短程硝化反硝化技术详解

短程硝化反硝化技术详解

一、核心概念：什么是“短程”？

 

在传统生物脱氮过程中，含氮有机物（如蛋白质、尿素）的去除需要经历一个完整的、漫长的两步转化路径：

1. 硝化作用 (Nitrification)：在好氧条件下进行。

第1步：氨氧化 (AOB)：氨氮（NH??-N）在氨氧化菌（AOB） 的作用下被氧化成亚硝酸盐氮（NO??-N）。

第2步：亚硝酸盐氧化 (NOB)：亚硝酸盐氮（NO??-N）在亚硝酸盐氧化菌（NOB） 的作用下进一步氧化成硝酸盐氮（NO??-N）。

2. 反硝化作用 (Denitrification)：在缺氧条件下进行。

硝酸盐氮（NO??-N）被反硝化菌 逐步还原成氮气（N?），释放到大气中。这个过程从NO?? → NO?? → NO → N?O → N?。

     而短程硝化反硝化的“短程”之处在于： 它巧妙地将硝化过程控制在第一步（NH?? → NO??）后即停止，随后直接对积累的亚硝酸盐（NO??）进行反硝化（NO??→ N?）。它“绕过”了将亚硝酸盐全部氧化为硝酸盐（NO??）的步骤，以及反硝化时从硝酸盐还原为亚硝酸盐的步骤。

路径对比：

传统全程路径：NH?? → NO?? → NO?? → NO?? → NO → N?O → N?

短程路径：NH?? → (NO??) → NO → N?O → N?

 

 

二、技术原理

实现短程硝化反硝化的核心和难点在于：如何抑制亚硝酸盐氧化菌（NOB）的活性，同时富集氨氧化菌（AOB），从而稳定地使亚硝酸盐（NO??）积累，而不被进一步氧化成硝酸盐（NO??）。主要控制策略如下：

1. 温度控制 (Temperature Control)

     原理：AOB的最适生长温度通常在30-35℃以上，而NOB的最适温度在25-30℃。当温度较高时（通常 > 25℃），AOB的生长速率会超过NOB；当温度达到30-35℃甚至更高时，NOB的活性会受到显著抑制。

    应用：该技术最初便在高温废水中（如污泥消化液、焦化废水）自然实现，并得到了广泛应用。

2. pH值控制 (pH Control)

     原理：AOB和NOB的最适pH值不同。AOB的最适pH范围较宽（7.0-8.5），而NOB的最适pH范围较窄（6.0-7.5），且当pH < 6.5时，NOB的活性会受到严重抑制。同时，游离氨（FA）对NOB的抑制强度也受pH影响（FA浓度随pH升高而增加）。

     应用：通过控制反应器内pH在7.5-8.5之间，可以有效地抑制NOB，同时促进AOB。

3. 游离氨（FA）抑制 (Free Ammonia Inhibition)

原理：游离氨（NH?）对NOB的抑制浓度（0.1-1.0 mg/L）远低于对AOB的抑制浓度（10-150 mg/L）。通过维持反应器内一定浓度的氨氮，使其产生的FA足以抑制NOB，但又不影响AOB。

    应用：在处理高氨氮废水时，短程硝化更容易实现。

4. 溶解氧（DO）控制 (Dissolved Oxygen Control)

    原理：AOB对氧的亲和力通常高于NOB（即在低氧条件下，AOB的氧利用效率比NOB高）。通过控制低溶解氧浓度（通常为0.5-1.0 mg/L），可以造成NOB的“氧饥饿”，从而抑制其活性，而AOB仍能正常工作进行氨氧化。

    应用：这是最常用且节能的控制策略之一，通过精确的曝气控制即可实现。

5. 污泥龄（SRT）控制 (Sludge Retention Time Control)

    原理：AOB的世代时间（~1天）通常比NOB（~2天）短。通过控制系统的污泥龄介于AOB和NOB的世代时间之间（例如，1天 < SRT < 2天），可以将生长缓慢的NOB从系统中“洗出”（wash-out），而保留生长较快的AOB。

    应用：在膜生物反应器（MBR）或具有良好污泥龄控制能力的系统中效果较好。

在实际工程中，通常采用上述多种因素的组合策略来实现稳定、可靠的短程硝化。

三、显著优势：为何它是“低碳”技术？

与传统全程硝化反硝化相比，短程工艺在节能降耗、减少碳排放方面优势突出：

1. 节省曝气量达25%：硝化1kg氨氮至亚硝酸盐，相比硝化至硝酸盐，可减少25%的氧气消耗。曝气是污水处理厂最大的能耗单元，此举直接大幅降低运行电耗和间接碳排放。

2. 节省有机碳源高达40%：反硝化1kg亚硝酸盐氮至氮气，相比反硝化硝酸盐氮，可减少40%的有机碳源（如甲醇、乙酸等）需求。这不仅降低了药剂成本，也避免了因生产、运输这些外加碳源而产生的间接碳排放。对于低碳氮比（C/N）废水，此优势尤为关键。

3. 减少污泥产量：亚硝酸盐途径的污泥产率低于硝酸盐途径，减少了后续污泥处理的压力和碳排放。

4. 缩短反应时间，提高效率：反应路径缩短，理论上反应速率更快，可减少反应器容积，或在同等容积下提高处理能力。

四、应用与挑战

1. 典型应用：

 （1）高氨氮低碳源废水：如污泥消化液、垃圾渗滤液、焦化废水、养殖废水等。这是其最成熟、最经济的应用场景。

（2）与厌氧氨氧化（ANAMMOX）联用：短程硝化（将一部分NH??氧化为NO??）是为厌氧氨氧化工艺提供所需基质（NH??和NO??）的关键前置步骤，二者结合组成极其低碳的“部分硝化-厌氧氨氧化（PN/A）”工艺。

（3）主要挑战：

    稳定性控制：维持稳定的亚硝酸盐积累是最大挑战。水质、水量、温度的波动都可能导致NOB重新活跃，打破短程平衡，使系统退回到全程硝化。需要精细化的实时在线监测和智能控制系统（如基于pH、DO的模糊控制）。

  · 启动时间较长：富集AOB、抑制NOB需要一定时间。

  · 适用范围：在低温（<15℃）或低氨氮浓度的市政污水中，实现和维持短程硝化的难度较大。

总结

     短程硝化反硝化是一种通过精准的生化过程控制，显著降低污水处理能耗和物耗的革新性技术。它完美诠释了“以过程控制实现节能降碳”的低碳污水治理理念，是污水处理行业迈向能源中和与资源回收的重要技术阶梯之一。尽管存在控制复杂的挑战，但随着智能控制技术的发展，其应用前景十分广阔。