污水生物脫氮技術(shù)的研究進(jìn)展

污水生物脫氮技術(shù)的研究進(jìn)展

氮素循環(huán)是地球上的一個(gè)重要物質(zhì)循環(huán)。對(duì)結(jié)果的破壞導(dǎo)致資源的積累，并損害整個(gè)生態(tài)環(huán)境。以工程手段強(qiáng)化硝化作用和反硝化作用是人類平衡氮素循環(huán),控制氮素污染的偉大創(chuàng)舉。在上個(gè)世紀(jì),人們以硝化作用和反硝化作用為基礎(chǔ),構(gòu)建了廢水生物脫氮的技術(shù)體系。近幾十年來(lái),氮素生物轉(zhuǎn)化理論的重大進(jìn)展又為廢水生物脫氮技術(shù)的創(chuàng)新提供了難得的機(jī)遇(鄭平等2004)。在我國(guó),湖泊和水庫(kù)如云南滇池、江蘇太湖、安徽巢湖等由于含氮化合物造成的水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象日趨嚴(yán)重,目前城市污水處理率僅有5%左右,且絕大多數(shù)不具備脫氮除磷的能力。因此探索適合我國(guó)國(guó)情且經(jīng)濟(jì)有效的脫氮工藝和方法,已成為亟待開展的研究課題(楊麒等2003)。1反硝化菌的分類生物脫氮包括兩部分:硝化作用和反硝化作用。硝化作用是指硝化菌將氨氮氧化成硝酸鹽氮的過(guò)程,這個(gè)過(guò)程必須在好氧條件下進(jìn)行。硝化菌為自養(yǎng)菌,它們以二氧化碳、碳酸鹽或者碳酸氫鹽作為碳源,通過(guò)氧化氨氮獲得能量。硝化過(guò)程可分為兩個(gè)階段,分別由亞硝酸菌和硝酸菌完成。第一步是由亞硝酸菌(Nitrosobacter)將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽,亞硝酸菌包括亞硝化單胞菌屬(Nitrosomonas)、亞硝化螺菌屬(Nitrosospira)、亞硝化球菌屬(Nitrosococcus)、亞硝化葉菌屬(Nitrosolobus)和亞硝化弧菌屬(Nitrosovibrio)等。第二步是由硝酸菌(Nitrobacter)將亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為硝酸鹽,包括硝化桿菌屬(Nitrobacter)、硝化刺菌屬(Nitrospina)、硝化球菌屬(Nitrococcus)和硝化螺菌屬(Nitrospira)等(布坎南等1984)。第一步:NH4++2O2→NO2-+2H2O(185kJ/molNH4+)第二步:2NO2-+O2→2NO3-(164kJ/molNO2-)傳統(tǒng)的硝化動(dòng)力學(xué)認(rèn)為,亞硝酸菌的比增長(zhǎng)速率小于硝酸菌的比增長(zhǎng)速率。所以,在穩(wěn)態(tài)條件下,亞硝酸鹽的累積量很少,第一步的速率限制了整個(gè)硝化過(guò)程。反硝化作用是指在缺氧條件下反硝化菌把硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氮?dú)馀懦觥Ｔ撧D(zhuǎn)化過(guò)程有許多的中間產(chǎn)物如HNO2、NO2和N2O。不像硝化細(xì)菌,反硝化細(xì)菌在分類學(xué)上沒有專門的類群,它們分散于原核生物的眾多屬中。大部分反硝化細(xì)菌是異養(yǎng)菌,例如脫氮小球菌、反硝化假單胞菌等少數(shù)反硝化細(xì)菌為自養(yǎng)菌,如脫氮硫桿菌。就所涉及的生物多樣性而言,沒有一種無(wú)機(jī)物的轉(zhuǎn)化能與反硝化作用相提并論。Ingraham(1981)指出有71個(gè)屬的細(xì)菌能進(jìn)行反硝化作用,它們?cè)谕寥乐泻茇S富,占細(xì)菌群落的40%~65%,細(xì)菌數(shù)高達(dá)108個(gè)/g土。