處理低C/N廢水的反硝化細菌及生物脫氮工藝的研究進展

沈潔,楊國,廖慶,羅偉鋒,夏斌,董華平*

(1.紹興文理學院 化學化工學院,浙江 紹興 312000;2.紹興文理學院 生命科學學院,浙江 紹興 312000;3.中煤科工集團杭州研究院有限公司,浙江 杭州 311200;4.麗水佳源環(huán)保工程有限公司,浙江 麗水 323400)

硝態(tài)氮(NO3--N)是廢水的主要污染物之一,在水體長期存在并累積會導致水體嚴重富營養(yǎng)化,進而破壞水生態(tài)平衡,并對人們生活和身體健康產(chǎn)生嚴重威脅[1]。據(jù)統(tǒng)計,我國生活污水、城市污水和部分工業(yè)廢水都不同程度地存在NO3--N的過量排放[2]。其中,生活污水的NO3--N質(zhì)量濃度在20～100 mg/L之間[3],工業(yè)廢水NO3--N的排放濃度可達1 000 mg/L以上[4],均顯著高于我國《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準[5]。由此可見,廢水中NO3--N的達標處理刻不容緩。

厭氧反硝化是目前常用的NO3--N脫氮技術,通常以有機碳為碳源和電子供體,利用反硝化細菌的還原作用,將NO3--N還原為N2。然而,目前生活污水、城市污水和部分工業(yè)廢水中有機物含量偏低,呈現(xiàn)低C/N的特征,不利于反硝化作用的進行,導致出水總氮(TN)偏高[6]。通常需要外加甲醇、乙醇和醋酸鹽等有機碳加以解決[7],但容易造成脫氮成本提高、出水COD偏高和碳排放增加等問題[8-9]。近年來,針對低C/N的廢水脫氮要求,篩選出了適應低C/N的異養(yǎng)反硝化和自養(yǎng)反硝化細菌,研究闡明了這些反硝化菌的脫氮機理,并開發(fā)了反硝化與厭氧氨氧化等其他技術相耦合的組合技術,在一定程度上解決了低C/N廢水的脫氮難題。為此,筆者著重介紹了這些反硝化細菌的脫氮性能和適應機制,以及反硝化與其他技術耦合的組合技術在處理實際低C/N廢水中的應用,以期為進一步篩選適應低C/N的高活性菌劑,開發(fā)更經(jīng)濟有效的脫氮工藝作參考。

1 適應低C/N的異養(yǎng)反硝化細菌

通常,大部分異養(yǎng)反硝化細菌在C/N為5.0～10.0具有較好的脫氮性能,當C/N在4.0以下時,脫氮性能明顯降低。近年來,適應低C/N的異養(yǎng)反硝化菌被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)。Su等[10]人從水庫中分離出一株假單胞菌Pseudomonassp.Strain H117,該菌株在C/N為4.68時,NO3--N的最大降解率可達91.95%。Fan等[11]人分離得到了一株寡營養(yǎng)反硝化細菌Acinetobactersp.FYF8,當C/N為2.83時,該菌株的反硝化效率為97.90%。Zhang等[12]人從水庫中分離得到Comamonassp.YSF15,在C/N為3.0時可實現(xiàn)完全反硝化。在C/N為3.0,4.0和5.0體系中,氮氣的轉(zhuǎn)化率分別達到89.03%,85.29%和82.95%。可見,該菌在低C/N和高C/N條件下都表現(xiàn)出很好的反硝化能力。

