利用好氧顆粒污泥實現同步硝化反硝化
1 生物脫氮與同步硝化反硝化
在生物脫氮過程中，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器中進行，又可在生物膜反應器中進行，目前應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特性與反硝化菌的缺氧和異養特性明顯不同，脫氮過程通常需在兩個反應器中獨立進行(如Bardenpho、UCT、雙溝式氧化溝工藝等)或在一個反應器中順次進行(如SBR)。當混合污泥進入缺氧池(或處于缺氧狀態)時，反硝化菌工作，硝化菌處于抑制狀態；當混合污泥進入好氧池(或處于好氧狀態)時情況則相反。顯然，如果能在同一反應器中使同一污泥中的兩類不同性質的菌群(硝化菌和反硝化菌)同時工作 ，形成同步硝化反硝化(Simultaneous Nitrification Denitrification簡稱SND)，則活性 污泥法的脫氮工藝將更加簡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 個反應器中獨立進行或在同一個反應器中順次進行時，硝化過程的產堿會導致OH-積累而引起pH值升高，將影響上述兩階段反應過程的反應速度，這在高氨氮廢水脫氮時表現得更為明顯。但對SND工藝而言，反硝化產生的OH-可就地中和硝化產生的H+，減少了pH值的波動，從而使兩個生物反應過程同時受益，提高了反應效率。
2 實現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現SND。實際上，很早以前人們就發現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SND的研究也 主 要圍繞著氮的損失途徑來進行，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實現SND。研究結果表明，Thiosphaera、Pseadonmonas nautica、Comamonossp.等微生物在好氧條件下可利用NOX-N進行反硝化。如果將硝化菌和反硝化菌置于同一反應器(曝氣池)內 混合培養，則可達到單個反應器的同步硝化反硝化。盡管這些微生物的純培養結果令人滿意，但目前普遍認為離實際應用尚有距離，主要原因是實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來實現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，由于擴散梯度的存在，在污泥顆粒的內部可能存在著一個缺氧區，從而形成有利于反硝化的微環境。以往對曝氣池中氮的損失主要以此解釋，并被廣泛接受。如果污泥顆粒內部厭氧區增大，反硝化效率就相應提高。
大量研究結果表明，活性污泥的SND主要是由污泥絮體內部缺氧產生。要實現高效率的SND，關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部的缺氧區以實現反硝化。要達到這一目的，有兩種途徑可供選擇，即減小曝氣池內混合液的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的擴散推動力，可在不改變污泥顆粒尺度的條件下在其內部形成較大的缺氧區。丹麥BioBalance公司發明的SymBio工藝即建立在此理論基礎之上(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作用，活性污泥顆粒在曝氣條件下很難長大，因此限制了活性污泥法SND效率的提高。
實現活性污泥法的高效同步硝化反硝化，必須在曝氣狀態下滿足以下兩個條件：
①入流中的碳源應盡可能少地被好氧氧化；
②曝氣池內應維持較大尺度的活性污泥。
在連續流好氧條件下硝化發生在碳氧化之后，入流中的碳源被碳氧化或合成為細胞物質，只有當BOD濃度處于較低水平時硝化過程才開始。此時，即使污泥尺度較大也能形成有利于反硝化的微環境，但外源碳已消耗殆盡，只能利用內源碳進行反硝化，而內源水平反硝化的反應速率小，因此SND效率就低。在非連續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間內被微生物大量吸收，并以聚合物或原始基質的形態儲藏于體內，從而使曝氣池中的碳源濃度迅速降低，為硝化創造良好條件。如果顆粒污泥較大，形成有利于反硝化的微環境，則微生物可利用預先儲存的基質進行反硝化。由于反硝化處在基質水平，反硝化的速度快，SND效率就高。
3 好氧顆粒污泥的培養
活性污泥工藝的運行好壞主要依賴于反應器中形成污泥的質量。最新研究結果表明，在活性污泥反應器中創造一定條件可培養出高活性的SND顆粒污泥，其顆粒尺度在500 μm左右，具有良好的沉淀性能和較高的SND速率。
根據目前普遍接受的污泥絮體理論及在曝氣池中通常觀測到的污泥顆粒大小(約為100 μm )可知，在某些特定條件下污泥顆粒的緊密層可進一步增大，進而形成SND顆粒污泥。另有研究結果表明，在反硝化條件下活性污泥絮體能形成性能優良的顆粒污泥。
以往認為在曝氣池中由于水流紊動劇烈、剪切力較大，污泥顆粒尺度在達到100μm后就很難增大了。采用微氧電極對DO在顆粒內部擴散的研究結果表明，當DO為1～2 mg/L時，O2在污泥顆粒內的擴散深度約為100μm，因此在單純的碳氧化曝氣池中的污泥尺度若再增大，內部將進入厭氧狀態。目前對如何在曝氣池中提高活性污泥尺度的研究報道還較少，最近Morgenroth采用厭氧顆粒污泥培養中的水力篩分法，以碳源為基質在USB反應器內培養出好氧顆粒污泥，其顆粒尺度可達1～3 mm，具有優良的沉淀性能。但由于曝氣池中O2的供給是限制因素，當顆粒變大后其平均活性并不高(內部大量污泥處于厭氧狀態)，且隨著運行時間的延長，污泥活性可能進一步退化。
在SBR系統中采用縮短沉降時間可截留住那些具有較高沉速的生物顆粒，培養出的顆粒污泥 可達3.3 mm(也有僅為0.3～0.5 mm的)，其中幾乎不含絲狀菌，全部由細菌組成。顆粒化不是由微生物種類決定的，而是與操作條件有關，曝氣池中的攪動強度或混合程度及曝氣產生 的剪切力對顆粒污泥的形成都有較大影響。好氧顆粒污泥的形成機制目前還不完全清楚。在SBR反應器中，DO保持在0.7～1.0 mg/L時運行一個月可基本完成顆粒化，且COD、NH3-N、TN去除率高達95%、95%、60%，顆粒中無絲狀菌，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下都可觀察到，其活性即使在DO＜1 mg/L時也很高，有機物和氨氮負荷可達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菌也能形成顆粒污泥。好氧顆粒污泥主要由桿菌組成，無絲狀菌。這些都是在連 續運行操作中發現的，目前在SBR系統中也有發現(由于顆粒污泥的快速沉降還可有效縮短沉降時間)。
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