1、生物脱氮与同步硝化反硝化
在生物脱氮过程中，废水中的氨氮首先被硝化菌在好氧条件下氧化为NO-X，然后NO-X在缺氧条件下被反硝化菌还原为N2(反硝化)。硝化和反硝化既可在活性污泥反应器中进行，又可在生物膜反应器中进行，目前应用最多的还是活性污泥法。硝化菌和反硝化菌处在同一活性污泥中，由于硝化菌的好氧和自养特性与反硝化菌的缺氧和异养特性明显不同，脱氮过程通常需在两个反应器中独立进行(如Bardenpho、UCT、双沟式氧化沟工艺等)或在一个反应器中顺次进行(如SBR)。当混合污泥进入缺氧池(或处于缺氧状态)时，反硝化菌工作，硝化菌处于抑制状态；当混合污泥进入好氧池(或处于好氧状态)时情况则相反。显然，如果能在同一反应器中使同一污泥中的两类不同性质的菌群(硝化菌和反硝化菌)同时工作，形成同步硝化反硝化(Simultaneous Nitrification Denitrification简称SND)，则活性 污泥法的脱氮工艺将更加简化而效能却大为提高。此外从工程的角度看，硝化和反硝化在两个反应器中独立进行或在同一个反应器中顺次进行时，反硝化过程的产碱会导致OH-积累而引起PH值升高，将影响上述两阶段反应过程的反应速度，这在高氨氮废水脱氮时表现得更为明显。但对SND工艺而言，反硝化产生的OH-可就地中和硝化产生的H+，减少了PH值的波动，从而使两个生物反应过程同时受益，提高了反应效率。
2、实现同步硝化反硝化的途径
由于硝化菌的好氧特性，有可能在曝气池中实现SND。实际上，很早以前人们就发现了曝气池中氮的非同化损失(其损失量随控制条件的不同约在10%～20%左右)，对SND的研究也主要围绕着氮的损失途径来进行，希望在不影响硝化效果的情况下提高曝气池的脱氮效率。
①利用某些微生物种群在好氧条件下具有反硝化的特性来实现SND。研究结果表明，Thiosphaera、Pseadonmonas nautica、Comamonossp.等微生物在好氧条件下可利用NOX-N进行反硝化。如果将硝化菌和反硝化菌置于同一反应器(曝气池)内混合培养，则可达到单个反应器的同步硝化反硝化。尽管这些微生物的纯培养结果令人满意，但目前普遍认为离实际应用尚有距离，主要原因是实际污泥中这些菌群所占份额太小。
②利用好氧活性污泥絮体中的缺氧区来实现SND。通常曝气池中的DO维持在1～2mg/L，活性污泥大小具有一定的尺度，由于扩散梯度的存在，在污泥颗粒的内部可能存在着一个缺氧区，从而形成有利于反硝化的微环境。以往对曝气池中氮的损失主要以此解释，并被广泛接受。如果污泥颗粒内部厌氧区增大，反硝化效率就相应提高。
大量研究结果表明，活性污泥的SND主要是由污泥絮体内部缺氧产生。要实现高效率的SND，关键是如何在曝气条件下(不影响硝化效果)增大活性污泥颗粒内部的缺氧区以实现反硝化。要达到这一目的，有两种途径可供选择，即减小曝气池内混合液的DO浓度和提高活性污泥颗粒的尺度。
降低曝气池的DO浓度，即减小了O2的扩散推动力，可在不改变污泥颗粒尺度的条件下在其内部形成较大的缺氧区。丹麦BioBalance公司发明的SymBio工艺即建立在此理论基础之上(曝气池DO维持在1 mg/L以下)，但在低DO浓度下硝化菌的活性将会降低，且极易形成诸如Sphaeroticule natans/1701和H.Hydrossis之类的丝状菌膨胀。因此，提高SND活性污泥颗粒的尺度，在不影响硝化效率的前提下达到高效的SND可能是最佳选择。然而，由于曝气池中气泡的剧烈扰动作用，活性污泥颗粒在曝气条件下很难长大，因此限制了活性污泥法SND效率的提高。
