根據(jù)傳統(tǒng)生物脫氮理論，脫氮途徑一般包括硝化和反硝化兩個階段，硝化和反硝化兩個過程需要在兩個隔離的反應器中進行，或者在時間或空間上造成交替缺氧和好氧環(huán)境的同一個反應器中；實際上，較早的時期，在一些沒有明顯的缺氧及厭氧段的活性污泥工藝中，人們就層多次觀察到氮的非同化損失現(xiàn)象，在曝氣系統(tǒng)中也曾多次觀察到氮的消失。在這些處理系統(tǒng)中，硝化和反硝化反應往往發(fā)生在同樣的處理條件及同一處理空間內(nèi)，因此，這些現(xiàn)象被稱為同步硝化/反硝化（SND）。
一、同步硝化反硝化的優(yōu)點
對于各種處理工藝中出現(xiàn)的SND現(xiàn)象已有大量的報道，包括生物轉盤、連續(xù)流反應器以及序批示SBR反應器等等。與傳統(tǒng)硝化-反硝化處理工藝比較，SND具有以下的一些優(yōu)點： 1、 能有效地保持反應器中pH穩(wěn)定，減少或取消堿度的投加； 2、減少傳統(tǒng)反應器的容積，節(jié)省基建費用； 3、 對于僅由一個反應池組成的序批示反應器來講，SND能夠降低實現(xiàn)硝化-反硝化所需的時間； 4、 曝氣量的節(jié)省，能夠進一步降低能耗。 因此SND系統(tǒng)提供了今后降低投資并簡化生物除氮技術的可能性。
生物反應器中的溶解氧DO主要是通過曝氣設備的充氧而獲得，無論何種曝氣裝置都無法使反應內(nèi)氧氣在污水中充分混勻。最終形成反應器內(nèi)部不同區(qū)域缺氧和好氧段，分別為反硝化菌和硝化菌的作用提供了優(yōu)勢環(huán)境，造成了事實上硝化和反硝化作用的同時進行。除了反應器不同空間上的溶氧不均外，反應器在不同時間點上的溶氧變化也可以導致同步硝化/反硝化現(xiàn)象的發(fā)生。Hyungseok Yoo 研究了SBR反應器在曝氣反應階段，反應器內(nèi)DO濃度歷經(jīng)減小后逐漸升高，并伴隨的同步硝化/反硝化現(xiàn)象。 缺氧微環(huán)境理論是目前已被普遍接受的一種機理，被認為是同步硝化/反硝化發(fā)生的主要原因之一。這一理論的基本觀點認為：在活性污泥的絮體中，從絮體表面至其內(nèi)核的不同層次上，由于氧傳遞的限制原因，氧的濃度分布是不均勻的，微生物絮體外表面氧的濃度較高，內(nèi)層濃度較低。在生物絮體顆粒尺寸足夠大的情況下，可以在菌膠團內(nèi)部形成缺氧區(qū)，在這種情況下，絮體外層好氧硝化菌占優(yōu)勢，主要進行硝化反應，內(nèi)層為異樣反硝化菌占優(yōu)勢，主要進行反硝化反應（如圖）。除了活性污泥絮凝體外，一定厚度的生物膜中同樣可存在溶氧梯度，使得生物膜內(nèi)層形成缺氧微環(huán)境。
傳統(tǒng)理論認為硝化反應只能由自養(yǎng)菌完成，反硝化只能在缺氧條件下進行，近年來，好氧反硝化菌和異樣硝化菌的存在已經(jīng)得到了證實。
