李鋒 朱南文 李樹平 周增炎
(同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院)

　　一般的污水處理廠都是利用生物方法脫氮。通常認(rèn)為，生物法脫氮是一個(gè)兩階段過程：硝化和反硝化。在硝化階段化學(xué)自養(yǎng)型硝化細(xì)菌在好氧條件下將NH4⁺-N轉(zhuǎn)化為NO₂--N和NO₃^--N而在反硝化階段，兼性異養(yǎng)細(xì)菌在缺氧條件下進(jìn)行NO₂--和NO₃--的轉(zhuǎn)化，從而達(dá)到脫氮的目的。由于硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌生長條件不同，在生物法處理工藝中，硝化和反硝化往往在兩個(gè)不同的反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行，系統(tǒng)復(fù)雜，能耗較大，并且管理不便。在同一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)同時(shí)硝化/反硝化能夠克服傳統(tǒng)工藝的缺點(diǎn)，節(jié)省基建和運(yùn)行費(fèi)用，且容易滿足處理過程對(duì)碳源和堿度等條件的要求。
　　同時(shí)硝化/反硝化的機(jī)理可以從生物學(xué)和反應(yīng)器兩方面來討論。從生物學(xué)角度看，由于異養(yǎng)硝化菌和好氧反硝化菌的存在，使硝化和反硝化有了同時(shí)發(fā)生的可能。通常硝化細(xì)菌是自養(yǎng)型好氧微生物，依靠 NH4⁺-N和NO₂--N的氧化獲得能量生長，需要O₂作為呼吸的最終電子受體；反硝化細(xì)菌大都是異養(yǎng)型兼性厭氧微生物，在缺氧和低溶解氧條件下利用有機(jī)物的氧化作為能量來源，而將NO₃^--N和NO₂--N 作為無氧呼吸時(shí)的電子受體。對(duì)于反硝化菌來說，氧氣的存在對(duì)反硝化過程有抑制作用，主要表現(xiàn)在電子受體(O₂、NO₂--N和NO₃^--N)之間爭奪電子的能力差異上，通常O₂接受電子的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于NO₂--N和NO₃^--N，但氧的存在對(duì)大部分反硝化細(xì)菌本身卻并不抑制，而且這些細(xì)菌呼吸鏈的某些成分甚至需要在有氧的情況下才能合成。從反應(yīng)器角度看，可以在反應(yīng)器內(nèi)同時(shí)創(chuàng)造適合硝化和反硝化的環(huán)境，使同時(shí)硝化/反硝化成為可能。例如生物膜內(nèi)可以存在缺氧區(qū)域，硝化在有氧的膜上發(fā)生，反硝化同時(shí)在缺氧的膜上發(fā)生。活性污泥法反應(yīng)器從微觀上看是多相反應(yīng)器，活性污泥絮體作為存在于廢水中的固相，絮體表面和絮體內(nèi)部由于氧氣擴(kuò)散的原因完全可能形成好氧區(qū)和缺氧區(qū)，分別進(jìn)行硝化和反硝化反應(yīng)。基于這樣的分析推導(dǎo)了同時(shí)硝化/反硝化的動(dòng)力學(xué)模型。

1 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模式的推導(dǎo)

　　反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行同時(shí)硝化/反硝化的必要條件是好氧和缺氧環(huán)境同時(shí)存在，此時(shí)控制溶解氧的水平至關(guān)重要，既要滿足碳化和硝化反應(yīng)的需要，又要為保證局部缺氧環(huán)境的形成使DO控制在較低的水平。不同的反應(yīng)器類型和反應(yīng)條件，DO的控制范圍亦不同，一般為0.5～1.5 mg/L。進(jìn)行同時(shí)硝化/反硝化的其他條件有：污泥負(fù)荷［＜0.1～0.15kgBOD/(kgMLSS·d)，以滿足硝化的要求］、C/N比(滿足反硝化過程對(duì)碳源的要求)以及堿度等。
　　同濟(jì)大學(xué)的祝經(jīng)綸(1996)研究了低氧曝氣在SBR工藝中脫氮的效果，使用的SBR反應(yīng)裝置有效容積為25 L，排水容積17.5 L，試驗(yàn)原水取自上海某城市污水處理廠沉砂池出水，采用小型氣泵進(jìn)行穿孔管曝氣，通過控制曝氣量使SBR反應(yīng)器內(nèi)的DO控制在0.5～1 mg/L，在反應(yīng)器內(nèi)形成厭氧(缺氧)和好氧并存的環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)硝化/反硝化的過程。其試驗(yàn)參數(shù)：污水間歇進(jìn)水，運(yùn)行周期12 h，反應(yīng)(曝氣)時(shí)間8h，MLSS7589 mg/L，泥齡25d，水溫21℃。試驗(yàn)結(jié)果見圖1～3，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模式的推導(dǎo)。

