英语原文共 19 页
我与硝化
-一篇主观综述
Willi Gujer*,a,b,aSwiss Federal Institute of Aquatic Science and Technology, Eawag, 8600 Dubendorf,bInstitute of Environmental Engineering, ETH, 8093 Zurich, Switzerland
摘要：本文从作者的主观经验出发，探讨了硝化过程是如何成为当今许多污水处理过程(活性污泥、生物膜反应器)和河流自净过程的理解认识和建立数学模型相关发展的重要基础。硝化除了是保护接收水体的一个重要过程外，还可以作为一种手段，用来了解在一定环境条件下生长在已知基质上的一组狭义微生物的行为。在即将出现的可以广泛应用的微生物遗传技术之前，硝化作用是环境工程中研究最多的微生物过程。
关键词:硝化作用;活性污泥法;生物膜;自然净化;模型
1.介绍
硝化是我们如今对生物废水处理过程的理论认识发展过程中最重要的一个过程。它是在污水处理厂中的一个重要工艺，但是对这一工艺的研究有两个完全不同的方向。
为了保护接纳水体，我们将详细的阐述了关于如何建立硝化性能可靠的生物污水处理系统和理解接收水体中氮转化过程所需的工程信息。这里的目是充分利用硝化过程，以达到更好的水污染控制效果。
我们使用硝化过程来跟踪特定的、定义狭窄的微生物群在一个定义不明确的混合种群中的反应和性能。另外，我们还研究了特定化合物(铵)在复杂化学基质(废水)中的转化。在这一方面，硝化作用只是一个手段，通常是为了了解更多关于微生物和污染物的具体反应。
在这篇报告中，我试着分析这两个方面在过去几十年是如何演变的，特别是它们如何影响了我自己关于环境中生物工程和废水处理系统的这些方面的研究和看法。
同时在这次报告中，我并不打算对硝化反应进行过于仔细、详细、广泛和平衡的审查。当然了，如果读完这份报告，你可能会在很大程度上感受到我主观分析和经验的色彩。我认为回过头来思考，如果能试着理解这一领域的科学在过去几十年里是如何发展的，这样很可能会教会我们如何在未来取得成功。如果我能在这一方面做出贡献，我就已经达到了我的目标。
2.硝化 – 范式变革的催化剂
几十年来的经验比率，平均水力停留时间、容积负荷、有机负荷率(F/M)等经验比值一直是生物处理厂(滴滤池、活性污泥池)反应器规模确定的依据。从1950年代中期开始,受化学工程师、卫生工程师的影响人们开始基于系统质量平衡,转换过程和转换利率,动力学和化学计量学、反应器水力学等分析他们的反应系统。这种思考模式的变化允许和提升了生产工程师和自然科学家之间的交流。
硝化过程作为一种很容易识别和高效地服务于水污染控制的转化过程，是一个很受欢迎的范例，展示了新工艺的优点。30多年来，在硝化作用的帮助下，许多新概念被引入和首次展示。
这在很大程度上支持了当今人们对生物废水处理的理解和技术认识的发展。=
3.过去的硝化理论
在使用BOD、COD和有机碳等参数来判断污水处理系统的效率之前，污水处理中的二次出水是否经过高度硝化作用是污水处理良好的指标”(Gujer, 1974)。从接收水体的角度来看，最初硝化作用并不被认为是必要的一步，但是这一步却被认为是造成富营养化和有害物质的原因(Fair and Geyer, 1954)。显然，这里使用硝化活性来作为更好的替代物来判断污水处理过程的进展，而不是用来判断还原氮或氧化氮对接收水体的负荷。
Monod(1950)和Novick和Szilard(1950)对恒化器的介绍为理解和建立连续微生物培养系统的数学模型奠定了基础。Garrett(1958)似乎是第一个将微生物生长与活性污泥浪费率联系起来的作者;他意识到浪费率和一组微生物的冲刷效果之间有直接关系。在他的报告中，他写道:“每月总硝酸盐加硝酸氮盐的平均值在0.2到0.7 ppm之间。而这其中的主要成分并不是氧化氮，这可能是由于在曝气池条件下，固体物质的浪费速率比硝化微生物最大生长速率还要快。
英国水污染研究实验室(水污染研究，1964)的一个研究小组在了解活性污泥过程中的硝化作用方面取得了重大进展。他们在动力学概念和反应器技术的基础上，提出了硝化活性污泥装置设计的综合理论概念。Wuhrmann (1964)证实了这一概念，并将德语术语“Schlammalter”(污泥年龄)引入硝化剂冲洗的语境中。其他作者也报告了许多的硝化的经验研究，但都尚未整合到之后编写的理论方法中(见Balakrishnan和Eckenfelder, 1969)。
到1970年，在硝化活性污泥装置的建模和设计中，同义术语污泥停留时间(SRT)、平均细胞停留时间(MCRT)或污泥年龄(SA，其含义在第一次基于进入的固体的定义之后进行了修订)的使用已经是必不可少的一步(参见Lawrence和McCarty, 1970)，并成为现代卫生工程教育的一部分。到1975年，第一个完全动态的硝化模型问世(Lijklema, 1973年或Poduska和Andrews, 1975年)，其数据基于人工污水的实验工作中所得的数据。