實現(xiàn)SND的關鍵在于對硝化反硝化菌的培養(yǎng)和控制，目前國內(nèi)外研究認為對影響硝化反硝化菌的因素如下。 DO的影響對同步硝化反硝化至關重要，研究表明，通過控制DO濃度，使硝化速率與反硝化速率達到基本一致才能達到最佳效果。 有機碳源對整個同步硝化反硝化體系的影響尤為重要。研究表明，有機碳源含量低則反硝化滿足不了要求；有機碳源含量高則不利于氨氮去除。 微生物絮體結構不但影響生物絮體內(nèi)DO的擴散，而且影響碳源的分布，絮體結構大小、密實度適中才有利于同步硝化反硝化。研究表明，微生物絮體的同步硝化反硝化能力隨活性污泥絮體大小的增加而提高。 同步硝化反硝化值在7.5左右時最合適。硝化菌最適pH為8.0~8.4，而反硝化菌最適pH為6.5~8.0. 同步硝化反硝化溫度在10~20℃時最適。硝化菌在20~25℃時性能減退，亞硝化反之。25℃時亞硝化性能最高。25℃后，亞硝酸菌受游離氨的抑制明顯。
四、同步硝化反硝化主流工藝——MBBR
MBBR是結合懸浮生長的活性污泥法和附著生長的生物膜法的高效新型反應器，基本設計原理是將比重接近水、可懸浮于水中的懸浮填料直接投加到反應池中作為微生物的活性載體，懸浮填料能與污水頻繁多 次接觸，逐漸在填料表面生長出生物膜( 掛膜) ，強化了污染物、溶解氧和生物膜的傳質效果，即而 MBBR被稱為“移動的生物膜”?；谄馭ND機理研究，綜合微環(huán)境和生物學理論，MBBR生物膜內(nèi)SND可能存在的反應模式是，分布于生物膜好氧層的好氧氨氧化菌、亞硝酸鹽氧化菌和好氧反硝化細菌與分布于生物缺氧層的厭氧氨氧化菌、自養(yǎng)型亞硝酸細菌和反硝化細菌相互協(xié)作，最終達到脫氮目的。 MBBR是依靠曝氣池內(nèi)的曝氣和水流的提升作用使載體處于流化狀態(tài)，進而形成懸浮生長的活性污泥和附著生長的生物膜，充分發(fā)揮附著相和懸浮相生物兩者的優(yōu)越性，不僅提供了宏觀和微觀的好 氧和厭氧環(huán)境，還解決了自養(yǎng)硝化菌、異養(yǎng)反硝化菌與異養(yǎng)細菌的DO之爭和碳源之爭。故MBBR可實現(xiàn)硝化和反硝化兩個過程的動力學平衡，具有同步硝化反硝化非常良好的條件，能實現(xiàn)MBBR同步硝化反硝化脫氮。
實現(xiàn) MBBR 同步硝化反硝化的關鍵技術是控制 MBBR 內(nèi)硝化和反硝化的反應動力學平衡，解決自養(yǎng)硝化菌和異養(yǎng)細菌的DO之爭及反硝化菌和異養(yǎng)細菌的碳源之爭等，故實現(xiàn)其主要控制因素有：碳氮比、溶解氧濃度、溫度和酸堿度等。 MBBR法的技術關鍵在于比重接近于水、輕微攪拌下易于隨水自由運動的生物填料。通常填料由聚乙烯塑料制成，每一個載體的外形為直徑10mm、高8mm的小圓柱體，圓柱體中有十字支撐，外壁有突出的豎條狀鰭翅，填料中空部分占整個體積的0.95，即在一個充滿水和填料的容器中，每一個填料中水占的體積為95%?？紤]到填料旋轉以及總容器容積，填料的填充比被定義為載體所占空問的比例，為了達到最好的混合效果，填料的填充比最大為0.7。理論上填料總的比表面積是按照每一單位體積生物載體比表面積的數(shù)量來定義的，一般為700m2/m3。當生物膜在載體內(nèi)部生長時，實際有效利用的比表面積約為500m2/m3。 此類型的生物填料有利于微生物在填料內(nèi)側附著生長，形成較穩(wěn)定的生物膜，并且容易形成流化狀態(tài)。當預處理要求較低或污水中含有大量纖維物質時，例如在市政污水處理中不采用初沉池或者在處理含有大量纖維的造紙廢水時，采用比表面積較小、尺寸較大的生物填料，當已有較好的預處理或用于硝化時，采用比表面積大的生物填料。 