自養(yǎng)反硝化技術(shù)在工業(yè)污水處理廠的應(yīng)用

邱偉

摘 要：由于人類活動(dòng)的影響，如生活污水和畜禽糞便的不當(dāng)排放、化肥農(nóng)藥的濫用和流失等，因此水體中硝酸鹽污染已成為重大環(huán)境問題。有報(bào)道稱，水體中硝酸鹽濃度過高可能導(dǎo)致包括高鐵血紅蛋白血癥和癌癥等嚴(yán)重的人類健康問題，以及水體富營養(yǎng)化等生態(tài)環(huán)境問題，因此，如何有效去除硝酸鹽一直是水處理領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：自養(yǎng)反硝化;深度脫氮;污水處理

引言

目前，城鎮(zhèn)生活水平的提高增大了污水廠的處理負(fù)荷，污水廠的二級(jí)出水和工業(yè)生產(chǎn)等硝酸鹽濃度也較高，與此同時(shí)，排放標(biāo)準(zhǔn)也在不斷提升完善。國家對(duì)城鎮(zhèn)污水中的總氮（totalnitrogen，TN）排放量控制在15mg/L（GB18918—2002），同時(shí)地方標(biāo)準(zhǔn)對(duì)氮的排放也有更明確的要求。面對(duì)日益提高的排放標(biāo)準(zhǔn)，傳統(tǒng)的硝化反硝化工藝需增加曝氣量和碳源量來達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，這不僅增加能耗，還增加運(yùn)行成本。故需要探尋能耗更低的工藝來滿足更高要求的氮排放標(biāo)準(zhǔn)。

1硫自養(yǎng)反硝化技術(shù)中的微生物群落

微生物群落是反應(yīng)系統(tǒng)中微生物種群的集合，通常用相對(duì)豐度表示。群落結(jié)構(gòu)決定了整個(gè)反應(yīng)系統(tǒng)的生態(tài)功能和特性，其穩(wěn)定性也是保證反應(yīng)效果和抗水質(zhì)變化能力的關(guān)鍵因素。對(duì)比了以硫化鈉和硫代硫酸鈉為電子供體的硫自養(yǎng)反硝化污泥系統(tǒng)中的造粒過程，并通過高通量焦磷酸測序分析了其微生物群落的差別，結(jié)果表明，在以硫化鈉驅(qū)動(dòng)的體系中，主要菌種為Halomonas和Lysobacter，相對(duì)豐度分別為17.19%和18.05%，在以硫代硫酸鹽驅(qū)動(dòng)的反硝化體系中，主要菌種為Thiobacillus和Sulfurimonas，相對(duì)豐度分別占15.01%和15.26%。建立了一種從城市污水廠厭氧污泥中富集硫自養(yǎng)反硝化菌的高效、經(jīng)濟(jì)的方式，通過以硫代硫酸鹽為電子供體，在溫度為30℃的厭氧條件下培養(yǎng)28d后，Thiobacillus菌種的相對(duì)豐度達(dá)到55%，表明從厭氧污泥成功富集了硫基自養(yǎng)反硝化菌群。以天然硫鐵礦為基質(zhì)的人工濕地系統(tǒng)中的微生物群落，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中相對(duì)豐度最高的五大菌屬分別為Anaeromyxobacter（4.9%）、Ramlibacter（4.8%）、Defluviicoccus（4.2%）、Azoarcus（3.7%）、Geobacter（3.4%），而硫自養(yǎng)反硝化菌Thiobacillus的相對(duì)豐度僅為0.12%。通過宏基因組學(xué)得到了反硝化硫轉(zhuǎn)化相關(guān)強(qiáng)化生物除磷（DS-EBPR）反應(yīng)器內(nèi)11類菌種近乎完整的代謝通路，揭示并描述了各類菌種的相互作用和碳（C）、氮（N）、磷（P）、硫（S）元素的循環(huán)模式，不僅為硫自養(yǎng)反硝化技術(shù)的優(yōu)化提供了理論依據(jù)，也拓寬了人們對(duì)不同元素在生物地球化學(xué)循環(huán)中的認(rèn)識(shí)。

