生物脫氮新技術研究現狀探討

丁元娜,代 進,滕欣宇

(1.大連市排水處,遼寧 大連 116021;2.大連化工研究設計院,遼寧 大連 116023)

生物脫氮新技術研究現狀探討

丁元娜1,代 進2,滕欣宇1

(1.大連市排水處,遼寧 大連 116021;2.大連化工研究設計院,遼寧 大連 116023)

分析了傳統生物脫氮工藝存在的問題,系統介紹了短程硝化反硝化、厭氧氨氧化、同時硝化反硝化等生物脫氮新工藝的機理、特點和研究現狀,同時指出了新技術存在的問題和今后研究的發展趨勢。

污水處理;生物脫氮;短程硝化反硝化;OLAND工藝;同時硝化反硝化

1 傳統生物脫氮技術

廢水中的氮以有機氮、氨氮、亞硝氮和硝酸鹽4種形態存在。傳統生物脫氮技術遵循已發現的自然界氮循環機理,廢水中的有機氮依次在氨化菌、亞硝化菌、硝化菌和反硝化菌的作用下進行氨化反應、亞硝化反應、硝化反應和反硝化反應后最終轉變為氮氣而溢出水體,達到了脫氮目的。

傳統理論認為氨氮的去除是通過硝化和反硝化這兩個相互獨立的過程實現的,由于對環境條件的要求不同,這兩個過程不能同時發生,而只能序列式進行,即硝化反應發生在好氧條件下,反硝化反應則發生在嚴格的缺氧或厭氧條件下。在這種理論指導下,傳統的生物脫氮工藝都是將缺氧區(或厭氧區)與好氧區分隔開,如A/O、A2/O等工藝;或者是在同一個反應器中,通過時間或空間上的好氧和缺氧的交替進行來實現氮的去除,如 SBR(Sequencing Batch Reactor Activated sludge Process)等工藝。

傳統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,造成系統的水力停留時間 HRT(Hydraulic Retention Time)較長,需要較大的曝氣池,增加了投資和運行費用;③系統為維持較高的生物濃度及獲得良好的脫氮效果,必須同時進行污泥和硝化液回流,增加了動力消耗和運行費用;④系統抗沖擊能力較弱,高濃度NH3和NO2廢水會抑制硝化菌生長;⑤硝化過程中產生的酸度需要投加堿中和,不僅增加了處理費用,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

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工業大學開發,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),實現對于NOB的淘洗。而當進水氨氮濃度低于130 mg/L時,亞硝酸鹽氧化菌就會在反應器內增長起來。在荷蘭的Utrecht污水處理廠,研究表明在進水氨氮負荷為500～600 mg/L時,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來實現短程硝化,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。

同傳統脫氮工藝相比,短程硝化反硝化具有很多優勢。通過控制硝化過程,使微生物氧化氨氮生成中間體亞硝態氮,然后利用亞硝態氮進行還原反應生成氣態氮。由于亞硝態氮同時是硝化和反硝化過程的中間產物,因而亞硝態氮途徑的短程硝化反硝化過程,理論上可以實現硝化過程中約25%的供氧能耗和反硝化過程中40%的碳源需求量;同時污泥產率大大降低,反應速率加快。張小玲等在對于短程硝化反硝化進行經濟技術分析過程中認為:當考慮低溶解氧條件下氧的傳質速率,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條件下運行的低溶解氧短程硝化系統會節約硝化過程約34.9%的曝氣能耗。

短程硝化反硝化工藝目前已經逐漸開始進入工程應用。2000年在采用SHARON工藝在1500 m3的反應器的生產性系統中,成功實現了處理污泥硝化液短程硝化反硝化的連續運行的工程實例;2003年,Yang等人在小試以及容積為3 m3的中試SBR反應器內都實現了穩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廠,其污水處理廠是丹麥國內最大的工業廢水處理廠,為了實現系統的穩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傳統硝化反硝化系統,目前該短程脫氮系統已經成功運行了2.5年,取得了令人滿意的處理效果和良好的經濟效益。

