生物脫氮新技術(shù)研究現(xiàn)狀探討

丁元娜,代 進(jìn),滕欣宇

(1.大連市排水處,遼寧 大連 116021;2.大連化工研究設(shè)計(jì)院,遼寧 大連 116023)

生物脫氮新技術(shù)研究現(xiàn)狀探討

丁元娜1,代 進(jìn)2,滕欣宇1

(1.大連市排水處,遼寧 大連 116021;2.大連化工研究設(shè)計(jì)院,遼寧 大連 116023)

分析了傳統(tǒng)生物脫氮工藝存在的問題,系統(tǒng)介紹了短程硝化反硝化、厭氧氨氧化、同時(shí)硝化反硝化等生物脫氮新工藝的機(jī)理、特點(diǎn)和研究現(xiàn)狀,同時(shí)指出了新技術(shù)存在的問題和今后研究的發(fā)展趨勢。

污水處理;生物脫氮;短程硝化反硝化;OLAND工藝;同時(shí)硝化反硝化

1 傳統(tǒng)生物脫氮技術(shù)

廢水中的氮以有機(jī)氮、氨氮、亞硝氮和硝酸鹽4種形態(tài)存在。傳統(tǒng)生物脫氮技術(shù)遵循已發(fā)現(xiàn)的自然界氮循環(huán)機(jī)理,廢水中的有機(jī)氮依次在氨化菌、亞硝化菌、硝化菌和反硝化菌的作用下進(jìn)行氨化反應(yīng)、亞硝化反應(yīng)、硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)后最終轉(zhuǎn)變?yōu)榈獨(dú)舛绯鏊w,達(dá)到了脫氮目的。

傳統(tǒng)理論認(rèn)為氨氮的去除是通過硝化和反硝化這兩個(gè)相互獨(dú)立的過程實(shí)現(xiàn)的,由于對環(huán)境條件的要求不同,這兩個(gè)過程不能同時(shí)發(fā)生,而只能序列式進(jìn)行,即硝化反應(yīng)發(fā)生在好氧條件下,反硝化反應(yīng)則發(fā)生在嚴(yán)格的缺氧或厭氧條件下。在這種理論指導(dǎo)下,傳統(tǒng)的生物脫氮工藝都是將缺氧區(qū)(或厭氧區(qū))與好氧區(qū)分隔開,如A/O、A2/O等工藝;或者是在同一個(gè)反應(yīng)器中,通過時(shí)間或空間上的好氧和缺氧的交替進(jìn)行來實(shí)現(xiàn)氮的去除,如 SBR(Sequencing Batch Reactor Activated sludge Process)等工藝。

傳統(tǒng)生物脫氮工藝存在以下問題:①工藝流程較長,占地面積大,基建投資高;②由于硝化菌群增殖速度慢且難以維持較高的生物濃度,特別是在低溫冬季,造成系統(tǒng)的水力停留時(shí)間 HRT(Hydraulic Retention Time)較長,需要較大的曝氣池,增加了投資和運(yùn)行費(fèi)用;③系統(tǒng)為維持較高的生物濃度及獲得良好的脫氮效果,必須同時(shí)進(jìn)行污泥和硝化液回流,增加了動力消耗和運(yùn)行費(fèi)用;④系統(tǒng)抗沖擊能力較弱,高濃度NH3和NO2廢水會抑制硝化菌生長;⑤硝化過程中產(chǎn)生的酸度需要投加堿中和,不僅增加了處理費(fèi)用,而且還有可能造成二次污染。因此,許多生物脫氮的新理論和新工藝被開發(fā)出來,尤其是一些基于新的微生物菌群引入的新工藝。

2 新型生物脫氮技術(shù)

2.1 短程硝化反硝化

目前比較有代表性的工藝是SHARON工藝。SHARON工藝是荷蘭Delft工業(yè)大學(xué)開發(fā),通過利用在較高溫度條件下(35℃),利用兩類硝化菌不同的比生長速率,即氨氧化菌AOB(Ammonia oxidiring bacteria)相對于亞硝酸鹽氧化菌NOB(Nitrite oxidiring bacteria)更快的增值速率,采用較短的污泥齡(1天),實(shí)現(xiàn)對于NOB的淘洗。而當(dāng)進(jìn)水氨氮濃度低于130 mg/L時(shí),亞硝酸鹽氧化菌就會在反應(yīng)器內(nèi)增長起來。在荷蘭的Utrecht污水處理廠,研究表明在進(jìn)水氨氮負(fù)荷為500～600 mg/L時(shí),SHARON過程比較可行。值得注意的是,SHARON工藝是利用污泥硝化液本身溫度較高的特點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)短程硝化,對于水量較大的城市污水和生活污水不具有廣泛的適用性。

