污水生物脱氮技术的研究进展

污水生物脱氮技术的研究进展

氮素循环是地球上的一个重要物质循环。对结果的破坏导致资源的积累，并损害整个生态环境。以工程手段强化硝化作用和反硝化作用是人类平衡氮素循环,控制氮素污染的伟大创举。在上个世纪,人们以硝化作用和反硝化作用为基础,构建了废水生物脱氮的技术体系。近几十年来,氮素生物转化理论的重大进展又为废水生物脱氮技术的创新提供了难得的机遇(郑平等2004)。在我国,湖泊和水库如云南滇池、江苏太湖、安徽巢湖等由于含氮化合物造成的水体富营养化现象日趋严重,目前城市污水处理率仅有5%左右,且绝大多数不具备脱氮除磷的能力。因此探索适合我国国情且经济有效的脱氮工艺和方法,已成为亟待开展的研究课题(杨麒等2003)。1反硝化菌的分类生物脱氮包括两部分:硝化作用和反硝化作用。硝化作用是指硝化菌将氨氮氧化成硝酸盐氮的过程,这个过程必须在好氧条件下进行。硝化菌为自养菌,它们以二氧化碳、碳酸盐或者碳酸氢盐作为碳源,通过氧化氨氮获得能量。硝化过程可分为两个阶段,分别由亚硝酸菌和硝酸菌完成。第一步是由亚硝酸菌(Nitrosobacter)将氨氮转化为亚硝酸盐,亚硝酸菌包括亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)、亚硝化螺菌属(Nitrosospira)、亚硝化球菌属(Nitrosococcus)、亚硝化叶菌属(Nitrosolobus)和亚硝化弧菌属(Nitrosovibrio)等。第二步是由硝酸菌(Nitrobacter)将亚硝酸盐转化为硝酸盐,包括硝化杆菌属(Nitrobacter)、硝化刺菌属(Nitrospina)、硝化球菌属(Nitrococcus)和硝化螺菌属(Nitrospira)等(布坎南等1984)。第一步:NH4++2O2→NO2-+2H2O(185kJ/molNH4+)第二步:2NO2-+O2→2NO3-(164kJ/molNO2-)传统的硝化动力学认为,亚硝酸菌的比增长速率小于硝酸菌的比增长速率。所以,在稳态条件下,亚硝酸盐的累积量很少,第一步的速率限制了整个硝化过程。反硝化作用是指在缺氧条件下反硝化菌把硝酸盐转化为氮气排出。该转化过程有许多的中间产物如HNO2、NO2和N2O。不像硝化细菌,反硝化细菌在分类学上没有专门的类群,它们分散于原核生物的众多属中。大部分反硝化细菌是异养菌,例如脱氮小球菌、反硝化假单胞菌等少数反硝化细菌为自养菌,如脱氮硫杆菌。就所涉及的生物多样性而言,没有一种无机物的转化能与反硝化作用相提并论。Ingraham(1981)指出有71个属的细菌能进行反硝化作用,它们在土壤中很丰富,占细菌群落的40%~65%,细菌数高达108个/g土。到目前为止,尚未发现细菌以外的其它生命形式能够进行反硝化作用。根据传统的生物脱氮理论开发的生物脱氮工艺有巴茨(Barth)开创的三级活性污泥法、缺氧-好氧活性污泥法脱氮系统(A/O法脱氮工艺)、氧化沟工艺和序批式反应器等。2好氧反硝化菌的制备近年来,生物脱氮技术在理论和工艺上有许多新发展和突破。许多研究表明:a.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;b.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;c.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。目前,生物脱氮新技术主要有:短程硝化反硝化工艺(shortcutnitrificationdenitrification,Sharon),厌氧氨氧化(anaerobicammoniumoxidation,ANAMMOX),限氧自养型硝化反硝化(oxygenlimitedautotrophicnitrificationdenitrification,Oland)以及同步硝化反硝化工艺(simultaneousnitrificationdenitrification,SND)(程翔,2006)。2.1sharon工艺在生物处理技术中的应用该工艺于1997年由荷兰Delft工业大学提出并成功开发(J.J.Hellinga等1998)。