1、生物脫氮與同步硝化反硝化

在生物脫氮過(guò)程中，廢水中的氨氮首先被硝化菌在好氧條件下氧化為NO-X，然后NO-X在缺氧條件下被反硝化菌還原為N2(反硝化)。硝化和反硝化既可在活性污泥反應(yīng)器中進(jìn)行，又可在生物膜反應(yīng)器中進(jìn)行，目前應(yīng)用最多的還是活性污泥法。硝化菌和反硝化菌處在同一活性污泥中，由于硝化菌的好氧和自養(yǎng)特性與反硝化菌的缺氧和異養(yǎng)特性明顯不同，脫氮過(guò)程通常需在兩個(gè)反應(yīng)器中獨(dú)立進(jìn)行(如Bardenpho、UCT、雙溝式氧化溝工藝等)或在一個(gè)反應(yīng)器中順次進(jìn)行(如SBR)。當(dāng)混合污泥進(jìn)入缺氧池(或處于缺氧狀態(tài))時(shí)，反硝化菌工作，硝化菌處于抑制狀態(tài)；當(dāng)混合污泥進(jìn)入好氧池(或處于好氧狀態(tài))時(shí)情況則相反。顯然，如果能在同一反應(yīng)器中使同一污泥中的兩類不同性質(zhì)的菌群(硝化菌和反硝化菌)同時(shí)工作，形成同步硝化反硝化(Simultaneous Nitrification Denitrification簡(jiǎn)稱SND)，則活性 污泥法的脫氮工藝將更加簡(jiǎn)化而效能卻大為提高。此外從工程的角度看，硝化和反硝化在兩個(gè)反應(yīng)器中獨(dú)立進(jìn)行或在同一個(gè)反應(yīng)器中順次進(jìn)行時(shí)，反硝化過(guò)程的產(chǎn)堿會(huì)導(dǎo)致OH-積累而引起PH值升高，將影響上述兩階段反應(yīng)過(guò)程的反應(yīng)速度，這在高氨氮廢水脫氮時(shí)表現(xiàn)得更為明顯。但對(duì)SND工藝而言，反硝化產(chǎn)生的OH-可就地中和硝化產(chǎn)生的H+，減少了PH值的波動(dòng)，從而使兩個(gè)生物反應(yīng)過(guò)程同時(shí)受益，提高了反應(yīng)效率。

2、實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化的途徑

由于硝化菌的好氧特性，有可能在曝氣池中實(shí)現(xiàn)SND。實(shí)際上，很早以前人們就發(fā)現(xiàn)了曝氣池中氮的非同化損失(其損失量隨控制條件的不同約在10%～20%左右)，對(duì)SND的研究也主要圍繞著氮的損失途徑來(lái)進(jìn)行，希望在不影響硝化效果的情況下提高曝氣池的脫氮效率。

①利用某些微生物種群在好氧條件下具有反硝化的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)SND。研究結(jié)果表明，Thiosphaera、Pseadonmonas nautica、Comamonossp.等微生物在好氧條件下可利用NOX-N進(jìn)行反硝化。如果將硝化菌和反硝化菌置于同一反應(yīng)器(曝氣池)內(nèi)混合培養(yǎng)，則可達(dá)到單個(gè)反應(yīng)器的同步硝化反硝化。盡管這些微生物的純培養(yǎng)結(jié)果令人滿意，但目前普遍認(rèn)為離實(shí)際應(yīng)用尚有距離，主要原因是實(shí)際污泥中這些菌群所占份額太小。

②利用好氧活性污泥絮體中的缺氧區(qū)來(lái)實(shí)現(xiàn)SND。通常曝氣池中的DO維持在1～2mg/L，活性污泥大小具有一定的尺度，由于擴(kuò)散梯度的存在，在污泥顆粒的內(nèi)部可能存在著一個(gè)缺氧區(qū)，從而形成有利于反硝化的微環(huán)境。以往對(duì)曝氣池中氮的損失主要以此解釋，并被廣泛接受。如果污泥顆粒內(nèi)部厭氧區(qū)增大，反硝化效率就相應(yīng)提高。

大量研究結(jié)果表明，活性污泥的SND主要是由污泥絮體內(nèi)部缺氧產(chǎn)生。要實(shí)現(xiàn)高效率的SND，關(guān)鍵是如何在曝氣條件下(不影響硝化效果)增大活性污泥顆粒內(nèi)部的缺氧區(qū)以實(shí)現(xiàn)反硝化。要達(dá)到這一目的，有兩種途徑可供選擇，即減小曝氣池內(nèi)混合液的DO濃度和提高活性污泥顆粒的尺度。

降低曝氣池的DO濃度，即減小了O2的擴(kuò)散推動(dòng)力，可在不改變污泥顆粒尺度的條件下在其內(nèi)部形成較大的缺氧區(qū)。丹麥BioBalance公司發(fā)明的SymBio工藝即建立在此理論基礎(chǔ)之上(曝氣池DO維持在1 mg/L以下)，但在低DO濃度下硝化菌的活性將會(huì)降低，且極易形成諸如Sphaeroticule natans/1701和H.Hydrossis之類的絲狀菌膨脹。因此，提高SND活性污泥顆粒的尺度，在不影響硝化效率的前提下達(dá)到高效的SND可能是最佳選擇。然而，由于曝氣池中氣泡的劇烈擾動(dòng)作用，活性污泥顆粒在曝氣條件下很難長(zhǎng)大，因此限制了活性污泥法SND效率的提高。