同傳統(tǒng)脫氮工藝相比,短程硝化反硝化具有很多優(yōu)勢。通過控制硝化過程,使微生物氧化氨氮生成中間體亞硝態(tài)氮,然后利用亞硝態(tài)氮進(jìn)行還原反應(yīng)生成氣態(tài)氮。由于亞硝態(tài)氮同時(shí)是硝化和反硝化過程的中間產(chǎn)物,因而亞硝態(tài)氮途徑的短程硝化反硝化過程,理論上可以實(shí)現(xiàn)硝化過程中約25%的供氧能耗和反硝化過程中40%的碳源需求量;同時(shí)污泥產(chǎn)率大大降低,反應(yīng)速率加快。張小玲等在對于短程硝化反硝化進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析過程中認(rèn)為:當(dāng)考慮低溶解氧條件下氧的傳質(zhì)速率,同正常的2.0 mg/L全程硝化條件下溶解氧條件相比,在1.0 mg/L條件下運(yùn)行的低溶解氧短程硝化系統(tǒng)會節(jié)約硝化過程約34.9%的曝氣能耗。

短程硝化反硝化工藝目前已經(jīng)逐漸開始進(jìn)入工程應(yīng)用。2000年在采用SHARON工藝在1500 m3的反應(yīng)器的生產(chǎn)性系統(tǒng)中,成功實(shí)現(xiàn)了處理污泥硝化液短程硝化反硝化的連續(xù)運(yùn)行的工程實(shí)例;2003年,Yang等人在小試以及容積為3 m3的中試SBR反應(yīng)器內(nèi)都實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的完全的短程硝化反硝化;丹麥的Cpkelco Aps工廠是世界上最大的果膠和世界第二大精煉角叉膠生產(chǎn)廠,其污水處理廠是丹麥國內(nèi)最大的工業(yè)廢水處理廠,為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性并降低能源消耗,該廠采用了短程硝化反硝化脫氮工藝代替?zhèn)鹘y(tǒng)硝化反硝化系統(tǒng),目前該短程脫氮系統(tǒng)已經(jīng)成功運(yùn)行了2.5年,取得了令人滿意的處理效果和良好的經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 OLAND工藝

OLAND工藝是比利時(shí) Gent微生物生態(tài)試驗(yàn)室開發(fā),通過直接對于富集的自養(yǎng)硝化污泥進(jìn)行培養(yǎng),利用這些污泥作為生物觸媒來處理富含氨氮的污水,其機(jī)理是利用Nitrosomoncrs菌系的亞硝酸鹽岐化作用。OLAND工藝的關(guān)鍵是:提供溶解氧來實(shí)現(xiàn)硝化只能進(jìn)行到亞硝酸鹽階段,然后由于缺少電子供體,只能通過消耗生成的亞硝酸鹽來氧化當(dāng)量的氨氮。同傳統(tǒng)過程相比,OLAND過程可以節(jié)省62.5%的曝氣能耗和100%的電子供體投加量。但是,目前對于該過程溶解氧的控制,尤其是連續(xù)流混合培養(yǎng)狀態(tài)下還存在一定的困難,目前,該工藝還停留在實(shí)驗(yàn)室探索階段。

Kuai等人研究了OLAND系統(tǒng)中不同氨氮負(fù)荷條件下,氨氮降解和總氮去除情況,采用了p H和時(shí)間雙重控制。在容積負(fù)荷為0.13 gN-N(L·d)條件下,22%的氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝化氮和硝態(tài)氮,38%的依然以氨氮形勢存在,其他40%以氮?dú)獾男问奖怀ァＭㄟ^微生物分析發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中占主導(dǎo)地位的仍然是氨氧化細(xì)菌。氮元素的損失可能是通過氨氮以亞硝氮為電子受體直接生成氮?dú)?而同羥胺相關(guān)的氧化還原酶可能是在該反應(yīng)過程中起到了催化作用。