在20世纪70年代早期，一些大型工厂研究并实现了脱氮的物理/化学处理方案。断点氯化、离子交换(在斜绿岩上)和氨气吹脱法(NH3)被认为是有竞争力的脱氮选项。对氨去除工艺的广泛研究表明，氨(和硝酸盐)已开始成为水污染控制中的一个重要问题。
1975年，美国环境保护署(USEPA)制定了当时相当先进的控制氮的设计手册，其中描述了当时的技术状况:复杂的处理方案，如三个污泥系统(高负荷活性污泥去除COD，独立的硝化系统和第三个用甲醇进行反硝化的系统)和相当复杂的物理化学过程都记录在这本手册中。该手册的导言说:“由于当时氮素控制技术的状况，本手册在五年前(1970年)不可能出版。这本手册的后续工作很有意思。USEPA(1993)出版了“1975年原版的增订本和订正本”。它指出，自第一本手册出版以来，氮控制技术的应用趋势在生物学过程中是压倒性的，只有少数几例物理/化学过程被实现了。
因此，当我在1971年作为一名年轻的博士研究生开始我的废水处理过程工程的职业生涯时，生物硝化的安全设计信息仍然缺乏。然而，它在整个20世纪70年代发展迅速。我自己的第一个贡献是在接触稳定化活性污泥法(Gujer和Jenkins,1975)中用于硝化的稳态模型。
4.硝化作用成为水污染治理的一项重要任务
作为一个年轻的卫生工程师,我被分配的任务是开发设计标准的扩展，使Werdhouml;lzli工厂可以将污水在瑞士联邦水资源与水污染控制研究所的试点工厂的帮助下(作者之一)直接从主下水道中送到处理厂。这个项目的挑战是我未来职业发展的一个重要意义。
5.活性污泥法中的硝化
5.1采样频率产生的影响
中型工厂和大型工厂的性能通常是基于24小时的复合样本进行监测。直到最近几年，才有了可靠的联机传感器投入使用用，这提供了更多的操作时间(以及可能的空间)。但在在20世纪70年代，当时几乎没有自动采样，所有的监测都是基于湿化学分析，因此很难获得高时间分辨率的数据。
上下文中的试点工厂扩展的污水处理厂Werdhouml;lzli在苏黎世施行了一个详细,然后非常昂贵的抽样程序，是关于2 h复合样品的入渗、获取样本的废水的生物反应器单个装运箱类型与部分硝化活性污泥法(图1)的。我们采样的是废水生物反应堆而不是工厂的废水(二次澄清器),在那里，浓度的波动会被液压衰减，这是非常有价值的样本区域。在早上的时间里，，在增加负荷后氨的立即突破显然说明了硝化是一种非常动态的现象这很难用静态模型来描述。这些结果让我进入了动态仿真领域，这也是我多年来研究的中心课题。
我的第一个动态模型(Gujer,1977)着重于活性污泥的硝化活性的预测。测试水体通过一些简单的完全混合模型使得数据中包含了全年每一个预测日的铵(NHthorn;4)、氨氮(NH3)和硝态氮(硝酸盐) 变化数据。
在1975年，当时我们需要开发一种FORTRAN代码来专门用于这个项目，并在瑞士联邦技术学院的主要框架上实现它的运行。在当时来说，这项工作需要我们数周的努力。而如今，使用先进的模拟工具，就可以在几个小时内提供类似的模型和程序。此外，系统分析工具(灵敏度、参数估计等)也可以支持和简化模型的开发和识别(Gujer, 2006)。
5.2“安全系数”的控制设计
Lawrence和McCarty(1970)在活性污泥装置的设计中引入了安全系数(SF)的概念，该概念将设计中选择的固相保持时间与该装置完全失效(相关生物体完全冲刷)时的固相保持时间联系起来。后来的研究表明(USEPA, 1975)，超过日峰值铵负荷除以日平均铵负荷(Lmax/Lavg)的比值选择SF是合理的。
图1 –为了测得曝气池的污水中氨浓度的日变化影响, 在苏黎世一个试验工厂运营了生物污水处理厂的设计Werdhouml;lzli。工厂污泥龄5.4 d，样品采集温度在138c左右，曝气池完全混合。改编自Gujer and Erni(1978)。
这在许多硝化活性污泥系统的设计过程中成为一个重要的参考因素。它使得在设计中可以考虑到许多具体的当地条件:日负荷变化、设计温度、预期的自吸性、污泥产量等。Werdhouml;lzli处理厂设计的组合实验和建模的结果产生了图2。这里SF定义为:
SF frac14; mmax$SRT
其中mmax为设计工况(温度、溶解氧、pH、抑制剂)下氨氧化剂的最大比生长速率，代表硝化种群的最大活性。SRT是COD、TSS、P设计负荷下的好氧固相滞留时间，与系统中硝化菌种群大小有关。
5.3长期和短期温度效应是基本等效的
活性污泥植物长期动态模拟的一个重要方面是微生物如何对短期(日变化)和长期(季节性)温度变化作出反应。我们在硝化微生物冲刷的不同温度下，利用试验植物解决了这个问题。硝化效率维持在50%左右，剩余污泥去除量根据日分析结果增加或减少。此外，还对不同温度(6和14℃)下生长的生物量在温度(小时)快速变化后的硝化活性进行了评价。由图3可知，生物量的长期最大生长率和短期活性均增加了0.11倍。在数学模型中，这只允许使用一种对硝化物质的温度依赖，而非温度变化的时间结构。
图2 -硝化效率的函数的设计安全系数（Werdhouml;lzli处理厂）。基于铵负荷日变化系数2(日峰值与平均负荷之比)。适用于冬季，8-12摄氏度。改编自Gujer(1977)。
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