌，留下的亞硝酸細(xì)菌生長較快。此外，通過對營養(yǎng)條件和環(huán)境條件的優(yōu)化，特別是通過提高基質(zhì)濃度和操作溫度，促進(jìn)了亞硝酸細(xì)菌的生長，有效地保證了反應(yīng)所需的菌體數(shù)量。Sharon工藝的實施策略3.利用反硝化產(chǎn)生的堿度傳統(tǒng)硝化－反硝化工藝有兩種實施方法。一種是把硝化與反硝化反應(yīng)放置于兩個反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行。在這種方法中，為了節(jié)約處理成本，通常把反硝化反應(yīng)器的部分出水回流到硝化反應(yīng)器內(nèi)，以回收堿度。另一種方法是把硝化與反硝化反應(yīng)放置在一個反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行。這樣可以充分利用反硝化作用產(chǎn)生的堿度，來中和硝化作用產(chǎn)生的酸度。但是，當(dāng)進(jìn)水含有較多的有機物時，異養(yǎng)型細(xì)菌的生長速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于硝化細(xì)菌，前者可嚴(yán)重干擾后者的作用。Sharon工藝的實施策略3.利用反硝化產(chǎn)生的堿度Sharon工藝采用一個反應(yīng)器進(jìn)行硝化和反硝化反應(yīng)，從空間上為反應(yīng)器實現(xiàn)內(nèi)部酸堿平衡創(chuàng)造了條件。Sharon工藝改變了傳統(tǒng)硝化－反硝化工藝“先完成硝化再進(jìn)行反硝化”的工作模式，通過間歇供氧，使硝化與反硝化反應(yīng)交替進(jìn)行，也從時間上為反應(yīng)器實現(xiàn)內(nèi)部酸堿平衡創(chuàng)造了條件。由于及時就地利用反硝化產(chǎn)生的堿度，反應(yīng)器內(nèi)的pH始終被保持在有利于生物脫氮的范圍（7－8.5）。Sharon工藝還通過反應(yīng)器的合理選型，有意識的強化了對混合液CO2的吹脫，驅(qū)除了部分酸度，減少甚至擺脫了對外源堿性物質(zhì)的依賴。Sharon工藝的技術(shù)要點pH控制好氧好氧厭氧厭氧甲醇甲醇7.5<pH<8.57.5<pH<8.5間歇供氧對反應(yīng)器pH的調(diào)控作用循環(huán)周期2h水力停留時間36hSharon工藝的技術(shù)要點Sharon工藝的核心是使硝化過程終止于亞硝酸鹽階段。在實施上，不僅要抑制亞硝酸鹽氧化，還要促進(jìn)氨氧化，只有這樣，才能使該工藝經(jīng)濟高效。溫度控制pH控制溶解氧濃度控制基質(zhì)濃度和負(fù)荷控制泥齡控制Sharon工藝的技術(shù)要點1.溫度控制溫度對生物反應(yīng)有很大的影響。對于硝化反應(yīng)，文獻(xiàn)來源不同，所報道的溫度范圍和適宜溫度差距很大?？偟膩碚f，硝化反應(yīng)的溫度范圍為4－45oC，適宜溫度為20－30oC，溫度低于15oC或高于40oC硝化速率降低。在常溫（5－20oC）下，由于亞硝酸細(xì)菌的生長速率小于硝酸細(xì)菌，前者產(chǎn)生的亞硝酸鹽很容易被后者繼續(xù)氧化成硝酸鹽，因此在這個溫度范圍運作的傳統(tǒng)生物脫氮工藝，只能進(jìn)行全程硝化－反硝化反應(yīng)。提升反應(yīng)器的運行溫度（20－35oC），利用亞硝酸細(xì)菌和硝酸細(xì)菌不同的溫度效應(yīng)，有助于富集亞硝酸細(xì)菌從而實現(xiàn)短程硝化。需要指出的是，溫度并非越高越好，溫度超過40oC會導(dǎo)致反應(yīng)速率的下降;另外，廢水升溫需要能量，溫度越高，能耗越大綜合考慮各種因素，Sharon工藝的操作溫度以30－35oC為宜。Sharon工藝的技術(shù)要點2.pH控制適宜的pH范圍在硝化工藝中pH是一個非常重要的調(diào)控參數(shù)。一般而論，硝化反應(yīng)的pH范圍為5.5－10.0，適宜pH為6.5－9.0。pH低于6.5或高于9.0，硝化速率降低。其中，亞硝酸細(xì)菌與硝酸細(xì)菌適宜生長的pH范圍略有差異，分別為7.0－8.5和6.5－7.5。根據(jù)兩種硝化細(xì)菌最適pH的差異，調(diào)控反應(yīng)系統(tǒng)的pH可以取得定向選擇反應(yīng)產(chǎn)物的效果。實驗表明，pH大于7.4時，亞硝酸鹽占產(chǎn)物的比例高于90％。Sharon工藝的pH控制在7.4－8.3之間Sharon工藝的技術(shù)要點2.pH控制pH的影響在Sharon工藝中硝化與反硝化反應(yīng)交替進(jìn)行，硝化階段不加堿中和酸度，每個硝化(80min)和反硝化（40min）循環(huán)的pH變化高達(dá)一個單位（圖5－6）。這樣大的pH變化在城市污水（氨濃度只有30－50mg/L）處理中是少見的。因此，除了考慮適宜的pH范圍之外，還需要考慮pH波動對Sharon工藝的影響。pH對Sharon工藝的影響主要體現(xiàn)在兩個方面，其一是pH超出硝化細(xì)菌的耐受限度，其二是pH影響基質(zhì)的有效性或抑制劑的毒性。第一個問題相對比較簡單，很容易通過工藝上的調(diào)控措施加以解決。第二個問題相對比較復(fù)雜，具體情況需做具體分析。Sharon工藝的技術(shù)要點pH對NH3分配百分比的影響在正常的生物處理系統(tǒng)中，NH4+是氨的主要存在形式;提高pH可以增加NH3的分配百分比;在pH較高的情況下，提高pH的效應(yīng)更為顯著。pH對HNO2分配百分比的影響在正常的生物處理系統(tǒng)中，NO2-是亞硝氨的主要存在形式;降低pH可以增加HNO2的分配百分比，在pH較低的情況下，降低pH的效應(yīng)更為顯著。pH對硝化細(xì)菌生長速率的影響在要求基質(zhì)去除率較高（裝置內(nèi)的基質(zhì)濃度較低）的情況下，提高pH可增加NH3分配百分比，同時減少HNO2