2.3 厭氧氨氧化工藝(ANAMMOX)

氨氮的氧化通常被認(rèn)為是由氨氮化菌在好氧或者限氧條件下作用引起的。然而,氨氧化菌同樣可以以氨氮作為電子供體在缺氧條件下進(jìn)行反硝化。在厭氧條件下,微生物直接以N為電子供體,以N或N為電子受體,將N、N或 N轉(zhuǎn)變成N2的生物氧化過程。

1995年,Mulder等人在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的厭氧流化硝化床處理產(chǎn)甲烷反應(yīng)器出水中,首次發(fā)現(xiàn)了厭氧氨氧化現(xiàn)象。大量的氨氮在反應(yīng)器內(nèi)消失,同時(shí)硝酸鹽被消耗,氮?dú)猱a(chǎn)量提高。厭氧氨氧化的能量儲存是來自于氨氮以亞硝酸鹽為電子受體的厭氧氧化,過程中不需要提供外加碳源;二氧化碳是厭氧氨氧化細(xì)菌生長的碳源。

2.4 CANON工藝

CANON工藝被定義為途徑亞硝酸鹽途徑的完全自養(yǎng)脫氮系統(tǒng),能夠在較低碳源的情況下去除污水中的氨氮。該工藝能夠在單一反應(yīng)器內(nèi)或者是限制曝氣的生物膜系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。該過程是基于短程硝化和厭氧氨氧化兩個(gè)過程。

在限氧條件下(＜0.5%氣體飽和度)條件下,好氧氨氧化細(xì)菌和厭氧氨氧化細(xì)菌的聯(lián)合培養(yǎng)可以實(shí)現(xiàn)CANON過程。系統(tǒng)的穩(wěn)定性依賴于Nitrosonioylcrs-like好氧菌和Plcrylctomycete-like厭氧氨氧化菌的穩(wěn)定的相互關(guān)系。這些自養(yǎng)微生物能夠把氨氮經(jīng)過亞硝酸鹽途徑直接轉(zhuǎn)化為氣態(tài)氮。這個(gè)過程能夠在單一自養(yǎng)反應(yīng)器內(nèi)實(shí)現(xiàn)完全的氨氮去除,反應(yīng)式如下:

總反應(yīng)見式:

在懸浮生長的反應(yīng)器內(nèi),0.5 mg/L的溶解氧濃度對于氨氮氧化的影響并不大,但是亞硝酸鹽氧化卻被很大程度的抑制。在限氧條件下,亞硝酸鹽氧化菌需要同好氧氨氧化菌爭奪氧氣,同時(shí)同厭氧氨氧化菌爭奪亞硝酸鹽。游離氨可能是抑制亞硝酸鹽氧化菌的重要因素。實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定有效的氨氮轉(zhuǎn)化的氨氮負(fù)荷下限值為0.1 kgN/m3·d,在此負(fù)荷下可以實(shí)現(xiàn)92%的總氮去除。當(dāng)?shù)陀诖素?fù)荷時(shí),反應(yīng)的動力學(xué)常數(shù)就會受到影響,處理效果下降。

Sliekers等人采用接種厭氧氨氧化污泥,首先在缺氧條件下啟動反應(yīng)器;然后通過限制供氧使硝化細(xì)菌得到富集;通過熒光原位雜交和離線活性檢測的方法控制硝化菌群的富集。結(jié)果顯示在穩(wěn)定運(yùn)行條件下,厭氧氨氧化細(xì)菌保持良好的活性,同時(shí)反應(yīng)器內(nèi)沒有檢測到亞硝酸鹽氧化菌的存在;微生物的反硝化能力在檢測限以下。氨氮有85%被轉(zhuǎn)化為氮?dú)?其余15%被轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮,一氧化二氮的產(chǎn)生量小于0.1%,系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自養(yǎng)反硝化轉(zhuǎn)化氨氮生成氮?dú)?所以不需要投加外碳源。

與傳統(tǒng)脫氮工藝相比,CANON工藝過程無需投加碳源,同時(shí)總氮的去除在同一個(gè)微曝氣的反應(yīng)器內(nèi)就能完成,大大節(jié)約了占地和能量消耗。

