污水處理生物脫氮技術(shù)

對(duì)近10年世界生物脫氮技術(shù)的研究狀況進(jìn)行了詳細(xì)的綜述,著重闡述了生物脫氮的微生物種群、脫氮微生物種群分布、脫氮微生物的生理生化特性,脫氮微生物細(xì)胞內(nèi)所含的硝酸鹽還原酶、亞硝酸還原酶、一氧化二氮還原酶的細(xì)胞,影響脫氮酶活性的因素,脫氮微生物調(diào)控硝酸鹽呼吸的基因位點(diǎn)、微生物脫氮基因的表達(dá)等發(fā)展現(xiàn)狀,同時(shí)還敘述了現(xiàn)代生物技術(shù)在地下水氮素污染的生物恢復(fù)和工業(yè)廢水處理等應(yīng)用的進(jìn)展情況,為進(jìn)一步探索新的生物脫氮技術(shù)的奠定了一定基礎(chǔ).

1、厭氧氨氧化反應(yīng)機(jī)理

根據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者的研究，厭氧氨氧化指的是在厭氧的條件下，以氨氮(NH4+N)為電子供體，亞硝酸氮(NO2-N)為電子受體，以CO2或HCO3-為碳源，通過(guò)厭氧氨氧化菌的作用，將氨氮氧化為氮?dú)?N2)的過(guò)程。其中，在厭氧氨氧化的過(guò)程中，也產(chǎn)生了中間產(chǎn)物聯(lián)氨(N2H4)以及羥氨(NH2OH)。根據(jù)反應(yīng)方程式，以及厭氧氨氧化技術(shù)的原理，可以得出：在厭氧氨氧化的反應(yīng)中只對(duì)CO2以及HCO3-產(chǎn)生了消耗，并沒(méi)有進(jìn)行外加碳源，因此不但能夠有效實(shí)現(xiàn)成本的節(jié)約，也防止了反應(yīng)中產(chǎn)生的二次污染;反應(yīng)過(guò)程中幾乎不產(chǎn)生N2O，能夠有效避免傳統(tǒng)脫氮造成的溫室氣體排放；反應(yīng)過(guò)程產(chǎn)堿量為零，無(wú)需添加中和試劑，并較為環(huán)保。除此以外，該項(xiàng)技術(shù)還具有產(chǎn)泥量少，節(jié)省供氧動(dòng)力消耗等多方面的優(yōu)點(diǎn)，具有可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用的意義。

2、厭氧氨氧化技術(shù)

厭氧氨氧化污水處理技術(shù)有著諸多方面的優(yōu)勢(shì)，經(jīng)過(guò)了國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)工藝技術(shù)的不斷深入研究，目前已經(jīng)存在多種形式的厭氧氨氧化技術(shù)，其中開(kāi)發(fā)較為成熟的主要有亞硝化-厭氧氨氧化(SHARON-ANAMMOX)以及*自養(yǎng)脫氮工藝(CANON)、氧限制自養(yǎng)硝化-反硝化(OLAND)等工藝技術(shù)。

(1)亞硝化-厭氧氨氧化工藝

短程硝化-厭氧氨氧化技術(shù)要分兩部分完成，并需要在不同的反應(yīng)器中進(jìn)行。首先是亞硝化部分，能夠?qū)崿F(xiàn)50%左右的氨氮氧化，其次是厭氧氨氧化部分，完成剩余部分的氨氮氧化，并實(shí)現(xiàn)與亞硝化部分新生成的亞硝態(tài)氮進(jìn)行厭氧氨氧化反應(yīng)，生成氮?dú)夂拖鯌B(tài)氮。因此，在兩項(xiàng)技術(shù)的并列連用下，就不需要再外加亞硝氮，且在反應(yīng)過(guò)程中能有效補(bǔ)償亞硝化堿的消耗，使其達(dá)到堿的自平衡。將兩種菌種分別放置在不同的反應(yīng)器內(nèi)，分別產(chǎn)生生物作用，也有利于功能菌的生長(zhǎng)，有效減少水中有害物質(zhì)的抑制效應(yīng)。該工藝技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、需氧量低且厭氧環(huán)境好。較之傳統(tǒng)技術(shù)，也能有效降低曝氣量，為氨氧化菌的生長(zhǎng)提供了舒適的條件。以外，還能有效減少N2O等溫室氣體的排放。該項(xiàng)串聯(lián)技術(shù)目前多用于低碳氮化廢水的處理，在垃圾滲濾液、城鎮(zhèn)污水處理廠等也有較好的處理效果。