DO濃度是影響同步硝化一反硝化的一個主要的限制因素，通過對DO濃度的控制，可使生物膜的不同部位形成好氧區(qū)或缺氧區(qū)，這樣便具有了實現(xiàn)同步硝化一反硝化的物理條件。 從理論上講，當DO質量濃度過于高時，DO能穿透到生物膜內(nèi)部，使其內(nèi)部難以形成缺氧區(qū)，大量的氨氮被氧化為硝酸鹽和亞硝酸鹽，使得出水TN仍然很高；反之，如果DO濃度很低，就會造成生物膜內(nèi)部很大比例的厭氧區(qū)，生物膜反硝化能力增強(出水硝氮和亞硝氮濃度都很低)，但由于DO供應不足，MBBR工藝硝化效果下降，使得出水氨氮濃度上升，從而導致出水TN上升，影響最終的處理效果。 通過研究最終得出了MBBR法處理城市生活污水DO的一個最佳值：當DO質量濃度在2mg/L以上時，DO對MBBR硝化效果的影響不大，氨氮的去除率可達97%-99%，出水氨氮都能保持在1.0mg/L以下；DO質量濃度在1.0mg/L左右時，氨氮的去除率在84%左右，出水氨氮濃度有明顯上升。另外，曝氣池內(nèi)DO也不宜過高，溶解氧過高能夠導致有機污染物分解過快，從而使微生物缺乏營養(yǎng)，活性污泥易于老化，結構松散。此外，DO過高，過量耗能，在經(jīng)濟上也是不適宜的。 因為MBBR法主要是通過懸浮填料來實現(xiàn)最終的污水處理，所以DO對懸浮填料的影響也是影響整個處理結果的關鍵。有研究表明反應器的充氧能力在一定范圍內(nèi)隨著懸浮填料填充率的增大而增大。在曝氣的作用下，水隨填料一起流化，水流紊動程度較無填料時大，加速了氣液界面的更新和氧的轉移，使氧的轉移速率提高。隨著填料數(shù)量的增多，填料、氣流和水流三者之間的這種切割作用和紊動作用不斷加強。但加入填料量為60%時，填料在水中的流化效果變差，水體紊動程度也降低，使得氧的傳遞速率下降，氧的利用率降低。所以針對不同類型的水質，控制好DO的量對整個工藝最終的處理結果是至關重要的。 合適的水力停留時間(HRT)是確保凈化效果和工程投資經(jīng)濟性的重要控制因素。水力停留時間的長短將直接影響到水中有機物與生物膜的接觸時間，進而影響微生物對有機物的吸附和降解效率，所以針對不同的污水類型找出經(jīng)濟而合理的HRT是非常關鍵的問題之一。另外還有試驗結果表明：在中低氨氮負荷條件下，隨HRT的減少，氨氮填料表面負荷逐步升高，同時去除率維持原有水平或有一定增長；當氨氮負荷升至高水平后，隨著HRT的減少，氨氮去除率逐步降低。這些針對HRT的實驗研究結果為今后MBBR法的推廣應用奠定了基礎，但同時也有許多需要改進之處，比如試驗只是單純的考慮HRT本身的影響，沒有把其他因素與HRT的關系有機的結合起來，在研究中將HRT和其他因素有機的結合起來進行探討，不僅找到實驗最重要的影響因素，同時實驗過程中各因素之間的相互影響、相互制約關系也得到了很好地體現(xiàn)。所以針對影響因素的研究我們需要更全面更綜合的考慮。 在影響微生物生理活動的各項因素中，溫度的作用非常重要。溫度適宜，能夠促進、強化微生物的生理活動；溫度不適宜，能夠減弱甚至破壞微生物的生理活動。