全程自養生物脫氮工藝機理及影響因素分析

李凱, 李雪瑩, 韓松, 任治軍, 焉芷堯, 劉宇航

(1.貴州民族大學生態環境工程學院, 貴陽 550025; 2.國家民委重點實驗室/喀斯特環境地質災害防治實驗室, 貴陽 550025)

目前,通常采用傳統處理技術如序批式活性污泥(sequncing batch reactor,SBR)、厭氧-好氧(anoxic/oxic,A/O)、厭氧-缺氧-好氧(anaerobic-anoxic/oxic,A2/O)等工藝處理高氨氮低碳廢水,需要大量曝氣與有機物的額外投加,不僅耗能及成本高,同時構筑物結構復雜,占地面積大,操作難度高,亟需針對此類廢水研發一種新工藝[5]。自養脫氮工藝(completely autotrophic nitrogen removal over nitrite,CANON)[6],是近年來基于上述情況開發的一類工藝,在處理高濃度氨氮低碳廢水時,具有物料投加少、能耗低、占地面積小、產泥量低、操作簡單等優點[7]。

1 自養生物脫氮(CANON)工藝

圖1 CANON工藝脫氮流程Fig.1 CANON process nitrogen removal process

2 CANON工藝應用

張羽就等[18]研究發現,針對全中國范圍內1 153座城鎮污水處理廠,A/O、A2/O、SBR等共6種脫氮工藝基于規模量的單位耗能均值最低達到0.031 (kW·h)/m3,最高達到0.518 (kW·h)/m3。研究表明,與傳統脫氮工藝相比,CANON工藝消耗的氧氣和添加劑減少了63%,從而顯著降低了污水處理成本,CANON工藝的處理費用相較于傳統生物脫氮工藝而言,僅是后者的15%～38%[19-20]。Han等[21]在污水廠污泥濾液的側流處理過程中建立了穩定的處理規模達到2 500 m3/d的泥膜共生一體式厭氧氨氧化工藝(IFAS-CANON),穩定期TN去除效率達到85%以上,該項工藝不僅降低了脫氮對碳源的需求,而且節省了17.6 mg/L的甲醇,剩余污泥產量也減少了4.3×104kg/d,節約經濟成本10 600美元/d,印證了IFAS-CANON工藝的經濟效益。

CANON工藝技術是近些年在高氨氮污水中進行的一種新型脫氮技術,在實際工程得到了廣泛的運用,如滲濾液、養殖廢水、食品加工廢水等,與傳統的廢水處理工藝相比有高效、節能、處理負荷高等優點。CANON工藝與各類廢水處理工藝具體工程應用如表1所示。

3 CANON工藝機理分析

表1 中外CANON工藝與各類廢水處理工藝工程應用案例Table 1 Application cases of CANON process and various wastewater treatment processes at home and abroad

圖2 氨氧化過程的反應機理Fig.2 Reaction mechanism of ammonium oxidation process

表2 亞硝化過程反應機理[26]Table 2 Reaction mechanism of nitrification process[26]

圖3 厭氧氨氧化代謝過程Fig.3 Metabolic process of Anammox

4 CANON工藝脫氮效果影響因素

CANON工藝脫氮處理的影響因素與生物脫氮過程一致,自養生物脫氮是利用AOB和AnAOB相互協調作用,為了高效地進行CANON工藝,必須具有合適的生長條件[33-35],如溫度、pH、溶解氧(DO)、底物濃度等,對相關影響因素進行分析討論。

4.1 溫度

不同屬的AnAOB適宜溫度也不同,研究表明大多數AnAOB的適宜溫度在30～40 ℃[36],而北極中也發現了一種AnAOB其最適溫度為12 ℃。AnAOB在35～40 ℃時其活性最高,AOB的最適溫度為30 ℃;溫度高于45 ℃時AnAOB就會裂解,導致AnAOB的活性不可逆的降低;溫度低于15 ℃時AnAOB和AOB活性同時受到抑制,亞硝化和厭氧氨氧化不能高效進行[37]。

4.2 pH

一個穩定酸堿環境對AnAOB和AOB的生長很重要,研究發現CANON工藝的最適pH在6.5～8.5,在pH=8.0時AnAOB和AOB的細菌活性最高[39]。pH會對AnAOB和AOB的生長環境及底物濃度造成影響,pH的提高會促進游離氨(free ammonia,FA)的生成,并通過擴散進入細胞,從而影響pH,進而引起細胞的凋亡。pH降低促使游離亞硝酸(free nitrous acid,FNA)的產生,對微生物代謝過程有影響[40-41]。郭勁松等[42]對CANON工藝試驗研究發現pH=8時總氮的去除率最高達到78.4%,而pH為7、9時總氮去除率僅為58.8%和10%左右。秦宇等[43]對于pH對自養脫氮系統功能菌數量的研究發現,pH在7～9范圍時AOB數量的變化趨勢高于NOB在pH=8時各功能菌數量達到峰值。

4.3 DO濃度

圖4 不同細菌適宜的DO濃度范圍[44,49-50]Fig.4 Suitable DO range of different bacteria[44,49-50]

4.4 基質濃度

5 結論與展望

(1)CANON工藝作為新型的生物脫氮工藝,相較于傳統的生物脫氮工藝,在高效去除、節能減排、降低成本、攻克高濃度氨氮廢水處理等方面有明顯的優勢。在未來處理高氨氮低碳廢水方面有廣闊的應用前景。

(3)CANON工藝脫氮性能受溫度、pH、DO濃度、基質濃度等因素的影響,最適條件為:溫度控制在30～40 ℃,最佳溫度為35 ℃;最適pH在6.5～8.5,在pH=8.0時AnAOB和AOB的細菌活性最高;DO濃度應控制在1.0 mg/L以下。

(4)CANON工藝目前發展并不成熟,仍存在以下幾點問題尚需改進:①系統內AnAOB生長速率較慢、富集培養困難,而且對于生存環境苛刻,致使運行系統控制復雜;②系統內細菌對基質濃度敏感,基質濃度過高將抑制NOB、AnAOB活性,從而造成系統脫氮性能降低;③系統含有多種微生物,而實際污水水質復雜,其在運行過程中易受干擾導致失控,影響系統脫氮效能。因此,CANON工藝在國內仍處于實驗室研究階段,未能推廣到實際應用,可以通過以下方式改進:①通過預處理,為CANON工藝后續處理提供合適的環境;②篩選研發高耐受的優質菌種,增強反應器穩定性;③加快AnAOB為基礎的多種菌群的耦合研究,拓寬實際應用范圍;④生物膜對于微生物具有附著作用,CANON可以利用耦合生物膜的方式,協同進行脫氮處理。