好氧顆粒污泥同步硝化反硝化研究進(jìn)展

好氧顆粒污泥同步硝化反硝化研究進(jìn)展

氮是水體富營養(yǎng)化和污染的重要污染。氮和磷的排放越來越受到重視。高效脫氮除磷工作的研究越來越重要。根據(jù)傳統(tǒng)的脫氮理論:氨氮的去除是通過硝化和反硝化兩個(gè)獨(dú)立過程實(shí)現(xiàn)的,由于對(duì)環(huán)境的要求不同,兩過程不能同時(shí)發(fā)生?，F(xiàn)行的生物脫氮工藝是把硝化和反硝化作為兩個(gè)獨(dú)立的階段分別安排在不同的反應(yīng)器中(空間上)或者利用間歇的好氧和厭氧條件(時(shí)間上)實(shí)現(xiàn)氮的去除,往往造成系統(tǒng)復(fù)雜,能耗較大,且運(yùn)行管理不便。在同一處理系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化過程,硝化反應(yīng)的產(chǎn)物可直接成為反硝化反應(yīng)的底物,避免了硝化過程中NO3-的積累對(duì)硝化反應(yīng)的抑制,加速了硝化反應(yīng)的速度;而且,反硝化反應(yīng)中所釋放出的堿度可部分補(bǔ)償硝化反應(yīng)所消耗的堿,能使系統(tǒng)中的pH值相對(duì)穩(wěn)定;另外,硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)可在相同的條件和系統(tǒng)下進(jìn)行,簡化了操作的難度。實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化并達(dá)到兩過程的動(dòng)力學(xué)平衡,將大大簡化生物脫氮工藝并提高脫氮效率,從而節(jié)省投資、提高處理效率。因此,近年來國內(nèi)外對(duì)同步硝化反硝化(simultaneousnitrificationanddenitrification簡稱SND)生物脫氮開展了深入的研究。本文將結(jié)合近年來國內(nèi)外最新研究成果,從宏觀環(huán)境、微觀環(huán)境和微生物學(xué)角度對(duì)同步硝化反硝化形成機(jī)理加以綜述。1實(shí)現(xiàn)單硝化反硝化的機(jī)理1.1宏觀環(huán)境的影響很早以前,在那些沒有明顯的缺氧及厭氧段的活性污泥工藝中,人們就多次觀察到曝氣系統(tǒng)中的氮的非同化損失,其損失量隨控制條件的不同約在10%～20%左右。一般而論,即使在好氧條件為主的活性污泥系統(tǒng)中,特別是采用點(diǎn)源性曝氣裝置或曝氣不均勻時(shí),往往會(huì)出現(xiàn)較大范圍的局部缺氧的環(huán)境,此為生物反應(yīng)器的大環(huán)境,即宏觀環(huán)境。例如:在生物膜反應(yīng)器中,由于基質(zhì)濃度和膜厚變化的影響,形成膜內(nèi)的缺氧區(qū),其他如RBC、SBR反應(yīng)器及氧化溝等也存在類似的現(xiàn)象。事實(shí)上,在生產(chǎn)規(guī)模的生物反應(yīng)器中,完全均勻的混合狀態(tài)并不存在,因此在曝氣階段出現(xiàn)某種程度的反硝化即同步硝化反硝化的現(xiàn)象是完全可能的。1.2好氧顆粒污泥微環(huán)境理論是從物理學(xué)角度對(duì)同步硝化反硝化現(xiàn)象進(jìn)行解釋,該理論考慮活性污泥和生物膜的微環(huán)境中各種生態(tài)因子(如溶解氧、有機(jī)物及其它營養(yǎng)物質(zhì))的傳遞與變化(如圖1所示),各類微生物的代謝活動(dòng)及其相互關(guān)系,以及微環(huán)境的物理、化學(xué)和生物條件或狀態(tài)的變化。微環(huán)境理論認(rèn)為:由于氧擴(kuò)散的限制,在微生物絮體或者生物膜內(nèi)產(chǎn)生溶解氧梯度,即微生物絮體或生物膜的外表面溶解氧濃度高,以好氧硝化菌及氨化菌為主,深入絮體內(nèi)部,氧傳遞受阻及外部氧的大量消耗,產(chǎn)生缺氧區(qū),反硝化菌占優(yōu),從而形成有利于實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化的微環(huán)境。目前,此種理論解釋同步生物脫氮現(xiàn)象已被廣泛接受。具有一定大小尺寸(大于100μm)的顆粒污泥,特別是好氧顆粒污泥,由于氧擴(kuò)散的限制,其內(nèi)部也能形成缺氧或厭氧區(qū),同樣具有實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化的微觀環(huán)境。利用好氧顆粒污泥進(jìn)行生物脫氮的優(yōu)勢在于:顆粒污泥具有的良好活性以及沉降性能,可維持生物反應(yīng)器內(nèi)較高的生物相濃度,從而提高生物脫氮的效率;與利用載體固定微生物方法比較,好氧顆粒污泥天然的生物層分布確保了最佳的生物反應(yīng)效率,保證了高效的生物脫氮。