实现活性污泥法的高效同步硝化反硝化，必须在曝气状态下满足以下两个条件：
①入流中的碳源应尽可能少地被好氧氧化；
②曝气池内应维持较大尺度的活性污泥。
在连续流好氧条件下硝化发生在碳氧化之后，入流中的碳源被碳氧化或合成为细胞物质，只有当BOD浓度处于较低水平时硝化过程才开始。此时，即使污泥尺度较大也能形成有利于反硝化的微环境，但外源碳已消耗殆尽，只能利用内源碳进行反硝化，而内源水平反硝化的反应速率小，因此SND效率就低。在非连续条件下微生物的代谢模式则截然不同，入流中的碳源可在很短的时间内被微生物大量吸收，并以聚合物或原始基质的形态储藏于体内，从而使曝气池中的碳源浓度迅速降低，为硝化创造良好条件。如果颗粒污泥较大，形成有利于反硝化的微环境，则微生物可利用预先储存的基质进行反硝化。由于反硝化处在基质水平，反硝化的速度快，SND效率就高。
3、好氧颗粒污泥的培养
活性污泥工艺的运行好坏主要依赖于反应器中形成污泥的质量。最新研究结果表明，在活性污泥反应器中创造一定条件可培养出高活性的SND颗粒污泥，其颗粒尺度在500μm左右，具有良好的沉淀性能和较高的SND速率。
根据目前普遍接受的污泥絮体理论及在曝气池中通常观测到的污泥颗粒大小(约为100μm )可知，在某些特定条件下污泥颗粒的紧密层可进一步增大，进而形成SND颗粒污泥。另有研究结果表明，在反硝化条件下活性污泥絮体能形成性能优良的颗粒污泥。
以往认为在曝气池中由于水流紊动剧烈、剪切力较大，污泥颗粒尺度在达到100μm后就很难增大了。采用微氧电极对DO在颗粒内部扩散的研究结果表明，当DO为1～2 mg/L时，O2在污泥颗粒内的扩散深度约为100μm，因此在单纯的碳氧化曝气池中的污泥尺度若再增大，内部将进入厌氧状态。目前对如何在曝气池中提高活性污泥尺度的研究报道还较少，最近Morgenroth采用厌氧颗粒污泥培养中的水力筛分法，以碳源为基质在USB反应器内培养出好氧颗粒污泥，其颗粒尺度可达1～3 mm，具有优良的沉淀性能。但由于曝气池中O2的供给是限制因素，当颗粒变大后其平均活性并不高(内部大量污泥处于厌氧状态)，且随着运行时间的延长，污泥活性可能进一步退化。
在SBR系统中采用缩短沉降时间可截留住那些具有较高沉速的生物颗粒，培养出的颗粒污泥可达3.3 mm(也有仅为0.3～0.5 mm的)，其中几乎不含丝状菌，全部由细菌组成。颗粒化不是由微生物种类决定的，而是与操作条件有关，曝气池中的搅动强度或混合程度及曝气产生的剪切力对颗粒污泥的形成都有较大影响。好氧颗粒污泥的形成机制目前还不完全清楚。在SBR反应器中，DO保持在0.7～1.0 mg/L时运行一个月可基本完成颗粒化，且COD、NH3-N、TN去除率高达95%、95%、60%，颗粒中无丝状菌，SVI为80～100 mL/ g，SS为4～4.5 g/L。好氧颗粒污泥在显微镜和曝气状态下都可观察到，其活性即使在DO＜1mg/L时也很高，有机物和氨氮负荷可达1.5kgCOD/(m3•d)和0.18kgNH3-N/(m3•d)。
可形成好氧颗粒污泥的微生物不仅仅局限于甲烷菌，人们观察到酸化菌、硝化菌、反硝化菌及好氧异养菌也能形成颗粒污泥。好氧颗粒污泥主要由杆菌组成，无丝状菌。这些都是在连 续运行操作中发现的，目前在SBR系统中也有发现(由于颗粒污泥的快速沉降还可有效缩短沉降时间)。
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