2耦合系統(tǒng)的不同菌屬的協(xié)同作用

在PD/A系統(tǒng)中，通過控制C/N、pH等條件，NO-3-N在短程反硝化細(xì)菌的作用下還原至NO-2-N態(tài)，而ANAMMOX菌則是將短程反硝化的出水與NH+4-N進(jìn)行氮的轉(zhuǎn)化。在硫酸鹽還原、反硝化、厭氧氨氧化和短程硝化工藝對(duì)有機(jī)廢水進(jìn)行處理時(shí)，在硫化物的條件下，檢測到了CandidatusBrocadia菌，證實(shí)了厭氧氨氧化菌和反硝化菌能夠共存。PD/A系統(tǒng)啟動(dòng)初期異養(yǎng)菌為系統(tǒng)的優(yōu)勢菌屬，但反應(yīng)一段時(shí)間后，厭氧氨氧化菌和短程反硝化菌逐漸增加;富集階段，短程反硝化菌和厭氧氨氧化菌為系統(tǒng)的優(yōu)勢菌種，短程反硝化的主導(dǎo)菌為Thauera和Flavobacterium，ANAMMOX的主導(dǎo)菌為CandidatusBrocadia。膜內(nèi)積累的NO-2-N雖抑制了完全反硝化的進(jìn)行，但對(duì)ANAMMOX菌的富集培養(yǎng)起促進(jìn)作用;此外，反硝化菌在低溫環(huán)境下活性較低。對(duì)細(xì)菌進(jìn)行測量分析發(fā)現(xiàn)，Thauera菌為短程反硝化的優(yōu)勢菌屬，低溫環(huán)境下Flavobacterium菌的占比較大，CandidatusBrocadia菌是膜內(nèi)唯一的厭氧菌。在PD/A+PN/A耦合工藝中也發(fā)現(xiàn)Thauera菌屬為短程反硝化的主導(dǎo)菌屬，CandidatusKuenenia為ANAMMOX的主導(dǎo)菌屬。

3地下水修復(fù)應(yīng)用

自20世紀(jì)70年代以來，集約化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)導(dǎo)致地下水硝酸鹽污染成為一個(gè)全球性的環(huán)境問題。研究表明，在有機(jī)碳含量有限的地下含水層，自然發(fā)生的自養(yǎng)反硝化作用普遍占主導(dǎo)地位。采用同位素分析證實(shí)了在荷蘭奧斯特拉姆的一個(gè)硝酸鹽嚴(yán)重污染的硫鐵礦砂質(zhì)含水層中，硫鐵礦是反硝化反應(yīng)主要的電子供體，同時(shí)產(chǎn)生大量硫酸鹽，以及硫單質(zhì)、亞硫酸鹽的一些中間產(chǎn)物。搭建了以硫單質(zhì)和無煙煤為填料的硫自養(yǎng)反硝化柱，探究實(shí)際地下水的硫自養(yǎng)反硝化動(dòng)力學(xué)過程，同時(shí)考察溫度對(duì)動(dòng)力學(xué)的影響，結(jié)果表明，該反應(yīng)符合1/2級(jí)動(dòng)力學(xué)模型，且反硝化效果受溫度影響十分明顯。以磁黃鐵礦、硫單質(zhì)和石灰石為填料，搭建了升流式的厭氧填充柱，考察了硫自養(yǎng)反硝化菌對(duì)模擬地下水中硝酸鹽和砷的去除效果，研究發(fā)現(xiàn)，在停留時(shí)間為6h時(shí)，硫自養(yǎng)反硝化菌可同步并有效去除砷、硝酸鹽和磷酸鹽。采用燒杯進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，考察了酸洗硫鐵礦的預(yù)處理方式對(duì)地下水中反硝化效率和硫酸鹽產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明，在不添加pH緩沖劑的條件下，酸洗硫鐵礦可提高約8%的反硝化速率，并大幅降低硫酸鹽的初始濃度。

結(jié)束語

基于污水處理廠對(duì)廢水深度脫氮的需求，采用硫鐵自養(yǎng)反硝化技術(shù)進(jìn)行廢水深度脫氮處理.小試結(jié)果表明硫鐵自養(yǎng)反硝化的脫氮效率受運(yùn)行溫度與HRT的影響較大，反硝化的系統(tǒng)溫度不宜低于20℃，HRT不宜低于0.6h.通過2000m3/d的中試試驗(yàn)考察了自養(yǎng)反硝化技術(shù)在工業(yè)污水處理廠實(shí)際應(yīng)用時(shí)的脫氮性能及運(yùn)行效果，為工業(yè)污水處理廠尾水的深度脫氮提供一定的理論基礎(chǔ)及實(shí)用經(jīng)驗(yàn).開發(fā)了針對(duì)硫鐵自養(yǎng)反硝化的PLC自控系統(tǒng)，基本實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化控制，可以更及時(shí)有效地控制系統(tǒng)負(fù)荷，降低運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，提高運(yùn)行效率.與傳統(tǒng)的異養(yǎng)反硝化相比，該技術(shù)脫氮效果穩(wěn)定，無需額外投加碳源，無出水COD超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn);但自養(yǎng)反硝化受低溫影響較大，因此冬季時(shí)需要注意控制反硝化系統(tǒng)的運(yùn)行溫度與脫氮負(fù)荷.

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