(2)限氧自養(yǎng)硝化-反硝化工藝

限氧自養(yǎng)硝化-反硝化工藝是一種一步脫除氨氮，無(wú)需加入COD的新工藝技術(shù)，這是由比利時(shí)某大學(xué)微生物研究室研制開(kāi)發(fā)的。在低氧的條件下，亞硝酸菌有著較強(qiáng)的溶解氧的親和力，形成了亞硝酸的積累。通常條件下，亞硝酸菌飽和常數(shù)為0.2～0.4mg/L，與硝酸菌(1.2～1.5mg/L)有較大差異。限氧自養(yǎng)硝化-反硝化工藝?yán)眠@種差異性，就容易在較低溫度下實(shí)現(xiàn)對(duì)亞硝酸菌的穩(wěn)定積累，淘汰硝酸菌。再實(shí)現(xiàn)厭氧氨氧化反應(yīng)，產(chǎn)生氮?dú)?。與SHARON-ANAMMOX工藝相比，OLAND生物脫氮在硝化過(guò)程中更能節(jié)省溶解氧消耗，在相對(duì)較低的溫度下脫氮效果更好。

(3)*自養(yǎng)脫氮工藝

*自養(yǎng)脫氮工藝技術(shù)是指通過(guò)對(duì)同一構(gòu)筑物內(nèi)溶解氧的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)厭氧氨氧化，氨氮到氮?dú)獾霓D(zhuǎn)化過(guò)程都由自養(yǎng)菌完成。其基本原理是氨氮部分被亞硝化細(xì)菌氧化，形成亞硝氮；而剩余部分的氨氮與隨后產(chǎn)生的亞硝氮發(fā)生氧化反應(yīng)，就形成了氮?dú)狻Ｔ诖诉^(guò)程中，由于*自養(yǎng)脫氮反應(yīng)所需的細(xì)菌都是自養(yǎng)型的細(xì)菌，反應(yīng)過(guò)程也是在無(wú)機(jī)自養(yǎng)的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)的，因此在反應(yīng)期間無(wú)需再添加有機(jī)物。不過(guò)此項(xiàng)技術(shù)也容易受到硝酸菌的干擾，為保證其穩(wěn)定運(yùn)行，使厭氧氨氧化菌不受競(jìng)爭(zhēng)，就需要嚴(yán)格控制反應(yīng)條件和水質(zhì)。因?yàn)?自養(yǎng)脫氮工藝技術(shù)全程自養(yǎng)，因此廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室廢水、城市污水等處理。

3、厭氧氨氧化污水處理的應(yīng)用

隨著對(duì)厭氧氨氧化技術(shù)研究的不斷深入，已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了多種污水處理的實(shí)際應(yīng)用，如市政污泥液、生活污水、廁所水、焦化廢水、味精廢水以及垃圾滲濾液等的處理，并逐漸在其他廢水處理領(lǐng)域得以普及和使用。但目前對(duì)于一些制藥、養(yǎng)殖等高氨氮的工業(yè)領(lǐng)域，應(yīng)用厭氧氨氧化技術(shù)進(jìn)行污水處理仍較少，這也是今后需要努力的方向。以下選取幾個(gè)較為典型的厭氧氨氧化污水處理的實(shí)際應(yīng)用效果，供參考。