2.2 OLAND工藝

OLAND工藝是比利時 Gent微生物生態試驗室開發,通過直接對于富集的自養硝化污泥進行培養,利用這些污泥作為生物觸媒來處理富含氨氮的污水,其機理是利用Nitrosomoncrs菌系的亞硝酸鹽岐化作用。OLAND工藝的關鍵是:提供溶解氧來實現硝化只能進行到亞硝酸鹽階段,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量的氨氮。同傳統過程相比,OLAND過程可以節省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,尤其是連續流混合培養狀態下還存在一定的困難,目前,該工藝還停留在實驗室探索階段。

Kuai等人研究了OLAND系統中不同氨氮負荷條件下,氨氮降解和總氮去除情況,采用了p H和時間雙重控制。在容積負荷為0.13 gN-N(L·d)條件下,22%的氨氮轉化為亞硝化氮和硝態氮,38%的依然以氨氮形勢存在,其他40%以氮氣的形式被除去。通過微生物分析發現系統中占主導地位的仍然是氨氧化細菌。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氣;而同羥胺相關的氧化還原酶可能是在該反應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轉變成N2的生物氧化過程。

1995年,Mulder等人在實驗室規模的厭氧流化硝化床處理產甲烷反應器出水中,首次發現了厭氧氨氧化現象。大量的氨氮在反應器內消失,同時硝酸鹽被消耗,氮氣產量提高。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脫氮系統,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器內或者是限制曝氣的生物膜系統中實現。該過程是基于短程硝化和厭氧氨氧化兩個過程。

在限氧條件下(＜0.5%氣體飽和度)條件下,好氧氨氧化細菌和厭氧氨氧化細菌的聯合培養可以實現CANON過程。系統的穩定性依賴于Nitrosonioylcrs-like好氧菌和Plcrylctomycete-like厭氧氨氧化菌的穩定的相互關系。這些自養微生物能夠把氨氮經過亞硝酸鹽途徑直接轉化為氣態氮。這個過程能夠在單一自養反應器內實現完全的氨氮去除,反應式如下:

總反應見式:

在懸浮生長的反應器內,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。實現穩定有效的氨氮轉化的氨氮負荷下限值為0.1 kgN/m3·d,在此負荷下可以實現92%的總氮去除。當低于此負荷時,反應的動力學常數就會受到影響,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器;然后通過限制供氧使硝化細菌得到富集;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。結果顯示在穩定運行條件下,厭氧氨氧化細菌保持良好的活性,同時反應器內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%被轉化為氮氣,其余15%被轉化為硝態氮,一氧化二氮的產生量小于0.1%,系統實現了自養反硝化轉化氨氮生成氮氣,所以不需要投加外碳源。

與傳統脫氮工藝相比,CANON工藝過程無需投加碳源,同時總氮的去除在同一個微曝氣的反應器內就能完成,大大節約了占地和能量消耗。

2.5 SHARON-ANAMMOX聯合工藝

Jettern等人利用SHARON-ANAMMOX聯合工藝對污泥硝化出水進行了研究。SHARON反應器總氮負荷為0.8 kg/m3·d,轉化53%的總氮(39%N,14%N),用SHARON反應器的出水作為ANAMMOX流化床反應器的進水,在限制N的ANAMMOX反應器中N全部去除,N剩余下來。試驗中N-N的去除率可以達到83%。與傳統的生物脫氮工藝相比,SHARON-ANAMMOX聯合工藝在氧氣需要量和外加碳源上都具有明顯優勢:傳統工藝的氧氣需要量為4.65 kgO2/kgN,需要4～5 kgCOD/kgN;而聯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實驗過程中,SBR(Anammox)的氮負荷為0.75 kg N/m3·d,反應器活性達0.8 kg N/m3·d,N-N全被轉化,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。但從實際運行來看,當Anammox以顆粒污泥運行時,從 SHARON沖洗出來的污泥沒有對Anammox產生影響。根據這個小試,1998年初在Rotterdam的Dokhaven廢水處理廠建造了生產性SHARON-ANAMMOX的反應裝置,用于處理污泥硝化液出水。該構筑物處理了全廠約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 同時硝化反硝化