2.5 SHARON-ANAMMOX聯(lián)合工藝

Jettern等人利用SHARON-ANAMMOX聯(lián)合工藝對污泥硝化出水進(jìn)行了研究。SHARON反應(yīng)器總氮負(fù)荷為0.8 kg/m3·d,轉(zhuǎn)化53%的總氮(39%N,14%N),用SHARON反應(yīng)器的出水作為ANAMMOX流化床反應(yīng)器的進(jìn)水,在限制N的ANAMMOX反應(yīng)器中N全部去除,N剩余下來。試驗(yàn)中N-N的去除率可以達(dá)到83%。與傳統(tǒng)的生物脫氮工藝相比,SHARON-ANAMMOX聯(lián)合工藝在氧氣需要量和外加碳源上都具有明顯優(yōu)勢:傳統(tǒng)工藝的氧氣需要量為4.65 kgO2/kgN,需要4～5 kgCOD/kgN;而聯(lián)合工藝氧氣需要量為1.7 kgO2/kgN,幾乎不需要外加碳源。在van Dongen的SHARON-ANAMMOX實(shí)驗(yàn)過程中,SBR(Anammox)的氮負(fù)荷為0.75 kg N/m3·d,反應(yīng)器活性達(dá)0.8 kg N/m3·d,N-N全被轉(zhuǎn)化,有少量的N-N剩余。理論上由SHARON出水帶來的污泥即使很少積累也會不可避免地影響ANAMMOX工藝。但從實(shí)際運(yùn)行來看,當(dāng)Anammox以顆粒污泥運(yùn)行時(shí),從 SHARON沖洗出來的污泥沒有對Anammox產(chǎn)生影響。根據(jù)這個(gè)小試,1998年初在Rotterdam的Dokhaven廢水處理廠建造了生產(chǎn)性SHARON-ANAMMOX的反應(yīng)裝置,用于處理污泥硝化液出水。該構(gòu)筑物處理了全廠約15%的總氮,但處理的流量只占全廠處理流量的1%。污泥硝化液中1～1.5 gN-N/L是通過半亞硝化+厭氧氨氧化的工藝去除的。

2.6 同時(shí)硝化反硝化

傳統(tǒng)理論認(rèn)為,氨氮的去除是通過硝化和反硝化這兩個(gè)相互獨(dú)立的過程實(shí)現(xiàn)的,由于對環(huán)境條件的要求不同,這兩個(gè)過程不能同時(shí)發(fā)生,而只能序列式進(jìn)行。

但是近幾年的研究表明,硝化和反硝化可在同一反應(yīng)器中同時(shí)發(fā)生,許多實(shí)際運(yùn)行中的曝氣池中也常常發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過同化作用可以產(chǎn)生的總氮損失,這一現(xiàn)象被稱為同時(shí)硝化反硝化(SND)。雖然SND現(xiàn)象最近才引起人們的廣泛關(guān)注,但是這一現(xiàn)象卻早在上個(gè)世紀(jì)70年代就被發(fā)現(xiàn)了。Derws在1973年報(bào)道了在迅速切換好氧/缺氧環(huán)境的Orbal氧化溝中的同時(shí)硝化反硝化現(xiàn)象。Charle等人報(bào)道了在氧化溝污水處理廠中的91%的總氮去除現(xiàn)象。

目前,對于 SND現(xiàn)象的形成原因有很多種解釋,歸納起來主要集中于兩個(gè)方面:物理學(xué)解釋和生物學(xué)解釋。物理學(xué)解釋認(rèn)為,SND是一種物理現(xiàn)象,是由于曝氣方式、反應(yīng)器構(gòu)型等造成的宏觀缺氧環(huán)境。或者受微生物種群結(jié)構(gòu)、基質(zhì)分布和生物代謝反應(yīng)的不均勻性,以及物質(zhì)傳遞變化等因素的相互作用,缺氧(或厭氧)段可以在活性污泥菌膠團(tuán)內(nèi)部形成微觀缺氧環(huán)境。