進一步研究發(fā)現(xiàn),這些反硝化菌能在低C/N條件下進行反硝化,與其產(chǎn)生的附著在細菌表面的胞外聚合物(EPS)或分泌在細菌周圍的可溶性微生物產(chǎn)物(SMPs)密切相關[13]。EPS和SMPs的主要成分為多糖、蛋白質(zhì)和腐殖質(zhì)[14],在低C/N下這些物質(zhì)為細菌的新陳代謝提供碳源和能量[15]。Zhu等[16]人從低C/N的生態(tài)系統(tǒng)中分離出7種反硝化菌,其中Pseudomonassp.3-7表現(xiàn)出很好的自聚集能力和EPS的分泌能力。Zhang等[12]人研究了Comamonassp.SYF15在低C/N下分泌的SMPs的分子量(MV)變化,結(jié)果表明,在C/N=2.0條件下,MW為100～50 000 Da的SMPs作為碳源參與了反硝化過程,細胞外代謝旺盛;而在C/N= 5.0條件下,MW為50～3 000 Da的SMPs參與了反硝化,SMPs參與量與C/N為2.0相比較少,說明菌株YSF15在低C/N條件下通過降解其分泌的SMPs來補充碳源,而在C/N大于5.0的條件下直接利用外源有機碳。

Fan等[11]人研究了Acinetobactersp.FYF8在C/N為2.0,2.5和3.0條件下分泌的EPS中多糖(PS)和蛋白質(zhì)(PN)含量的變化,并用紅外光譜分析其中的CH2、C-O、C-O-C等官能團,利用三維熒光光譜(3D-EEM)分析EPS中PS和PN的含量組成。結(jié)果表明,在低C/N條件下,EPS可作為細菌的儲備碳源庫,促進了細菌聚集體的形成;其中PS主要通過提供碳源發(fā)揮作用,PN參與生物活性,可降解性較低,PS比PN對菌株反硝化作用的貢獻更大,PS和PN的存在為硝酸鹽微污染水的治理提供了新的理論依據(jù)。

2 自養(yǎng)反硝化

自養(yǎng)反硝化指某些細菌如Thiobacillusdenitrificans和Thiomicrospiradenitrificans可以利用碳酸氫鹽、二氧化碳等無機碳作為碳源[17],以H2、硫單質(zhì)及硫化物等作為電子供體來去除NO3--N[18]。因此,自養(yǎng)反硝化細菌不需要添加有機物,可以在寡營養(yǎng)環(huán)境中進行脫氮,產(chǎn)生的生物量較少[19-20]。根據(jù)電子供體的不同,自養(yǎng)反硝化可分為氫自養(yǎng)、硫自養(yǎng)和鐵自養(yǎng)反硝化。

2.1 氫自養(yǎng)反硝化

氫自養(yǎng)反硝化細菌如Rhodocyclus、Hydrogenophaga和beta-ProteobacteriaHTCC379等,以H2為電子供體,將硝酸根還原為N2的方法,其反應式如下[21]:

5H2+2NO3-→N2+4H2O+2OH-

(1)

氫自養(yǎng)反硝化具有反應產(chǎn)物單一、運行成本低等優(yōu)點,但H2在水中的溶解性較低[22],輸送效率低,是一種易燃易爆氣體,在地下水修復時會帶來一定的安全隱患。研究者們將膜技術運用于氫自養(yǎng)反硝化系統(tǒng),有效提高了氫氣的利用效率和安全性,保證氫氣與硝酸鹽的傳質(zhì)通量,進一步提高反硝化效率。Zhang等[23]以聚氯乙烯(PVC)中空纖維為原料,建立了中空纖維膜生物膜反應器,在生物膜內(nèi),氫自養(yǎng)反硝化細菌利用H2還原NO3-。在運行第279 d時,進水NO3--N質(zhì)量濃度為10 mg/L,水力停留時間為37.5 min時,最大反硝化速率達到0.41 kg/(m3·d)。Rezania等[24]采用一種新型氫自養(yǎng)反硝化系統(tǒng),缺氧-好氧序批式膜生物反應器,在缺氧條件下將氫氣擴散至生物反應器中,然后在好氧條件下進行可溶性微生物去除和生物質(zhì)過濾,實現(xiàn)了NO3--N和SMPs的同時去除。當硝酸鹽負荷為0.328 kg/(m3·d),生物反應器的去除效率為100%,產(chǎn)生的SMPs,81%被膜保留,9%被生物去除,5%通過膜排出。

