新型脱氮技术研究进展

新型脱氮技术研究进展

氮是导致水体富营养化的主要污染，尤其是当水体有机污染物降低到一定标准时。为了维护生态环境,保障人体健康,国家的污水排放标准逐步严格,对氮的去除也有了更高的要求。因此,研究具有高效脱氮除磷功能的工艺越来越重要。近十多年来,许多国家加强了对生物脱氮的研究,并在理论和技术上都取得了重大突破。其中主要包括短程硝化反硝化,厌氧氨氧化和同步硝化反硝化等,以及它们的组合工艺。这些新的理论研究表明:①硝化反应不仅由自养菌完成,某些异养菌也可以进行硝化作用;②反硝化不只在厌氧条件下进行,某些细菌可在好氧或缺氧条件下完成反硝化;③许多好氧反硝化菌同时也是异养硝化菌,并能把NH4+氧化成NO2-后,直接进行反硝化反应。1短程硝化反硝化1.1硝化氧化技术生物脱氮包括硝化和反硝化两个阶段,主要涉及亚硝化菌、硝化菌和反硝化菌三类微生物。传统生物脱氮途径如图1所示。短程硝化反硝化是将氨氮氧化控制在亚硝化阶段,然后进行反硝化,省去了传统生物脱氮中将亚硝酸盐氧化成硝酸盐,再还原成亚硝酸盐两个环节。因此,该技术具有很多优点:可节省约25%氧供应量,降低能耗;可节省反硝化所需的碳源,在C/N一定的情况下,提高了TN的去除率;缩短反应历程,并使相应反应器的容积减小;可使污泥生成量减少50%左右。尤其适合处理碳氮比低的高氨氮废水。1.2最佳ph及温度条件确定在短程硝化反硝化途径中,关键是如何将氨氧化反应控制在亚硝态氮阶段,使其不再进一步氧化成硝态氮。一方面,可筛选培养出高效亚硝化菌和硝化菌,研究其特性并用来去除氨氮;另一方面,通过对运行参数的控制来实现。短程硝化反硝化的影响因素主要有pH值、游离氨、泥龄、DO、温度和有毒物质。陈际达等研究发现短程硝化最适pH为7.5~8.5,最佳pH为7.9。对于温度,综合考虑各种因素,郑平认为以30~35℃为宜。Laanbroek等研究纯种的nitrosomonas和nitrobacter混合菌群在低DO下的增殖及氧化规律。发现亚硝态氮大量积累,其原因是nitrosomonas对DO的亲和力优于nitrobacter。但低DO下,活性污泥却容易解体。于德爽等在20~30℃条件下,控制进水的pH值在7.5~8.8,以实现亚硝态氮的积累过程,并使亚硝化率达到了95%以上。这为限氧自养硝化-反硝化生物脱氮工艺(Oland)奠定了基础。对于游离氨,其对硝酸菌和亚硝酸菌的抑制浓度分别为0.1~1.0mg/L和10~150mg/L,徐冬梅发现0.6mg/L的游离氨几乎可以抑制硝酸菌的活性,实现亚硝酸的大量积累,当游离氨浓度达到5mg/L时才会对亚硝酸菌活性产生影响,当游离氨浓度达到40mg/L时会严重抑制亚硝酸的形成。2厌氧氨氧化anammox2.1降能降氧工艺及助剂厌氧氨氧化是荷兰Delft工业大学于20世纪90年代初提出的一种新型生物脱氮技术,它是在厌氧条件下微生物直接以NH4+为电子供体,NO2-为电子受体的氧化还原反应,产物为N2。与传统硝化反硝化工艺相比,它具有很大的优越性:不再需要外加有机物作为电子供体;氧得到有效利用,供氧能耗下降;产碱量为零,减少中和所需的化学试剂,降低运行费用,同时还能减轻二次污染;污泥量低。近年来研究者对厌氧氨氧化菌的研究取得了许多突破性成果,提出了厌氧氨氧化代谢模型,纯化研究了多种厌氧氨氧化酶,并分离获得和分类鉴别了5属9种厌氧氨氧化菌,建立了厌氧氨氧化菌科。目前,对厌氧氨氧化工艺的脱氮机理、抑制机制及调控措施等都缺乏深入的研究,还不能将其很好地运用于实际工程。2.2氧浓度和水质对厌氧氨氧化菌活性的影响厌氧氨氧化菌为自养型微生物,倍增时间为11~14天,细胞产率低,对环境条件敏感。所以该工艺启动缓慢、易于失稳、难以恢复。此外,实际废水水质成分复杂,常含抑制物质,这些都给厌氧氨氧化工艺的工程应用带来了困难。要使厌氧氨氧化菌得到广泛应用,必须解决厌氧氨氧化微生物生长缓慢,难以富集的问题。不仅要选取合适的反应装置,还要考虑温度、pH、DO和水质等因素的影响。Jettern等认为厌氧氨氧化菌最佳反应温度是40℃,其适宜温度范围为20~43℃。郑平等研究表明,当温度从15℃升至30℃,反应速率逐渐提高;升至35℃时,反应速率下降。