近幾年,借鑒厭氧顆粒污泥培養(yǎng)的成功經(jīng)驗(yàn),利用水力篩分的方法,國內(nèi)外均有在SBR中培養(yǎng)出好氧顆粒污泥的報(bào)道。研究結(jié)果表明:在SBR反應(yīng)器中,NH3-N、TN的去除率高達(dá)95%和60%,氨氮負(fù)荷約0.18kgNH3-N(m3·d)。但是,研究好氧顆粒污泥實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化的報(bào)道還很少,目前尚處于探索階段。1.3好氧反硝化菌通常硝化細(xì)菌是自養(yǎng)型好氧微生物,依靠NH4+-N和NO2--N的氧化獲得能量生長,需要O2作為呼吸的最終電子受體。20世紀(jì)80年代以來,生物科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)許多微生物如熒光假單胞菌(Pseudomonasflurescens)、糞產(chǎn)堿菌(Alcaligenesfacealis)、銅綠假單胞菌(Pseudomonasaeruginos)等都可以對(duì)有機(jī)或無機(jī)氮化合物進(jìn)行異養(yǎng)硝化。與自養(yǎng)型硝化菌相比較,異養(yǎng)型硝化菌的生長速率快、細(xì)胞產(chǎn)量高;要求的溶解氧濃度低;能忍受更酸性的生長環(huán)境。反硝化一般是反硝化細(xì)菌在缺氧和低溶解氧條件下利用有機(jī)物的氧化作為能量來源,以NO3-和NO2-作為無氧呼吸時(shí)的電子受體而實(shí)現(xiàn)的。國內(nèi)外大量文獻(xiàn)報(bào)道在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行硝化細(xì)菌純培養(yǎng)和混合培養(yǎng)以及處理垃圾滲濾液的研究中均發(fā)現(xiàn)了好氧反硝化現(xiàn)象的存在。目前已知的好氧反硝化菌有Pseudomonasspp.,Alcaligenesfacealis,Thiosphaerapantotropha等。好氧反硝化細(xì)菌和異養(yǎng)硝化細(xì)菌的發(fā)現(xiàn),打破了傳統(tǒng)理論認(rèn)為的硝化反應(yīng)只能由自養(yǎng)細(xì)菌完成和反硝化只能在厭氧條件下進(jìn)行的觀點(diǎn)。Robertson等還提出了好氧反硝化和異養(yǎng)硝化的工作模型,如圖2所示。Thiosphaerapantotropha以及其他好氧反硝化菌利用硝酸鹽/亞硝酸鹽的呼吸作用(好氧反硝化)、氨氧化(異氧硝化)以及最后一步中聚β羥丁酸(PHB)的形成作為過量還原能量的轉(zhuǎn)換。同時(shí),指出好氧反硝化和異養(yǎng)硝化的反應(yīng)速率隨溶解氧濃度的增加而減小。Kuenen及Robertson等發(fā)現(xiàn),許多異養(yǎng)硝化菌能進(jìn)行好氧反硝化反應(yīng),在產(chǎn)生NO3-和NO2-的過程中將這些產(chǎn)物還原,即直接將NH4+-N轉(zhuǎn)化為最終氣態(tài)產(chǎn)物而去除。因此,從微生物學(xué)角度來看同步硝化反硝化生物脫氮是可能的。2生化強(qiáng)化技術(shù)研究同步硝化反硝化技術(shù)的產(chǎn)生為今后污水處理降低投資并簡化生物脫氮過程提供了可能性,在荷蘭、德國已有利用同步硝化反硝化脫氮工藝的污水處理工廠在運(yùn)行。目前同步硝化反硝化的研究主要是在其形成機(jī)理上,今后在以下方面還值得作進(jìn)一步深入的研究:(1)好氧顆粒污泥具有同步硝化反硝化的微觀環(huán)境,可對(duì)其形成機(jī)理、微生物學(xué)特性、脫氮性能等方面加以研究;(2)研究發(fā)現(xiàn)兼性反硝化菌具有很強(qiáng)的生物攝放磷能力,如何將脫氮除磷有機(jī)的結(jié)合起來,探索一種可持續(xù)城市污水生物處理技術(shù)正成為研究熱點(diǎn);(3)同步硝化反硝化中將硝化過程控制在亞硝化階段能節(jié)省大量的能源,如何調(diào)控反應(yīng)條件保持持久穩(wěn)定的亞硝酸積累也是近期研究的難點(diǎn)。針對(duì)該理論,國內(nèi)外研究人員利用固定化微生物技術(shù)對(duì)生物脫氮過程加以強(qiáng)化。最初,DosSantos等以海藻酸鈉和K角叉菜膠為載體分層包埋硝化菌和反硝化菌,該法類似于傳統(tǒng)先硝化后反硝化脫氮工藝。在好氧條件下,該工藝連續(xù)運(yùn)行時(shí)氮的去除率高達(dá)5.1mmolN(m3·s)。Uemoto等對(duì)混合包埋的硝化菌和反硝化菌的研究發(fā)現(xiàn),運(yùn)行一段時(shí)間后在載體內(nèi)會(huì)自然形成硝化菌集