(1)污泥液廢水處理

較為典型的低碳氮比污泥液廢水有污泥消化液以及污泥壓濾液等，溫度多為30℃～37℃，pH值也多在7.0～8.5之間，非常適宜厭氧氨氧化菌的生長(zhǎng)。

(2)垃圾滲濾液處理

垃圾滲濾液的特點(diǎn)是有機(jī)物濃度高、氨氮含量高、水質(zhì)變化大，且容易含有重金屬等有毒物質(zhì)，因而是一種成分較為復(fù)雜的污水。集中的氨氮濃度一般為2000mg/L，隨著垃圾堆放時(shí)間的增長(zhǎng)還會(huì)越來(lái)越高。有學(xué)者對(duì)廢物填埋場(chǎng)滲濾液進(jìn)行研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)了滲濾液中厭氧氨缺失的現(xiàn)象，才使得對(duì)其進(jìn)行厭氧氨氧化技術(shù)處理成為一種可能。從當(dāng)前對(duì)垃圾滲濾液進(jìn)行厭氧氨氧化技術(shù)處理的研究來(lái)看，多為采用的是亞硝化-厭氧氨氧化工藝，一些新的組合技術(shù)也得到了嘗試，但由于其中含有較多的有毒物質(zhì)，很容易使厭氧氨氧化的活性受到抑制。為有效穩(wěn)定其運(yùn)行性能，還需要對(duì)滲濾液中的微生物、菌群等進(jìn)行抑制和有效調(diào)控，相關(guān)的技術(shù)也需要不斷研究和優(yōu)化。

(3)城市生活污水處理

隨著近年來(lái)我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷加快，城市污水處理行業(yè)的壓力也越來(lái)越大。要增強(qiáng)污水處理的效益，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，就需要實(shí)現(xiàn)城市污水的再利用，有效實(shí)現(xiàn)能源的循環(huán)回收，這已成為當(dāng)前的污水處理研究的重要課題。城市生活污水中含有有機(jī)碳、磷酸鹽以及氨氮等眾多能量，正符合自養(yǎng)型的脫氮技術(shù)的處理?xiàng)l件，因而有望實(shí)現(xiàn)污水廠的能源自給。但是對(duì)于較低水溫(8℃～15℃)的城市來(lái)說(shuō)，尤其是冬季，用厭氧氨氧化工藝進(jìn)行城市污水處理仍是較大的挑戰(zhàn)。雖然國(guó)外的相關(guān)學(xué)者(如Lotti等)對(duì)于這方面已有了突破性研究，對(duì)于中試(4m3，19℃±1℃)的階段性研究也有所進(jìn)展，有望實(shí)現(xiàn)污水處理廠的能源自給，但在實(shí)際技術(shù)工程應(yīng)用的過(guò)程中，仍存在諸如低溫條件下如何提高菌性活體、如何實(shí)現(xiàn)全體擴(kuò)增等問(wèn)題，需要在未來(lái)的研究發(fā)展中有所突破，才能使其在處理城市污水中得以更好地運(yùn)用。

(4)畜禽養(yǎng)殖污水處理

該類污水的特點(diǎn)是COD濃度高、成分復(fù)雜且水質(zhì)波動(dòng)大，還存在一定的有機(jī)氮。使用傳統(tǒng)的脫氮技術(shù)進(jìn)行畜禽養(yǎng)殖污水處理時(shí)，不僅能耗高，還需要加補(bǔ)碳源，脫氮效果也不理想。而現(xiàn)代的厭氧氨氧化工藝有著傳統(tǒng)技術(shù)沒(méi)有的優(yōu)勢(shì)，有望成為處理該類廢水的備選工藝技術(shù)。當(dāng)前在對(duì)豬場(chǎng)廢水厭氧處理的研究中，還存在著運(yùn)行尚不穩(wěn)定的問(wèn)題，需要進(jìn)一步優(yōu)化工藝，找到消除影響厭氧氨氧化菌生長(zhǎng)障礙的對(duì)策，發(fā)揮其在畜禽養(yǎng)殖污水處理領(lǐng)域的效能。