傳統理論認為,氨氮的去除是通過硝化和反硝化這兩個相互獨立的過程實現的,由于對環境條件的要求不同,這兩個過程不能同時發生,而只能序列式進行。

但是近幾年的研究表明,硝化和反硝化可在同一反應器中同時發生,許多實際運行中的曝氣池中也常常發現遠遠超過同化作用可以產生的總氮損失,這一現象被稱為同時硝化反硝化(SND)。雖然SND現象最近才引起人們的廣泛關注,但是這一現象卻早在上個世紀70年代就被發現了。Derws在1973年報道了在迅速切換好氧/缺氧環境的Orbal氧化溝中的同時硝化反硝化現象。Charle等人報道了在氧化溝污水處理廠中的91%的總氮去除現象。

目前,對于 SND現象的形成原因有很多種解釋,歸納起來主要集中于兩個方面:物理學解釋和生物學解釋。物理學解釋認為,SND是一種物理現象,是由于曝氣方式、反應器構型等造成的宏觀缺氧環境。或者受微生物種群結構、基質分布和生物代謝反應的不均勻性,以及物質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內部形成微觀缺氧環境。

關于SND的生物學解釋認為,SND是由于具有特定生化途徑的微生物作用引起的。近年來微生物學家發現好氧反硝化菌和異養硝化菌的存在,如Thiosphaera pantotropha,Pseudomonas spp,Alcaligenes faecalis等好氧反硝化菌同時也是異養硝化菌。Robertson等人在研究中發現,分子氧和硝態氮都可作為異養硝化菌的電子受體,異養硝化菌的生長速率在分子氧與硝態氮共存的環境中要高于在這兩種電子受體單一存在的環境。Robertson和Kuenen在后續研究中指出,“異養硝化菌與好氧反硝化反應之間存在著某種聯系,而不是為了在這個過程中獲得能量。”異養硝化菌把氨氮氧化成亞硝態氮后又通過反亞硝化作用把亞硝態氮還原成氮氣。硝化細菌的某些種類可以在沒有溶解氧的環境中生存,它們可以利用氨作為電子供體,亞硝態氮作為電子受體進行厭氧反應。Bock等還發現,在低溶解氧的環境中,Nitrosomonaeuropaea和 Nitrosomonas eutropha可以同時利用氨氮和分子氧作為電子供體進行硝化和反硝化反應,隨著溶解氧濃度的進一步降低,被利用的亞硝態氮將會增多。

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

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

1)硝化過程中堿度被消耗,而同步的反硝化過程中產生了堿度,SND能有效地保持反應器中pH穩定,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,因此這一點是很重要的。

2)SND意味著在同一反應器,相同的操作條件下,硝化、反硝化同時進行,如果能保證在好氧池中一定效率的反硝化與硝化反應同時進行,那么對于連續運行的SND工藝污水處理廠,可以省去缺氧池的費用,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的污水處理廠實驗中發現,同傳統的后置反硝化系統相比,同時硝化反硝化可以節約20%的反應器容積;可以實現50%的能耗節省。Gbertanza在中試及生產性實驗研究中,通過采用溶解氧和氧化還原電位控制的方法,通過SND作用實現了90%的總氮去除,運行費用大大降低。同時,由于采用SND途徑實現總氮去除的系統中,通常需要采用相對較低的溶解氧濃度,低溶解氧誘發的污泥膨脹問題需要引起注意。

3 研究展望

氮污染日益嚴重,研發高效低耗的生物脫氮技術勢在必行。生物脫氮過程在本質上是一群具有特殊功能的細菌(亞硝化細菌、硝化細菌、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果。因此對在脫氮過程中這類細菌的生態學研究顯得異常重要,包括不同菌群對運行條件變化的響應,各功能菌群之間的相互作用關系及功能菌群的代謝活性與脫氮效果(去除率)之間的關系等。

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

2010-10-22