2.2 硫自養(yǎng)反硝化

硫自養(yǎng)反硝化指微生物如Paracoccus、Sulfurimonas和Thioalkalivibrio等,以還原態(tài)硫(S0、S2O32-)作為電子供體,將硝酸根還原為N2的方法,其反應式如下:

S0+1.2NO3-+0.4H2O→0.6N2+SO42-+0.8H+

(2)

5S2O32+1.6NO3-+0.2H2O→0.8N2+SO42-+0.4H+

(3)

硫自養(yǎng)反硝化具有價格低廉、脫氮效率高產(chǎn)泥量低等優(yōu)點。Sierra-Alvarez等[25]按體積比為1∶1的單質(zhì)硫:石灰石顆粒為原料投入至生物反應器中,當進水的NO3--N濃度為7.3 mmol/L,反應器負荷為21.6 mmol/L時,NO3--N可以完全去除;處理模擬實際廢水,當NO3--N濃度為1.3 mmol/L,反應器負荷為18.1 mmol/L時,去除率可達95.9%。但硫自養(yǎng)反硝化工藝條件如pH值、溶解氧、溫度、水力停留時間等比較苛刻,產(chǎn)生的SO42-可能會對環(huán)境造成二次污染。

2.3 鐵自養(yǎng)反硝化

鐵自養(yǎng)反硝化指微生物如Proteobacteria和Nitrospira等以HCO3-、CO32-作為碳源,Fe或Fe2+為電子供體,將硝酸根還原為N2的方法,其反應式如下:

Fe2++2NO3-+24H2O→10Fe(OH)3+N2+8H+

(4)

Fe可以作為能量的來源,與反硝化酶的作用有著密切的聯(lián)系。與氫自養(yǎng)和硫自養(yǎng)反硝化相比,鐵自養(yǎng)反硝化安全、反應產(chǎn)物無毒、鐵源價格低廉,還可用于化學除磷和吸附重金屬[26-27],具有廣闊的前景和研究潛力。Liu等[28]人構建了一種新型的鐵基化學還原和自養(yǎng)反硝化系統(tǒng)(ICAD),可以實現(xiàn)低C/N廢水中的NO3--N的去除。系統(tǒng)運行131 d,NO3--N的平均去除率為97.2%。進水NO3--N質(zhì)量濃度為20.3 mg/L時,12 h后NO3--N去除率為85.5%,24 h后NO3--N去除率為98.4%。進水NO3--N質(zhì)量濃度為10.3 mg/L時,12 h后NO3--N去除率為96.3%。Deng等[29]人開發(fā)了微電解與生物反硝化(MEBD)聯(lián)合工藝,使用鐵屑和活性炭作為電解載體,實現(xiàn)同時硝化和自養(yǎng)反硝化,NH4+-N和TN的去除效率為92.6%和95.3%,TN去除速率為(0.373±0.11) kg/(m3·d)。

3 低C/N實際廢水的組合脫氮工藝

實際污水處理過程中,由于進水特性不足、處理設施過時或水力滯留時間短,有機底物往往不足或未充分利用。目前處理低C/N廢水的工藝有:生物電化學工藝(BES)[30]和厭氧氨氧化與其他技術耦合[31]等工藝。

BES通過有機碳陽極氧化產(chǎn)生的電子被陰極反硝化菌所接收,從而還原NO3--N,目前已被應用于低C/N實際廢水的脫氮處理。Zhu等[32]在上流式厭氧污泥反應器(UASB)加入Fe-C電極,由于鐵電極的存在富集了更多的外產(chǎn)電細菌,增強了陽極氧化,更好地推動了陰極反硝化。在初始NO3--N為350 mg/L,C/N為2.0,3.0的條件下,NO3--N的去除率分別達到90.3%和88.5%。該脫氮工藝為處理低C/N實際廢水提供了新的思路。

