同時產甲烷反硝化技術去除廢水中碳、氮污染物研究

何清明，葉香琴

(泰州學院 醫藥與化學化工學院,江蘇 泰州 225300)

微生物厭氧技術常以能耗低、占地空間小及能源可回收等優勢備受國內外學者關注。然而，傳統厭氧技術往往以脫C為首要任務，厭氧發酵后發酵液中N元素大量累計，同時有機氮與無機氮的轉換，對后續的好氧脫氮造成一定的影響，在一定程度上阻礙的厭氧技術的實際推廣應用。針對此問題，國內外學者提出將產甲烷和反硝化有機結合，即產甲烷反硝化技術(SMD)，來實現有機廢水中碳、氮的同時去除。因此研究開發厭氧同時反硝化/產甲烷工藝對于高含氮有機廢水脫氮而言，對工程開發應用具有重要意義。

1 同時產甲烷反硝化技術原理

在常規厭氧發酵技術中，反硝化技術脫氮和厭氧產沼技術往往分別置于不同獨立的反應罐體中，并分別由對應的幾乎完全不同的微生物獨立代謝，反硝化是有反硝化細菌在廢水中對NO2-或NO3-的還原脫氮的過程，傳統觀點認為反硝化與產甲烷不能很好的共存，主要原因有以下四點：一是反硝化過程中過量的NO2-或NO3-會對產甲烷細菌產生毒害、抑制作用；二是反硝化過程的的產能系數比產甲烷要高，當硝酸鹽氮存在時，產甲烷過程往往滯后于反硝化過程，直接導致硝酸鹽細菌的繁殖并成為優勢菌種，從而淘汰產甲烷微生物；三是快速的反硝化過程也會對發酵罐中的pH產生影響，pH波動也會對產甲烷細菌的活性造成一定的影響。四是二是NO2-或NO3-的存在的存在使發酵過程中氧化還原電位(ORP)升高，對體系中甲烷微生物活性產生抑制。為了避免或使產甲烷反硝化有機共存，關鍵是如何減少NO2-或NO3-對甲烷菌的抑制。通過對顆粒污泥的培養可使發酵過程中的產CH4和硝酸鹽脫氮反硝化細菌較好的共存。采用厭氧顆粒污泥馴化實現C、N(NO2-或NO3-)同時去除，顆粒污泥表面區域存在活性強反硝化微生物，反硝化微生物可在顆粒污泥表面對硝酸鹽進行反硝化，從而消除NO2-或NO3-對顆粒污泥內部甲烷微生物菌屬的抑制，同時，由于產甲烷菌屬處于顆粒污泥內部，因此有利于其穩定代謝繁殖，從而達到理想的同時產甲烷反硝化顆粒模型(見圖1)。

圖1 顆粒污泥產甲烷反硝化模型

2 同時反硝化-產甲烷技術(SMD)應用

近年來，部分學者已成功在一個反應罐中實現了SMD，并應用于實際的工業污染物的處理。該工藝于反應器中發生反硝化作用產生的堿度可有效避免發酵罐酸化，還可以節省C源，不僅可回收有機質能源，還可減輕后續好氧過程的脫氮壓力。

He[3]利用同時產甲烷反硝化技術處理高濃度畜禽糞水，氨氮去除率主要為 95%，亞硝氮積累率在 70%～90%之間；系統對 COD 去除率在 94%以上，對NH4+-N去除率最高可達到 99%，系統運行效果頗好。

祖波等人[4]利用膨脹顆粒污泥床(EGSB)啟動顆粒污泥，在EGSB反應器耦合富集了甲烷化、反硝化和厭氧氨氧化污泥。重點研究了其動力學特性，及亞硝酸鹽對甲烷化、反硝化和厭氧氨氧化的動力學影響研究。課題是聯合BAF-EGSB反應器協同處理廢水,實現短程硝化反應器和EGSB反應器一同除氮。CODCr,氨氮,亞硝態氮和總氮去除率分別為85%，35%，99.9%和67%。

釜山國立大學Im Jeong-hoon等[5]，利用上流式厭氧生物膜反應器(有體積占70%填料)﹣好氧硝化聯合反應器進行同時產甲烷反硝化﹣硝化脫除有機質和氮素，利用自配有機碳源作為反硝化的碳源。產生的沼氣量 0.33 m3/kgCOD，CH4，CO2，N2含量分別為66%～75%，22%～32%，2%～3%。有機物去除率為15.2 kgCOD/ m3·d-1，NH4+-N去除率為0.84 kgNH4+-N/ m3·d-1，最大反硝化速率為0.5 kgNO3-N/ m3·d-1。

Corral等人[6]采用SMD處理低C/N比養殖業廢水，通過向USBF反應器投加NOx--N來培養反硝化顆粒污泥，初期COD去除率達到80%，增加NOx--N比例，發酵反應器中產氣量下降。

Eiora等[7]以甲醛為碳源，于上流式厭氧污泥床反應器中接種活性污泥，投加硝酸鹽同等濃度的尿素，成功地培養出了SMD顆粒污泥，在0.4～3.0 kgCOD·m-3·d-1和0.06～0.44 kgNO3--N·m-3·d-1負荷下,甲醛和硝酸鹽二者去除率幾乎達到100%。

3 結論

總體來說，同時產甲烷反硝化菌的相關研究還較少[8]，處理廢水的碳氮濃度也較低，還有很多問題還未解決。①產甲烷污泥和反硝化污泥的穩定耦合富集條件有待研究；②從機理上通過對各項工藝參數的控制研究，特別包括顆粒污泥微觀性狀的研究，力求尋找最優的產甲烷反硝化工藝條件或脫氮條件。