　　　　

　　模型假設(shè)條件：
　　（1）污泥中硝化菌和反硝化菌穩(wěn)定，不隨時(shí)間變化，即有
　　X硝化/X=m,X反硝化/X=n；
　　式中 X——微生物濃度，mg/L
　　X硝化——硝化微生物濃度，mg/L
　　X反硝化-反硝化微生物濃度，mg/L
　　（2）硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)互不干擾，并且都符合Monod模型。
　　推導(dǎo)如下：
　　對(duì)SBR反應(yīng)器NO3^--N作物衡算，有
　　dC_NO3-/dt=(d_CNO3-/dt)_r　　　　(1)
　　考察同時(shí)硝化／反硝化過程，有
　　(dC_NO3-/dt)r=(d_CNO3-/dt)硝化+(d_CNO3-/dt)反硝化＋(d_CNO3-/dt)衰減＋(d_CNO3-/dt)同化 　　　　(2)
　　硝化過程的總反應(yīng)方程式如下：
　　
　　Coronszy(1997)認(rèn)為NO₂-的積累濃度不是氮平衡的決定因素，祝經(jīng)綸的試驗(yàn)結(jié)果也表明整個(gè)反應(yīng)期間NO₂-的濃度都相當(dāng)?shù)停梢哉J(rèn)為硝化反應(yīng)過程中，有
　　（dCNO₃-/dt）_硝化=-(dCNH₄+/dt） （4）
　　(dCNH₄⁺/dt)=-1/Y₁·(dX/dt)_硝化=-u/Y₁·mX=-mX/Y₁·u_1max·CNH₄⁺/(K₁+CNH₄⁺)·DO/(K₀+DO)　　　　　(5)
　　式（5）中，（dX/dt)硝化嚴(yán)格來說是指NH₄+氧化成NO2^-過程中污泥的變化率，但由于NO₂-沒有積累，NO₂-氧化成NO₃-過程中的污泥產(chǎn)率也被結(jié)合到式中。

　　(dCNO₃^-/dt)=-1/Y₂·(dX/dt)_反硝化=-u_２/Y_２·nX=-nU_2max·X/Y₁·C/(K_c+C)·C_NO3^-/(K₂+C_NO3^-)　　　(6)　
　　（dC_NO3^-/dt）_衰減=-pqX/Yp　　　　　　　(7)

　　（dCNO₃-/dt）_衰減是指NO₃^--N由于接受微生物衰減時(shí)釋放的電子而還原。反硝化時(shí)，比衰減率p在某種意義上將受到NO3^--N濃度的影響，然而，因?yàn)槟承┧p可以在沒有氮的情況下，所以這種關(guān)系的本質(zhì)尚不清楚，而且p和N之間的函數(shù)關(guān)系將使模型復(fù)雜，所以假定p為常數(shù)，且與N無關(guān)。反硝化中的p和好氧系統(tǒng)中的完全一樣，約為0.002/h^[1]。
同化NO₃-的還原作用只有當(dāng)NO3^--N是氮的唯一可被利用形式時(shí)才進(jìn)行，在同時(shí)硝化/反硝化過程中，NH4⁺-N始終存在，所以有

　　(dCNO3-/dt)同化=0　　　　(8)
　　將式(2)、(4)、(5)、(6)、(7)、(8)代入式(1)得：
　　dC_NO3^-/dt=mu_1maxX/Y1·C_NH4⁺/(K₁+C_NH4⁺)·DO/(K₀+DO)-nu_2maxX/Y₂·C/(K_c+C)·C_NO3^-/(K₂+C_NO3^-)-pqX/Y_p　(9)
　　式中　C、C_NO3^-、C_NH4⁺——碳源、NO₃^--N和NH₄⁺-N濃度，mg/L
　　　　　K1、K2、K0、Kc——飽和常數(shù)
　　　　　Y1、Y2——硝化和反硝化微生物產(chǎn)率，mgMLSS/mgNH4⁺-N和mgMLSS/mgNO3^--N
　　　　　m、n——硝化微生物和反硝化微生物濃度占微生物總量的比例，%
　　　　　u1、u2——硝化微生物和反硝化微生物的比生長速率，h^-1
　　　　　DO——溶解氧濃度，mg/L
　　　　　q——衰減時(shí)利用NO3^--N為電子受體的微生物占總微生物的比例
　　　　　p——比衰減率，h^-1
　　　　　Yp——衰減時(shí)微生物釋放電子而還原NO3^--N的系數(shù)，mgMLSS/mgNO3^--N

