生物膜内自养脱氮工艺及其研究进展

生物膜内自养脱氮工艺及其研究进展

采用新的生物脱氮工艺，即在生物膜上自养脱氮工艺，是指通过控制单器或生物膜的溶解氧，实现亚硝化和厌氧氨氧化，脱氮目标。CANON工艺是基于亚硝化和厌氧氨氧化而发展起来的新型工艺,它与其他脱氮工艺的比较详见表1。1好氧和厌氧氨氧化菌的相互作用有研究者指出在限氧条件下(<0.5%饱和空气)能够建立好氧和厌氧氨氧化菌的共生系统,而这一系统的存在才导致CANON过程的发生。随后Third等提出,该工艺依赖于两种自养微生物菌群在缺氧条件下稳定的相互作用关系,这两种自养微生物菌群分别为Nitrosomonas属好氧菌和Planctomycete目的厌氧氨氧化菌。这些自养菌将NO-2作为中间产物,将NH+4直接转化成N2。若将这一工艺运用到实际污水处理过程中,则可以在单一自养反应器中实现NH+4的完全去除。这两种自养微生物菌群在反应器中相互作用,同时发生两种反应。在限氧条件下,NH+4被好氧亚硝化菌(如Nitrosomonas和Nitrososira)氧化成NO-2。随后,Planctomycete目厌氧氨氧化菌将产生的NH+4和NO-2以及痕量的NO-3转化为N2。NO-2也可作为微生物合成时的电子供体,CO2为电子受体,在这一过程中NO-2被CO2氧化生成NO-3。在限氧条件下好氧和厌氧氨氧化菌的相互作用将使得NH+4完全转化为N2,同时也有少量NO-3产生。在悬浮生长反应器中,当溶解氧浓度<0.5mg/L时对NH+4的氧化没有影响,而NO-2的氧化则受到严重抑制。在限氧条件下亚硝酸氧化菌要与氨氧化菌竞争O2,与厌氧氨氧化菌竞争NO-2,因此在CANON反应器中不存在亚硝酸氧化菌。另一种可能是亚硝酸氧化菌受到游离氨的抑制,因此在进水NH+4浓度较高时反应器内亦不存在亚硝酸氧化菌。郝晓地等提出了生物膜内CANON工艺的工作原理。CANON工艺的实施依赖于其间微生物(亚硝化细菌、硝化细菌、厌氧氨氧化细菌)的竞争。这三种细菌相互竞争氧和亚硝酸盐氮。由于亚硝化细菌与硝化细菌对氧的亲和性不同以及传质限制等因素,亚硝酸盐氮在生物膜表层的聚集是可能的。当氧向生物膜内扩散并被消耗后,出现厌氧层,厌氧氨氧化菌便有可能在此生长。随着未被硝化的氨氮与亚硝化后的亚硝酸盐氮扩散至厌氧层,ANAMMOX反应便能发生。Sliekers等通过试验研究指出,在限氧条件下好氧氨氧化菌能与Planctomycetes目厌氧氨氧化菌稳定共存。用荧光原位杂交技术(FISH)对CANON反应器中微生物进行分析,研究表明:菌落中45%±15%的微生物是由嗜盐和耐盐的好氧氨氧化菌组成,另外40%±15%的微生物是由Planctomycetes目厌氧氨氧化菌组成,剩余的是由其他各种细菌组成。在试验过程中未发现亚硝酸氧化菌。但当CANON反应器长期(>1个月)处在限氨条件下时就会出现亚硝酸氧化菌。一旦反应器中O2取代氨成为限制因素则反应器中能重新建立起稳定的好氧氨氧化菌与厌氧氨氧化菌的共存关系。氧气微电极的测试表明,在生物膜集聚群外部好氧氨氧化菌消耗完所有的氧气,为集聚群内部厌氧氨氧化菌的缺氧生长创造条件。孟了等从CANON工艺活性污泥的生物构成方面推测,亦得出类似的结论。他们指出在限氧条件下由于氧的穿透能力有限,因此自然形成了活性污泥的好氧区和厌氧区,好氧区位于活性污泥的表层,主要以氨氧化菌和异养氧化菌为主;厌氧区则位于活性污泥的里层,主要以ANAMMOX菌为主,可将氨氮及表层反应的产物NO-2同时转化为N2和少量的NO-3。