實(shí)現(xiàn)活性污泥法的高效同步硝化反硝化，必須在曝氣狀態(tài)下滿足以下兩個(gè)條件：

①入流中的碳源應(yīng)盡可能少地被好氧氧化；

②曝氣池內(nèi)應(yīng)維持較大尺度的活性污泥。

在連續(xù)流好氧條件下硝化發(fā)生在碳氧化之后，入流中的碳源被碳氧化或合成為細(xì)胞物質(zhì)，只有當(dāng)BOD濃度處于較低水平時(shí)硝化過(guò)程才開(kāi)始。此時(shí)，即使污泥尺度較大也能形成有利于反硝化的微環(huán)境，但外源碳已消耗殆盡，只能利用內(nèi)源碳進(jìn)行反硝化，而內(nèi)源水平反硝化的反應(yīng)速率小，因此SND效率就低。在非連續(xù)條件下微生物的代謝模式則截然不同，入流中的碳源可在很短的時(shí)間內(nèi)被微生物大量吸收，并以聚合物或原始基質(zhì)的形態(tài)儲(chǔ)藏于體內(nèi)，從而使曝氣池中的碳源濃度迅速降低，為硝化創(chuàng)造良好條件。如果顆粒污泥較大，形成有利于反硝化的微環(huán)境，則微生物可利用預(yù)先儲(chǔ)存的基質(zhì)進(jìn)行反硝化。由于反硝化處在基質(zhì)水平，反硝化的速度快，SND效率就高。

3、好氧顆粒污泥的培養(yǎng)

活性污泥工藝的運(yùn)行好壞主要依賴于反應(yīng)器中形成污泥的質(zhì)量。最新研究結(jié)果表明，在活性污泥反應(yīng)器中創(chuàng)造一定條件可培養(yǎng)出高活性的SND顆粒污泥，其顆粒尺度在500μm左右，具有良好的沉淀性能和較高的SND速率。

根據(jù)目前普遍接受的污泥絮體理論及在曝氣池中通常觀測(cè)到的污泥顆粒大小(約為100μm )可知，在某些特定條件下污泥顆粒的緊密層可進(jìn)一步增大，進(jìn)而形成SND顆粒污泥。另有研究結(jié)果表明，在反硝化條件下活性污泥絮體能形成性能優(yōu)良的顆粒污泥。

以往認(rèn)為在曝氣池中由于水流紊動(dòng)劇烈、剪切力較大，污泥顆粒尺度在達(dá)到100μm后就很難增大了。采用微氧電極對(duì)DO在顆粒內(nèi)部擴(kuò)散的研究結(jié)果表明，當(dāng)DO為1～2 mg/L時(shí)，O2在污泥顆粒內(nèi)的擴(kuò)散深度約為100μm，因此在單純的碳氧化曝氣池中的污泥尺度若再增大，內(nèi)部將進(jìn)入?yún)捬鯛顟B(tài)。目前對(duì)如何在曝氣池中提高活性污泥尺度的研究報(bào)道還較少，最近Morgenroth采用厭氧顆粒污泥培養(yǎng)中的水力篩分法，以碳源為基質(zhì)在USB反應(yīng)器內(nèi)培養(yǎng)出好氧顆粒污泥，其顆粒尺度可達(dá)1～3 mm，具有優(yōu)良的沉淀性能。但由于曝氣池中O2的供給是限制因素，當(dāng)顆粒變大后其平均活性并不高(內(nèi)部大量污泥處于厭氧狀態(tài))，且隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，污泥活性可能進(jìn)一步退化。

在SBR系統(tǒng)中采用縮短沉降時(shí)間可截留住那些具有較高沉速的生物顆粒，培養(yǎng)出的顆粒污泥可達(dá)3.3 mm(也有僅為0.3～0.5 mm的)，其中幾乎不含絲狀菌，全部由細(xì)菌組成。顆?；皇怯晌⑸锓N類決定的，而是與操作條件有關(guān)，曝氣池中的攪動(dòng)強(qiáng)度或混合程度及曝氣產(chǎn)生的剪切力對(duì)顆粒污泥的形成都有較大影響。好氧顆粒污泥的形成機(jī)制目前還不完全清楚。在SBR反應(yīng)器中，DO保持在0.7～1.0 mg/L時(shí)運(yùn)行一個(gè)月可基本完成顆?；褻OD、NH3-N、TN去除率高達(dá)95%、95%、60%，顆粒中無(wú)絲狀菌，SVI為80～100 mL/ g，SS為4～4.5 g/L。好氧顆粒污泥在顯微鏡和曝氣狀態(tài)下都可觀察到，其活性即使在DO<1mg/L時(shí)也很高，有機(jī)物和氨氮負(fù)荷可達(dá)1.5kgCOD/(m3?d)和0.18kgNH3-N/(m3?d)。

可形成好氧顆粒污泥的微生物不僅僅局限于甲烷菌，人們觀察到酸化菌、硝化菌、反硝化菌及好氧異養(yǎng)菌也能形成顆粒污泥。好氧顆粒污泥主要由桿菌組成，無(wú)絲狀菌。這些都是在連 續(xù)運(yùn)行操作中發(fā)現(xiàn)的，目前在SBR系統(tǒng)中也有發(fā)現(xiàn)(由于顆粒污泥的快速沉降還可有效縮短沉降時(shí)間)。