溫度不適宜還能夠導致微生物形態(tài)和生理特性的改變，甚至可能使微生物死亡。而微生物的最適溫度是指在這一溫度條件下，微生物的生理活動強勁、旺盛，表現(xiàn)在增殖方面則是裂殖速度快、世代時間短。 MBBR法主要是通過生物膜中各種類型微生物的新陳代謝來達到對污水中有機污染物的降解，所以生物膜生長的好壞將直接關系到廢水處理的最終結果，尤其對于硝化菌、反硝化菌而言，它們的生長周期長，且對環(huán)境的變化非常敏感，硝化菌的適宜溫度是20℃-30℃，反硝化菌的適宜溫度是20℃-40℃，溫度低于15℃時，這兩類細菌的活性均降低，5~C是完全停止，所以溫度的變化將直接影響這類細菌的生長。相關實驗結果表明，氨氮填料表面負荷的變化基本與水溫的變化趨勢一致。水溫低時填料表面負荷低，水溫高時填料表面負荷約達到水溫低時的15倍。由此可見，硝化細菌受溫度影響大，低溫條件下活性較弱。 微生物的生理活動與環(huán)境的酸堿度密切相關，只有在適宜的酸堿度條件下，微生物才能進行正常的生理活動。pH值過大的偏離適宜數(shù)值，微生物的酶系統(tǒng)的催化功能就會減弱，甚至消失。不同種屬的微生物生理活動適應的pH值，都有一定的范圍，在這一范圍內(nèi)，還可分為最低pH值、最適pH值和最高pH值。在最低或最高的pH環(huán)境中，微生物雖然能夠成活，但生理活動微弱，易于死亡，增殖速率大為降低。 參與污水生物處理的微生物，一般最佳的pH值范圍，介于6.5-8.5之間。MBBR法作為生物膜法與活性污泥法相結合的工藝，同樣依賴于微生物的生長以達到有機物降解的目的。所以保持微生物最佳pH范圍是取得良好污水處理效果的必要條件，當污水(特別是工業(yè)廢水)的pH值變化較大時，需要考慮設調(diào)節(jié)池，使污水的pH值調(diào)節(jié)到適宜范圍后再進行曝氣。 根據(jù)每一個具體試驗條件的不同，還會有許多不同的影響因素。如氣水比一般控制在(3～4)，這樣的氣量能使反應器中的填料均勻地循環(huán)轉動起來；濁度也需要控制在一定范圍內(nèi)，相關研究結果表明：濁度大使得某些懸浮物容易覆蓋在生物膜的表面，阻礙生物氧化作用的進行，導致處理效率大幅下降，同時還容易造成填料堵塞，另外整個實驗對進水濁度和出水濁度進行了檢測，進水濁度為17.6-160NTU，出水濁度為18.1-142NTU，結果發(fā)現(xiàn)中試裝置對濁度基本沒有去除效果，出水濁度隨著進水濁度的變化而變化，所以我們需要嚴格控制好進水濁度的量；COD容積負荷對去除率也有很大的影響，研究表明COD容積負荷為0.48-2.93kg/(m3•d)的范圍內(nèi)對COD的去除率基本穩(wěn)定在60%-80%。 在相同的水力停留時間下COD的去除率隨負荷呈正比增加趨勢，這是因為當進水COD濃度較低時微生物降解有機物的速率也較小，其降解能力不能充分發(fā)揮，當進水COD濃度增大時促進了生物膜微生物的生長，提高了降解速率，故對COD去除率得到了提高。以上各因素都會對污水處理造成不同程度的影響，此外還有營養(yǎng)物質、有毒物質等，如果這些物質過多的偏離微生物生長需要，就會對污水處理的最終結果產(chǎn)生影響。我們須根據(jù)具體的條件和要求來確定哪一個因素是主要影響MBBR法的最終結果。