關(guān)于SND的生物學(xué)解釋認(rèn)為,SND是由于具有特定生化途徑的微生物作用引起的。近年來微生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)好氧反硝化菌和異養(yǎng)硝化菌的存在,如Thiosphaera pantotropha,Pseudomonas spp,Alcaligenes faecalis等好氧反硝化菌同時(shí)也是異養(yǎng)硝化菌。Robertson等人在研究中發(fā)現(xiàn),分子氧和硝態(tài)氮都可作為異養(yǎng)硝化菌的電子受體,異養(yǎng)硝化菌的生長速率在分子氧與硝態(tài)氮共存的環(huán)境中要高于在這兩種電子受體單一存在的環(huán)境。Robertson和Kuenen在后續(xù)研究中指出,“異養(yǎng)硝化菌與好氧反硝化反應(yīng)之間存在著某種聯(lián)系,而不是為了在這個(gè)過程中獲得能量。”異養(yǎng)硝化菌把氨氮氧化成亞硝態(tài)氮后又通過反亞硝化作用把亞硝態(tài)氮還原成氮?dú)狻Ｏ趸?xì)菌的某些種類可以在沒有溶解氧的環(huán)境中生存,它們可以利用氨作為電子供體,亞硝態(tài)氮作為電子受體進(jìn)行厭氧反應(yīng)。Bock等還發(fā)現(xiàn),在低溶解氧的環(huán)境中,Nitrosomonaeuropaea和 Nitrosomonas eutropha可以同時(shí)利用氨氮和分子氧作為電子供體進(jìn)行硝化和反硝化反應(yīng),隨著溶解氧濃度的進(jìn)一步降低,被利用的亞硝態(tài)氮將會增多。

目前先進(jìn)的微生物學(xué)已在一定范圍內(nèi)展示先前并沒有被認(rèn)識的微生物菌種,其可以在曝氣生物反應(yīng)池中用來去除氮、磷,如自養(yǎng)氨氧化菌的反硝化作用、異養(yǎng)硝化/好氧反硝化以及聚磷菌的反硝化作用等。

同時(shí)硝化/反硝化的活性污泥系統(tǒng)為今后簡化生物脫氮技術(shù)并降低投資提供了可能性。與傳統(tǒng)的生物脫氮工藝相比,SND(Simultaneous nitrification and denitrification)具有明顯的優(yōu)越性,主要表現(xiàn)在:

1)硝化過程中堿度被消耗,而同步的反硝化過程中產(chǎn)生了堿度,SND能有效地保持反應(yīng)器中pH穩(wěn)定,而且無需外加碳源,考慮到硝化菌最適合的pH范圍很窄,僅為7.5～8.6,因此這一點(diǎn)是很重要的。

2)SND意味著在同一反應(yīng)器,相同的操作條件下,硝化、反硝化同時(shí)進(jìn)行,如果能保證在好氧池中一定效率的反硝化與硝化反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行,那么對于連續(xù)運(yùn)行的SND工藝污水處理廠,可以省去缺氧池的費(fèi)用,或減小其容積。

3)簡化的流程。

C.Collivignarelli等人在處理量分別為1000 m3/d和70000 m3/d的污水處理廠實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),同傳統(tǒng)的后置反硝化系統(tǒng)相比,同時(shí)硝化反硝化可以節(jié)約20%的反應(yīng)器容積;可以實(shí)現(xiàn)50%的能耗節(jié)省。Gbertanza在中試及生產(chǎn)性實(shí)驗(yàn)研究中,通過采用溶解氧和氧化還原電位控制的方法,通過SND作用實(shí)現(xiàn)了90%的總氮去除,運(yùn)行費(fèi)用大大降低。同時(shí),由于采用SND途徑實(shí)現(xiàn)總氮去除的系統(tǒng)中,通常需要采用相對較低的溶解氧濃度,低溶解氧誘發(fā)的污泥膨脹問題需要引起注意。

3 研究展望

氮污染日益嚴(yán)重,研發(fā)高效低耗的生物脫氮技術(shù)勢在必行。生物脫氮過程在本質(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)對不同形式的氮素吸收代謝的結(jié)果。因此對在脫氮過程中這類細(xì)菌的生態(tài)學(xué)研究顯得異常重要,包括不同菌群對運(yùn)行條件變化的響應(yīng),各功能菌群之間的相互作用關(guān)系及功能菌群的代謝活性與脫氮效果(去除率)之間的關(guān)系等。

X 703.1

:C

:1005-8370(2011)01-22-04

2010-10-22