　　式（9）左邊第一項(xiàng)中，由于DO濃度基本穩(wěn)定，CNH4⁺＞K1，所以（g-dCNH₄+/dt)硝化可以看作常數(shù)，由圖3也可以看出，NH4+-N的變化隨時(shí)間近似呈線性關(guān)系。右邊第二項(xiàng)中碳源濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Kc，雖然圖2顯示CODcr在很短時(shí)間內(nèi)下降很多，但這主要是由于高濃度污泥吸附的結(jié)果，所以認(rèn)為整個(gè)反應(yīng)期間，C/N值滿足反硝化的要求。

　　令A(yù)=mu_1maxX/Y1·C_NH4⁺/(K₁+C_NH4⁺)·DO/(K₀+DO)-pqX/Y_{p　　　　　　　　(10)
　　　B=nu2maxX/Y2·C/(Kc+C)　　　　　　　　　　　　　　　(11)
　　代入式(9)得：
　　dCNO3^-/dt=A-B·CNO3^-/(K2+CNO3^-)　　　　　　　　　　　　(12)
　　根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入計(jì)算的結(jié)果，方程(9)解的形式是：
　　y/6.026+2.121ln(6.026y+0.856)=t　　　　　　　　　　　　(13)
　　可得：A=0.07,B=-6.0,K=12.7
　　所以式(12)變?yōu)?br> 　　dCNO3^-/dt=0.07+6.0CNO3^-/(12.7+CNO3^-)≈6.0CNO3^-/(12.7+CNO3^-)　　　　　(14)}

2 討論

　　 ①提出的動(dòng)力學(xué)模型同實(shí)際符合得相當(dāng)好(r＝0.997)，說明式(12)能很好地模擬SBR法和推流式反應(yīng)器中同時(shí)硝化/反硝化的結(jié)果。?
　　 ②由式(14)可知，反硝化過程是控制過程。值得注意的是模型中反硝化過程的飽和常數(shù)值高達(dá)12.7mg/L，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過通常情況下的飽和常數(shù)(0.06～0.2mg/L)，也高于反應(yīng)期間測得的NO₃^--N值，說明反硝化反應(yīng)沒有達(dá)到最大反應(yīng)速度。較高飽和常數(shù)的原因是：a.模型采用的數(shù)據(jù)是主體混合液的NO₃^--N濃度，由于擴(kuò)散阻力的存在，與真正的缺氧區(qū)NO₃^--N有差別；b.為同存在的氧爭奪電子以增加反硝化反應(yīng)的速度，有必要提高NO₃^--N 濃度。?
　　 ③ 可以通過提高反應(yīng)器內(nèi)NO₃^--N的濃度來提高同時(shí)硝化/反硝化反應(yīng)的速度。本試驗(yàn)最終出水NO₃^--N 濃度為4.66mg/L，大大高于進(jìn)水濃度，說明NO₃^--N積累，反硝化過程是控制階段。如果反應(yīng)時(shí)間適當(dāng)延長，NO₃^--N濃度將繼續(xù)增加，反硝化速度也增加，即增加同時(shí)硝化/反硝化的反應(yīng)速度。可以推知，在完全混合式反應(yīng)器中同樣可以通過提高NO₃^--N濃度來提高同時(shí)硝化/反硝化速度，當(dāng)然，應(yīng)同時(shí)考慮到出水對(duì)NO₃^--N的要求。
　　④因?yàn)榉磻?yīng)前后污泥濃度變化不大，說明同化所需要NH4⁺-N的量可忽略不計(jì)，所以NH4⁺-N的變化可以認(rèn)為完全是硝化反應(yīng)造成的。NH4+-N的變化可以視作零級(jí)反應(yīng)，dCNH4+/dt=-3.9mg/(L.h)。
　　⑤由式（10）得：q=-Yp/(p.X).(dCNH₄+/dt)。將p=0.002/h、X=7539mg/L、Yp=2.3mgNO3^--N/mgMLSS代入得：q=0.59。說明衰減時(shí)有59%的微生物體接受NO3^--N作為電子受體。假定有機(jī)物降解時(shí)接受電子的比例相同，可知反硝利用了59%的總有機(jī)物量。

參考文獻(xiàn)

　　1　格雷迪?廢水生物處理理論與應(yīng)用?北京：中國建筑工業(yè)出版社，1989?

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　　作者通訊處：200092 上海市四平路1239號(hào)同濟(jì)大學(xué)環(huán)境工程學(xué)院?
　　電　話：(021)65984526(朱南文)?
　　(收稿日期 1998-12-29)