分配百分比，有利于富集亞硝酸細(xì)菌，淘汰硝酸細(xì)菌，從而保證Sharon工藝的正常運作。但是提高pH需要消耗化學(xué)試劑（甲醇或NaOH）。Sharon工藝的技術(shù)要點3.溶解氧濃度控制硝化細(xì)菌是好氧性細(xì)菌，硝化反應(yīng)是需氧性反應(yīng)，它們的生長和代謝都離不開氧的有效供給。在恒化器混合培養(yǎng)中，溶解氧濃度對亞硝酸細(xì)菌和硝酸細(xì)菌的生長速率具有很大的影響，對兩種細(xì)菌的細(xì)胞產(chǎn)率也有很大的影響。因此在Sharon工藝中，溶解氧濃度是一個理想的調(diào)控參數(shù)。為了兼顧氨氧化速率和亞硝酸鹽積累，在Sharon工藝中溶解氧濃度宜控制在1.0－1.5mg/L范圍;供氧方式可采用間歇曝氣。Sharon工藝的技術(shù)要點4.基質(zhì)濃度和負(fù)荷控制作為一種新型的生物脫氮工藝，人們希望Sharon工藝能夠適應(yīng)較寬的基質(zhì)濃度范圍，承受較高的容積負(fù)荷。這主要取決于硝化細(xì)菌的潛質(zhì)及其發(fā)掘程度?；|(zhì)濃度控制Sharon工藝采用全混合反應(yīng)器，裝置內(nèi)的基質(zhì)濃度與出水濃度相等，是出水基質(zhì)濃度而不是進(jìn)水基質(zhì)濃度決定了基質(zhì)轉(zhuǎn)化速率。為了保證一定的基質(zhì)轉(zhuǎn)化速率，出水濃度不能設(shè)置得太低。這一特性決定了該工藝實用場合，即用于預(yù)處理，而不是達(dá)標(biāo)處理。此外，由于基質(zhì)抑制效應(yīng)取決于裝置內(nèi)的基質(zhì)濃度，而進(jìn)水基質(zhì)濃度與裝置內(nèi)的基質(zhì)濃度存在較大的差異，所以Sharon工藝能夠處理的廢水濃度可明顯高于基質(zhì)抑制濃度。Sharon工藝常用的污泥（以VSS計）氨負(fù)荷為0.02－1.67kg/(kg.d)。Sharon工藝的技術(shù)要點5泥齡控制泥齡是指活性污泥在反應(yīng)器內(nèi)的平均停留時間，也即反應(yīng)器內(nèi)污泥完全更新一次所需的時間。在恒化器中，泥齡與水力停留時間相等。在確保洗出硝酸細(xì)菌的前提下，應(yīng)盡可能延長水力停留時間，使生物脫氮達(dá)到較高的程度，并使反應(yīng)器穩(wěn)定運行。VanKempen等人根據(jù)Sharon工藝生產(chǎn)性應(yīng)用的經(jīng)驗，推薦將泥齡控制在1－2.5d。實驗室小型試驗1.實驗廢水的水質(zhì)特點第一個Sharon工藝的實驗室由荷蘭Delft工業(yè)大學(xué)完成，試驗的目的是為鹿特丹Dokhaven污水處理廠探索一種新型生物脫氮工藝，以解決該廠厭氧硝化污泥分離液的脫氮問題。Dokhaven污水處理廠厭氧硝化污泥分離液的理化指標(biāo)廢水的典型特征是可降解的有機物不多，氮化物主要以氨形式存在，堿度和溫度較高。這些水質(zhì)特點為Sharon工藝的研發(fā)提供了難得的良好條件。實驗室小型試驗1.實驗廢水的水質(zhì)特點指標(biāo)指標(biāo)值指標(biāo)指標(biāo)值COD濃度/(mg/L)810SS濃度/(mg/L)56BOD濃度/(mg/L)230HCO3-濃度/(mg/L)4080凱氏氮濃度/(mg/L)1053HCO3-/N之比(mol/mol)1.1氨濃度/(mg/L)1000pH8.1－8.4總磷濃度/(mg/L)27溫度/0C30消化污泥分離液的年平均值實驗室小型試驗2.小試裝置及其運試Sharon工藝的實驗室裝置是一個1.5L的發(fā)酵罐實驗條件為:以好氧活性污泥作為接種污泥以厭氧消化污泥分離液作為試驗廢水控制溫度35oC