到目前為止,尚未發(fā)現(xiàn)細(xì)菌以外的其它生命形式能夠進(jìn)行反硝化作用。根據(jù)傳統(tǒng)的生物脫氮理論開發(fā)的生物脫氮工藝有巴茨(Barth)開創(chuàng)的三級(jí)活性污泥法、缺氧-好氧活性污泥法脫氮系統(tǒng)(A/O法脫氮工藝)、氧化溝工藝和序批式反應(yīng)器等。2好氧反硝化菌的制備近年來(lái),生物脫氮技術(shù)在理論和工藝上有許多新發(fā)展和突破。許多研究表明:a.硝化反應(yīng)不僅由自養(yǎng)菌完成,某些異養(yǎng)菌也可以進(jìn)行硝化作用;b.反硝化不只在厭氧條件下進(jìn)行,某些細(xì)菌可在好氧或缺氧條件下完成反硝化;c.許多好氧反硝化菌同時(shí)也是異養(yǎng)硝化菌,并能把NH4+氧化成NO2-后,直接進(jìn)行反硝化反應(yīng)。目前,生物脫氮新技術(shù)主要有:短程硝化反硝化工藝(shortcutnitrificationdenitrification,Sharon),厭氧氨氧化(anaerobicammoniumoxidation,ANAMMOX),限氧自養(yǎng)型硝化反硝化(oxygenlimitedautotrophicnitrificationdenitrification,Oland)以及同步硝化反硝化工藝(simultaneousnitrificationdenitrification,SND)(程翔,2006)。2.1sharon工藝在生物處理技術(shù)中的應(yīng)用該工藝于1997年由荷蘭Delft工業(yè)大學(xué)提出并成功開發(fā)(J.J.Hellinga等1998)。該工藝采用完全攪拌槽式反應(yīng)器(CSTR),適合于處理高濃度含氮廢水(>0.5gN/L),其成功之處在于巧妙地利用了硝酸菌和亞硝酸菌的不同生長(zhǎng)速率,即在較高溫度下(30~40℃),硝酸菌的生長(zhǎng)速率明顯低于亞硝酸菌的生長(zhǎng)速率。因此通過(guò)控制溫度和水力停留時(shí)間(HRT)就可以自然淘汰硝酸菌,使反應(yīng)器中的亞硝酸菌占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。由于Sharon工藝只有氨氧化反應(yīng),沒有亞硝酸鹽氧化反應(yīng),耗氧量可比傳統(tǒng)硝化工藝降低25%,供氧設(shè)備也可相應(yīng)壓縮。Sharon工藝的還原反應(yīng)起始于亞硝酸鹽而不是硝酸鹽,甲醇消耗量可比傳統(tǒng)反硝化工藝節(jié)省40%,運(yùn)輸工具、貯存容器和投加設(shè)備也可相應(yīng)減少。因此,該工藝的經(jīng)濟(jì)性較好,既能節(jié)約基建投資,也能降低運(yùn)行費(fèi)用。2.2+、no3-或no2-轉(zhuǎn)變成dna的生物氧化過(guò)程該工藝于1990年荷蘭Delft工業(yè)大學(xué)Kluyer生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)。在厭氧條件下,微生物直接以NH4+為電子供體,以NO3-或NO2-為電子受體,將NH4+、NO3-或NO2-轉(zhuǎn)變成N2的生物氧化過(guò)程(A.A.A.Mulder等1995)(見圖1)。厭氧氨氧化過(guò)程不需要外加碳源,其微生物學(xué)性質(zhì)已被證實(shí),明顯區(qū)別于傳統(tǒng)的硝化反硝化脫氮過(guò)程,大大縮短了傳統(tǒng)的氮循環(huán)過(guò)程。ANAMMOX微生物的增長(zhǎng)率與產(chǎn)率非常低,但是氮的轉(zhuǎn)化率卻與傳統(tǒng)的好氧硝化相當(dāng)。反應(yīng)在10~43℃的溫度范圍內(nèi)具有活性,適宜的pH為6.7~8.3(L.Kuai等1998;S.M.Mike等1999)。