同時產(chǎn)甲烷反硝化技術(shù)去除廢水中碳、氮污染物研究

何清明，葉香琴

(泰州學(xué)院 醫(yī)藥與化學(xué)化工學(xué)院,江蘇 泰州 225300)

微生物厭氧技術(shù)常以能耗低、占地空間小及能源可回收等優(yōu)勢備受國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注。然而，傳統(tǒng)厭氧技術(shù)往往以脫C為首要任務(wù)，厭氧發(fā)酵后發(fā)酵液中N元素大量累計，同時有機(jī)氮與無機(jī)氮的轉(zhuǎn)換，對后續(xù)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(shù)的實(shí)際推廣應(yīng)用。針對此問題，國內(nèi)外學(xué)者提出將產(chǎn)甲烷和反硝化有機(jī)結(jié)合，即產(chǎn)甲烷反硝化技術(shù)(SMD)，來實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢水中碳、氮的同時去除。因此研究開發(fā)厭氧同時反硝化/產(chǎn)甲烷工藝對于高含氮有機(jī)廢水脫氮而言，對工程開發(fā)應(yīng)用具有重要意義。

1 同時產(chǎn)甲烷反硝化技術(shù)原理

在常規(guī)厭氧發(fā)酵技術(shù)中，反硝化技術(shù)脫氮和厭氧產(chǎn)沼技術(shù)往往分別置于不同獨(dú)立的反應(yīng)罐體中，并分別由對應(yīng)的幾乎完全不同的微生物獨(dú)立代謝，反硝化是有反硝化細(xì)菌在廢水中對NO2-或NO3-的還原脫氮的過程，傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為反硝化與產(chǎn)甲烷不能很好的共存，主要原因有以下四點(diǎn)：一是反硝化過程中過量的NO2-或NO3-會對產(chǎn)甲烷細(xì)菌產(chǎn)生毒害、抑制作用；二是反硝化過程的的產(chǎn)能系數(shù)比產(chǎn)甲烷要高，當(dāng)硝酸鹽氮存在時，產(chǎn)甲烷過程往往滯后于反硝化過程，直接導(dǎo)致硝酸鹽細(xì)菌的繁殖并成為優(yōu)勢菌種，從而淘汰產(chǎn)甲烷微生物；三是快速的反硝化過程也會對發(fā)酵罐中的pH產(chǎn)生影響，pH波動也會對產(chǎn)甲烷細(xì)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(fā)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(chǎn)生抑制。為了避免或使產(chǎn)甲烷反硝化有機(jī)共存，關(guān)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(yǎng)可使發(fā)酵過程中的產(chǎn)CH4和硝酸鹽脫氮反硝化細(xì)菌較好的共存。采用厭氧顆粒污泥馴化實(shí)現(xiàn)C、N(NO2-或NO3-)同時去除，顆粒污泥表面區(qū)域存在活性強(qiáng)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(jìn)行反硝化，從而消除NO2-或NO3-對顆粒污泥內(nèi)部甲烷微生物菌屬的抑制，同時，由于產(chǎn)甲烷菌屬處于顆粒污泥內(nèi)部，因此有利于其穩(wěn)定代謝繁殖，從而達(dá)到理想的同時產(chǎn)甲烷反硝化顆粒模型(見圖1)。

圖1 顆粒污泥產(chǎn)甲烷反硝化模型

2 同時反硝化-產(chǎn)甲烷技術(shù)(SMD)應(yīng)用

近年來，部分學(xué)者已成功在一個反應(yīng)罐中實(shí)現(xiàn)了SMD，并應(yīng)用于實(shí)際的工業(yè)污染物的處理。該工藝于反應(yīng)器中發(fā)生反硝化作用產(chǎn)生的堿度可有效避免發(fā)酵罐酸化，還可以節(jié)省C源，不僅可回收有機(jī)質(zhì)能源，還可減輕后續(xù)好氧過程的脫氮壓力。

He[3]利用同時產(chǎn)甲烷反硝化技術(shù)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(tǒng)對 COD 去除率在 94%以上，對NH4+-N去除率最高可達(dá)到 99%，系統(tǒng)運(yùn)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(yīng)器耦合富集了甲烷化、反硝化和厭氧氨氧化污泥。重點(diǎn)研究了其動力學(xué)特性，及亞硝酸鹽對甲烷化、反硝化和厭氧氨氧化的動力學(xué)影響研究。課題是聯(lián)合BAF-EGSB反應(yīng)器協(xié)同處理廢水,實(shí)現(xiàn)短程硝化反應(yīng)器和EGSB反應(yīng)器一同除氮。CODCr,氨氮,亞硝態(tài)氮和總氮去除率分別為85%，35%，99.9%和67%。

釜山國立大學(xué)Im Jeong-hoon等[5]，利用上流式厭氧生物膜反應(yīng)器(有體積占70%填料)﹣好氧硝化聯(lián)合反應(yīng)器進(jìn)行同時產(chǎn)甲烷反硝化﹣硝化脫除有機(jī)質(zhì)和氮素，利用自配有機(jī)碳源作為反硝化的碳源。產(chǎn)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(jī)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(yǎng)殖業(yè)廢水，通過向USBF反應(yīng)器投加NOx--N來培養(yǎng)反硝化顆粒污泥，初期COD去除率達(dá)到80%，增加NOx--N比例，發(fā)酵反應(yīng)器中產(chǎn)氣量下降。

Eiora等[7]以甲醛為碳源，于上流式厭氧污泥床反應(yīng)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(yǎng)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(fù)荷下,甲醛和硝酸鹽二者去除率幾乎達(dá)到100%。

3 結(jié)論

總體來說，同時產(chǎn)甲烷反硝化菌的相關(guān)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(chǎn)甲烷污泥和反硝化污泥的穩(wěn)定耦合富集條件有待研究；②從機(jī)理上通過對各項(xiàng)工藝參數(shù)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(yōu)的產(chǎn)甲烷反硝化工藝條件或脫氮條件。