水力停留時間1.5d

反應(yīng)器工作方式“硝化－反硝化－硝化”交替運行循環(huán)周期2h,其中曝氣80min，缺氧40min。曝氣期間，氨濃度逐漸下降，亞硝酸鹽濃度逐漸升高;pH明顯降低;停止曝氣并添加甲醇后，亞硝酸鹽濃度下降，pH迅速回升。連續(xù)運試兩年的結(jié)果表明，Sharon工藝運行穩(wěn)定，氨去除率保持在80－85％之間。實驗室小型試驗2.小試裝置及其運試與傳統(tǒng)硝化工藝相比，

Sharon工藝具有如下鮮明的特點:傳統(tǒng)硝化工藝一般用于處理城市污水，進(jìn)水氨濃度通常在30－50mg/L，產(chǎn)物主要是硝酸鹽，亞硝酸鹽很少;Sharon工藝被用于處理厭氧消化污泥分離液，進(jìn)水氨濃度高達(dá)1000mg/L，產(chǎn)物主要（高于90％）是亞硝酸鹽，硝酸鹽很少。這就要求硝化細(xì)菌具有耐受高濃度氨和亞硝酸鹽的能力。傳統(tǒng)硝化工藝一般采用常溫操作，運行溫度極少超過30oC;Sharon工藝的運行溫度控制在35oC。較高的溫度有利于富集最適生長溫度偏高的菌群。傳統(tǒng)硝化工藝重視對菌體的持留，泥齡較長（如5－10d）;Sharon工藝采用全混合反應(yīng)器，泥齡較短（如1－2.5d）。工藝放大1.反應(yīng)器設(shè)計項目