2反应器内的氧和厌氧氨氧化菌群落Sliekers等采用SBR反应器对CANON工艺进行了研究。该反应器的运行参数详见表2。该反应器在接种了厌氧氨氧化菌并厌氧运行5周达到稳定状态后,通入O2,启动CANON反应器。经过2周的过渡期后反应器达到稳定状态。在该状态下反应器内不存在亚硝酸氧化菌,最大厌氧氨氧化活性为0.15kgNH+4-N/(kgTSS·d)。每消耗1molNH+4产生0.146molNO-3(见表3)。NH+4主要转化为N2(85%),其余均转化为NO-3,NO、N2O产量可以忽略(仅为0.05%),且不产生NO2。CANON反应器在限氧条件下,NH+4在好氧氨氧化菌作用下转化为NO-2,随后被厌氧氨氧化菌利用,在这过程中均未涉及到亚硝酸氧化菌。只有当O2不受限制时或进水NH+4浓度较低时反应器内才会出现亚硝酸氧化菌。因此,反应器内高NH+4浓度有助于建立好氧和厌氧氨氧化菌的共存系统。尽管氮的去除率相当低,但由于试验的主要目的是研究这一过程的微生物特性,而未优化反应器结构,因此今后的研究可以选用O2转移速率较高的反应器,如气提反应器等。郝晓地等利用数学模拟技术对CANON工艺的各个未知因素和影响因子进行理论分析。模拟结果显示:如果温度下降有机物活性降低,这就意味着在低温条件下为了维持较高的N去除率,需要增加生物膜的膜厚(LF)或者降低膜的氨表面负荷(ASL);由于实际ASL和所需要的氧浓度之间的不平衡,严重影响了N去除率;DO在小范围间(±0.2gO2/m3)的变动对工艺过程没有明显影响,而ASL的变化却对工艺过程产生严重影响;在T=20℃、ASL=0.5gNH+4-N/(m2·d)、LF≥0.7mm、DO=0.3gO2/m3时,N去除率可达88%。在CANON工艺中DO和ASL是两个重要的影响因子。Sliekers等研究了CANON工艺在气提反应器中的应用情况,该反应器体积为1.8L,人工合成污水由反应器顶部进入,95%Ar/5%CO2以及压缩空气从反应器底部进入,最大气量为200mL/min。在气提反应器中CANON工艺的N去除率可高达1.5kgN/(m3·d)。试验表明气提反应器适用于CANON工艺。在试验过程中反应器内存在少量的亚硝酸氧化菌,但活性很低,这部分菌落的存在可能是由反应器中O2浓度过高所导致。CANON工艺中的限速步骤主要是氧的转移速率,若O2的转移系数增大便能获得更高的氮转化率。在气提反应器中所得到的氮转化率[1.5kgN/(m3·d)]是SBR反应器[0.07kgN/(m3·d)]的20倍,这可能是由SBR反应器中O2的转移速率比较低而导致。孟了等通过调整SBR反应器的运行参数,成功采用CANON工艺处理垃圾渗滤液。SBR反应器进水为经过氨吹脱、厌氧生物处理及预曝气后的垃圾渗滤液,其COD、BOD、NH3-N分别为(1500~4000)、(500~1500)、(200~800)mg/L,反应器运行时控制DO≈1mg/L,采取分段进水的方式,经过半年以上的长期运行,出水水质稳定:NH3-N<10mg/L、NO-2<10mg/L、NO3为20~30mg/L,氨氮和总氮的去除率分别达到99%和90%,最大亚硝化活性为1.563kgNH+4/(kgVSS·d),最大厌氧氨氧化活性为0.842kgNH+4/(kgVSS·d),最大硝化活性和最大反硝化活性均为零。3气调与除氮工艺从反应上看,CANON工艺是SHARON工艺和ANAMMOX工艺的结合。由于CANON工艺可在一个反应器中进行,因此与SHARON和ANAMMOX联合工艺相比,可以减少一个反应器。CANON工艺既经济又