厭氧氨氧化工藝可能的途徑見圖1(趙丹等2002)。2.3生物脫氮nf該工藝于1998年由比利時(shí)Ghent大學(xué)開發(fā)。工藝的關(guān)鍵在于控制供氧量,也是將氨氧化控制在亞硝酸階段,并以氨為電子供體亞硝酸根為電子受體實(shí)現(xiàn)自養(yǎng)同步脫氮。Kuai等(1998)指出,利用Oland工藝進(jìn)行生物脫氮,可比全程硝化-反硝化工藝耗氧量減少63%,并完全免用反硝化所需的有機(jī)物質(zhì)。目前,該工藝還停留在實(shí)驗(yàn)室探索階段,面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)是自養(yǎng)型亞硝酸細(xì)菌的活性較低,污泥氨氧化速率只有2mg/(g·d)。2.4同步硝化反硝化機(jī)理近年來(lái)國(guó)內(nèi)外有不少實(shí)驗(yàn)和報(bào)道都證明圖2生物絮體內(nèi)反應(yīng)區(qū)和基質(zhì)濃度分布示意圖存在有同步硝化反硝化現(xiàn)象,即在同一反應(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)工作實(shí)現(xiàn)脫氮的目的(白曉慧等2002)。目前,對(duì)這一現(xiàn)象的解釋通常有三種。a.宏觀環(huán)境理論。就宏觀環(huán)境而言,即使在好氧性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,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,導(dǎo)致了曝氣階段的氮的散失。其損失量隨控制條件的不同在10%~20%左右(楊麒等2004;李小明等2004)。b.物理學(xué)。目前普遍為人們所接受的觀點(diǎn)是物理學(xué)的解釋,又稱為微環(huán)境理論,即:由于氧擴(kuò)散的限制,在微生物絮體內(nèi)產(chǎn)生溶解氧梯度(圖2),由內(nèi)到外顆粒污泥可分為四層:缺氧區(qū)、好氧區(qū)、擴(kuò)散區(qū)和外界主體液相區(qū)。微生物絮體的外表面溶解氧較高,以好氧菌、硝化菌為主;深入絮體內(nèi)部,氧傳遞受阻即外部氧的大量消耗,產(chǎn)生缺氧區(qū),使反硝化菌占優(yōu)勢(shì),即發(fā)生同步硝化反硝化(王磊等2002)。c.微生物學(xué)。近年的研究對(duì)異養(yǎng)硝化細(xì)菌、好氧反硝化細(xì)菌以及厭氧氨氧化現(xiàn)象的發(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)(楊麒等2004)。根據(jù)同步硝化反硝化的機(jī)理,可以得出其具有以下特點(diǎn):在SND工藝中,反硝化產(chǎn)生的OH-可以中和硝化產(chǎn)生的部分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;SND使得兩類不同性質(zhì)的菌群(硝化菌和反硝化菌)在同一反應(yīng)器中同時(shí)工作,脫氮工藝更加簡(jiǎn)化而效能卻大為提高;在廢水脫氮工藝中,將有機(jī)物氧化、硝化和反硝化在反應(yīng)器內(nèi)同時(shí)實(shí)現(xiàn)。既提高脫氮效果,又節(jié)約了曝氣所需和混合液回流所需的能源;在SND工藝中,如果將硝化過(guò)程控制在NO2-階段則整個(gè)反應(yīng)過(guò)程加快,水力停留時(shí)間縮短,反應(yīng)器容積也相應(yīng)減小,工藝中需氧量降低,節(jié)約能耗(呂其軍等2003)。3脫氮的方式方法生物脫氮過(guò)程在本質(zhì)上是一群具有特殊功能的細(xì)菌(亞硝化細(xì)菌、硝化細(xì)菌、反硝化菌及厭氧氨氧化菌等)