赵志宏等研究表明,当pH低于6.4时,厌氧氨氧化不会发生。杨洋等研究表明,当pH值为8.3时,污泥的厌氧氨氧化菌活性最大,当pH值大于8.3时,其活性下降。Strous等研究发现当DO浓度为0.5%~2.0%的空气饱和度下,厌氧氨氧化菌活性完全被抑制;消除氧后,其活性能够恢复,即氧浓度对厌氧氨氧化菌的抑制是可逆的。废水中的有机物会对厌氧氨氧化工艺产生不良影响,因反硝化菌会在竞争中处于优势。3反硝化和共硝化sed3.1同步硝化反硝化技术根据传统的生物脱氮理论,脱氮过程必须依次经过硝化和反硝化两个阶段。硝化过程需要在有氧、缺少有机物的条件下进行,而反硝化过程则需要在无氧、有机物存在的条件下完成。因此,在这种相反条件下进行的反应,不可能在同一反应器内同时发生。近些年,一些研究人员发现在氧气存在的条件下发生了反硝化现象,即存在有氧情况下的反硝化反应、低氧情况下的硝化反应。在这些处理系统中,硝化和反硝化往往发生在相同的条件下或同一处理空间内,这种现象被称作同步硝化反硝化。传统的生物脱氮工艺是把硝化和反硝化置于两个独立的阶段,这样会造成系统复杂,能耗较大,且运行管理不便。而同步硝化反硝化技术为今后污水处理降低投资并简化生物脱氮过程提供了可能性。综合近年来相关的研究成果,同步硝化反硝化的反应机理有两种解释:微环境理论解释和生物学解释。(1)do-固相理论微环境理论是目前被普遍接受的一种机理,被认为是SND发生的主要原因之一。在活性污泥和生物膜内部存在着好氧区、缺氧区等微环境,主要是由于DO扩散作用的限制,使微生物絮体内产生DO梯度,从而导致微环境的同步硝化反硝化。絮体外表面DO浓度高,硝化菌占优势;絮体内部DO浓度低,反硝化菌占优势。该理论存在一个重大的缺陷,即有机碳源问题。有机碳源是硝化作用的抑制物质,却是反硝化作用的电子供体。有机碳源在好氧区被消耗,在微生物絮体内部的厌氧区得不到电子供体,反硝化速率就降低,SND脱氮效率也不会很高。(2)异养硝化菌法20世纪80年代以来,生物科学家研究发现微生物如荧光假单胞菌、粪产碱菌、铜绿假单胞菌、致金色假单胞菌等都可以对有机物或无机氮化合物进行异养硝化。与自养型硝化菌相比较,异养型硝化菌的生长速度快、细胞产量高,要求的溶解氧浓度低,能忍受更酸性的生长环境。Robertson在反硝化和除硫系统出水中首次分离出好氧反硝化菌。许多反硝化细菌也是异养硝化菌,在好氧的条件下能进行反硝化,又能直接把NH4+转化为最终气态产物逸出。3.2微生物絮体及其他类物质原料的去除效果影响同步硝化反硝化的因素主要有:DO、微生物絮体结构、氧化还原电位(ORP)、C/N、水力停留时间(HRT)、污泥龄(SRT)、pH等。彭赵旭等研究表明,在C/N=8.32、pH处于8时,SND率达到最高。徐伟锋等研究生物膜的SND时发现,如果DO浓度过高,有机物充分氧化,反硝化缺少有机碳源,不利于反硝化的进行;而且氧容易穿透生物絮体,絮体内部的厌氧区不易形成,不利于反硝化的发生。王学江等认为,当DO为2mg/L时,移动床生物膜反应器中总氮的去除率大于90%。P.Klangduen等研究认为较大粒径的微生物絮体有利于SND的进行,其适宜的污泥絮体尺寸为50~110μm。刘俊岭等认为活性污泥絮体体积的增加可引起同步硝化反硝化SND效率的显著增加。侯红勋等采用ORP作为氧化沟工艺SND的控制参数,发现UORP在-30~30mV时,NH4+和NO3-的含量均较低,发生了加好的SND,总氮的去除率在88%以上。张可方等在SBR内,以模拟生活污水为处理对象,C/N取3.3、6.7、和10时,总氮去除率分别为66.15%、80.65%和88.18%,表明C/N越高,SND效果越好。张楠认为随着HRT的减少,SND效果在增加。方茜等采用SBR法处理模拟低碳城市污水,研究发现随着泥龄的增加,总氮去除率逐步增加,当泥龄为22d时,总氮去除率最大,为87%。张志等研究表明,在pH为8~9范围内,氨氮去除率均达到95%以上;pH控制在6~9范围之间时,好氧颗粒污泥理化性状稳定,没有发生解体现象。4短程硝化反硝化温度的确定新型生物脱氮工艺为今后污水处理降低成