厭氧氨氧化是以CO2為唯一碳源,NH4+為電子供體、NO2-為電子受體,將NO2-和NH4+轉(zhuǎn)化為N2的自養(yǎng)過程[33]。厭氧氨氧化菌如CandidatusBrocadia,Planctomycetes等,很難被分離出來,通常以菌落的形式存在于生物膜和顆粒污泥中[34]。Kumar等[35]人首次提出厭氧氨氧化耦合反硝化工藝(SAD),通過控制反應條件使厭氧氨氧化細菌和反硝化微生物在低C/N條件下保持較高的脫氮效率。Du等[36]人在SBR反應器中進行SAD,NH4+-N質(zhì)量濃度為63.6 mg/L、NO3--N質(zhì)量濃度為69.2 mg/L,C/N為2.0～3.0時,NH4+-N和NO3--N的去除率為94.7%和97.8%。Wang等[37]人使用連續(xù)上升反應器進行SAD,NH4+-N質(zhì)量濃度為30 mg/L、NO3--N質(zhì)量濃度為45 mg/L,C/N為2.3～2.7的條件下,總氮的去除率達80.3%。Wang等[38]人開發(fā)了一種新型的硝化和厭氧氨氧化耦合的工藝(PN/SFDA)用于低C/N生活廢水脫氮。PN/SFDA工藝由兩個反應器組成,一個是部分硝化的預序批式反應器(PN-SBR),另一個是進行綜合反硝化和厭氧氨氧化的缺氧反應器(SFDA)。通過延長好氧時間,PN-SBR出水中NO2--N/NH4+-N質(zhì)量比為37,保證此反應器內(nèi)的NH4+可以完全硝化。在SFDA反應器中,控制NO2--N/NH4+-N質(zhì)量比在2～10之間,反硝化和厭氧氨氧化可同時發(fā)生,且反硝化對脫氮的貢獻更大。當C/N≤1.0時,反硝化和厭氧氨氧化共同起作用。目前,該工藝已被應用于低C/N生活污水的脫氮處理。

此外,厭氧氨氧化菌與硫自養(yǎng)反硝化細菌具有相當?shù)纳L速度和生物量產(chǎn)量,并且這兩種生物過程都發(fā)生在無氧條件下,常聯(lián)合去除低C/N廢水。Li等[39]人將硫自養(yǎng)反硝化(SDAD)和厭氧氨氧化耦合構建反硝化氨氧化在處理城市廢水中取得了成功[40]。在自養(yǎng)條件下以S0作為電子供體,通過硫自養(yǎng)反硝化將NO3--N還原為NO2--N,再利用厭氧氨氧化將NO2--N和NH4+-N轉(zhuǎn)化為N2,實現(xiàn)同時去除NH4+-N和NO3--N。該工藝TN去除速率為4.11 kg/(m3·d),去除效率達98%。

4 結(jié)論

本文系統(tǒng)綜述了適應低C/N廢水的反硝化細菌的脫氮性能和適應機制,自養(yǎng)和異養(yǎng)反硝化菌及目前處理低C/N廢水的新工藝,為今后處理低C/N廢水提供參考。雖然這些工藝在處理低C/N廢水取得了理想的效果,但是在反硝化效率、實際應用等方面仍存在一定缺陷,在今后的發(fā)展中需要不斷提高。

(1)異養(yǎng)和自養(yǎng)反硝化細菌在處理實際低C/N廢水中還存在培養(yǎng)過程緩慢、系統(tǒng)不穩(wěn)定等問題,今后須加強對復合反硝化菌劑的篩選培養(yǎng)和實際應用研究。

(2)SAD工藝中的NO2-積累是維持厭氧氨氧化高活性的關鍵因素,如何培養(yǎng)積累高亞硝酸鹽的反硝化污泥,并將其與厭氧氨氧化工藝相結(jié)合,也有待進一步探索。

(3)硫自養(yǎng)反硝化和厭氧氨氧化相耦合的反硝化/氨氧化工藝,容易導致SO42-過量排放,未來需要通過進一步研究來解決這些問題。