该工艺采用完全搅拌槽式反应器(CSTR),适合于处理高浓度含氮废水(>0.5gN/L),其成功之处在于巧妙地利用了硝酸菌和亚硝酸菌的不同生长速率,即在较高温度下(30~40℃),硝酸菌的生长速率明显低于亚硝酸菌的生长速率。因此通过控制温度和水力停留时间(HRT)就可以自然淘汰硝酸菌,使反应器中的亚硝酸菌占绝对优势。由于Sharon工艺只有氨氧化反应,没有亚硝酸盐氧化反应,耗氧量可比传统硝化工艺降低25%,供氧设备也可相应压缩。Sharon工艺的还原反应起始于亚硝酸盐而不是硝酸盐,甲醇消耗量可比传统反硝化工艺节省40%,运输工具、贮存容器和投加设备也可相应减少。因此,该工艺的经济性较好,既能节约基建投资,也能降低运行费用。2.2+、no3-或no2-转变成dna的生物氧化过程该工艺于1990年荷兰Delft工业大学Kluyer生物技术实验室开发。在厌氧条件下,微生物直接以NH4+为电子供体,以NO3-或NO2-为电子受体,将NH4+、NO3-或NO2-转变成N2的生物氧化过程(A.A.A.Mulder等1995)(见图1)。厌氧氨氧化过程不需要外加碳源,其微生物学性质已被证实,明显区别于传统的硝化反硝化脱氮过程,大大缩短了传统的氮循环过程。ANAMMOX微生物的增长率与产率非常低,但是氮的转化率却与传统的好氧硝化相当。反应在10~43℃的温度范围内具有活性,适宜的pH为6.7~8.3(L.Kuai等1998;S.M.Mike等1999)。厌氧氨氧化工艺可能的途径见图1(赵丹等2002)。2.3生物脱氮nf该工艺于1998年由比利时Ghent大学开发。工艺的关键在于控制供氧量,也是将氨氧化控制在亚硝酸阶段,并以氨为电子供体亚硝酸根为电子受体实现自养同步脱氮。Kuai等(1998)指出,利用Oland工艺进行生物脱氮,可比全程硝化-反硝化工艺耗氧量减少63%,并完全免用反硝化所需的有机物质。目前,该工艺还停留在实验室探索阶段,面临的严峻挑战是自养型亚硝酸细菌的活性较低,污泥氨氧化速率只有2mg/(g·d)。2.4同步硝化反硝化机理近年来国内外有不少实验和报道都证明图2生物絮体内反应区和基质浓度分布示意图存在有同步硝化反硝化现象,即在同一反应器中使同一污泥中的两类不同性质的菌群(硝化菌和反硝化菌)同时工作实现脱氮的目的(白晓慧等2002)。目前,对这一现象的解释通常有三种。a.宏观环境理论。就宏观环境而言,即使在好氧性条件为主的活性污泥系统中,特别是采用点源性曝气装置或曝气不均匀时,往往会出现较大范围的局部缺氧的环境,因此在曝气阶段出现某种程度的反硝化即同步硝化反硝化的现象,导致了曝气阶段的氮的散失。其损失量随控制条件的不同在10%~20%左右(杨麒等2004;李小明等2004)。b.物理学。目前普遍为人们所接受的观点是物理学的解释,又称为微环境理论,即:由于氧扩散的限制,在微生物絮体内产生溶解氧梯度(图2),由内到外颗粒污泥可分为四层:缺氧区、好氧区、扩散区和外界主体液相区。微生物絮体的外表面溶解氧较高,以好氧菌、硝化菌为主;深入絮体内部,氧传递受阻即外部氧的大量消耗,产生缺氧区,使反硝化菌占优势,即发生同步硝化反硝化(王磊等2002)。c.微生物学。近年的研究对异养硝化细菌、好氧反硝化细菌以及厌氧氨氧化现象的发现,打破了传统理论认为的硝化反应只能由自养细菌完成和反硝化只能在厌氧条件下进行的观点(杨麒等2004)。根据同步硝化反硝化的机理,可以得出其具有以下特点:在SND工艺中,反硝化产生的OH-可以中和硝化产生的部分H+,减少了pH值的波动,从而使两个生物反应过程同时受益,提高了反应效率;SND使得两类不同性质的菌群(硝化菌和反硝化菌)在同一反应器中同时工作,脱氮工艺更加简化而效能却大为提高;在废水脱氮工艺中,将有机物氧化、硝化和反硝化在反应器内同时实现。既提高脱氮效果,又节约了曝气所需和混合液回流所需的能源;在SND工艺中,如果将硝化过程控制在NO2-阶段则整个反应过程加快,水力停留时间缩短,反应器容积也相应减小,工艺中需氧量降低,节约能耗(吕其军等2003)。3脱氮的方式方法生物脱氮过程在本质上是一群具有特殊功能的细菌(亚硝化细菌、硝化细菌、反硝化菌及厌氧氨氧化菌等)