參數(shù)值

項目

參數(shù)值

反應(yīng)器容積/m3

1800設(shè)計氮負(fù)荷/(kg/d)

540設(shè)計流量/(m3/h)

31.5最大氮負(fù)荷

830最大流量/(m3/h)

50好氧段HRT/d

1.0進(jìn)水氨濃度/(g/L)

1.0-1.5缺氧段HRT/d0.5-1.4供氧能力/(kg/h)

600Dokhaven污水處理廠Sharon反應(yīng)器的設(shè)計參數(shù)工藝放大2.技術(shù)經(jīng)濟分析Dokhaven污水處理廠以原有的污泥濃縮池（容積為1800m3）改建為Sharon反應(yīng)器，設(shè)計參數(shù)為：HRT1.3d,氨負(fù)荷1200kg/d，進(jìn)水氨濃度1000mg/L，轉(zhuǎn)化率85％。在此條件下，Sharon工藝的技術(shù)經(jīng)濟分析見表5－4。脫氮處理的單價為1.7美元/kg，其中，動力耗電支出占35％，甲醇支出占25％。雖然處理費用因地而異，但與同類廢水的其它工藝相比（表5－5），Sharon工藝顯示了明顯的經(jīng)濟競爭力。Sharon工藝的轉(zhuǎn)化效率（氨去除率）和單位處理費用都與廢水中的氨濃度有關(guān)。當(dāng)進(jìn)水氨濃度從5000mg/L降低到250mg/L時，氨去除率由97％跌落到50％;單位處理費用先由8.2美元/kg減少至1.7美元/kg，再回升至5.4美元/kg。在氨濃度低于500mg/L的情況下，由于設(shè)備折舊費所占的比例增加，單位處理費用升高。在氨濃度高于2000mg/L的情況下，單位處理費用幾乎與曝氣費用同步增長。就處理費用而言，氨濃度宜控制在500－2000mg/L。工藝放大2.技術(shù)經(jīng)濟分析項目年累計費用/美元單價/(美元/kg)占總費用的比例/%基建投資+維護費+開發(fā)費2260.635電費（90％以上用于曝氣）2250.635甲醇1620.425NaOH320.15總計6451.7100Sharon工藝技術(shù)經(jīng)濟分析[40]工藝放大2.技術(shù)經(jīng)濟分析產(chǎn)生產(chǎn)生投加能源操作費用估計化學(xué)污泥生物污泥化學(xué)藥劑消耗難易程度（歐元/kg）空氣吹脫法是否需要一般一般6.0蒸氣吹脫法是否需要高復(fù)雜8.0MAP/CAFR工藝是否需要低復(fù)雜6.0膜－生物反應(yīng)器否是需要高一般2.8生物膜氣提式反應(yīng)器否低需要一般一般5.7Sharon工藝否低需要一般簡單1.5表5－5用于處理消化污泥壓濾液低各種技術(shù)比較Sharon工藝的應(yīng)用

1.Sharon工藝的應(yīng)用場合Sharon工藝是應(yīng)荷蘭鹿特丹Dokhaven污水處理廠的要求而研發(fā)的，它沒有經(jīng)過中間實驗，直接從實驗室規(guī)模（1.5L）放大到生產(chǎn)規(guī)模（1800m3）。Dokhaven污水處理廠的工藝流程如圖5－21所示。其中Sharon工藝用于處理厭氧消化污泥分離液。Sharon工藝在Dokhaven污水處理廠取得成功后，已推廣應(yīng)用于荷蘭Utrecht污水處理廠，處理對象相同（厭氧消化污泥分離液）。Sharon工藝的應(yīng)用進(jìn)水除碳曝氣池沉淀池硝化曝氣池沉淀池污泥消化池污泥脫水Sharon廢棄污泥出水AB圖5－21Dokhaven污水處理廠流程1.Sharon工藝的應(yīng)用場合Sharon工藝的應(yīng)用效果1進(jìn)水2細(xì)格柵3沉砂池4A段曝氣池5中間沉淀池

6回流污泥7剩余污泥回流8浮滓去除9污泥調(diào)節(jié)池

10B段曝氣池1