污水生物脫氮技術(shù)
摘要：短程硝化－反硝化工藝、好氧反硝化工藝、厭氧氨氧化工藝以及全程自養(yǎng)脫氮工藝是近年來(lái)迅速發(fā)展的幾種新型節(jié)能生物脫氮技術(shù)。新型工藝的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高濃度廢水( 如厭氧消化液等) 中氮元素的生物法高效低耗去除。本文對(duì)厭氧和低溶氧條件下的新型生物脫氮技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)和對(duì)比，并對(duì)各項(xiàng)工藝的運(yùn)行工況、微生物種群、特性和未來(lái)的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。
關(guān)鍵詞：污水,生物脫氧技術(shù)
污水中的氮元素可引起接納水體中溶解氧( DO) 的過(guò)度消耗和水體富營(yíng)養(yǎng)化、降低氯氣消毒效率等問(wèn)題，因此，水體中氮元素的去除必須引起高度重視。水體中的含氮化合物可通過(guò)一系列的物理、化學(xué)和生物方法去除。
傳統(tǒng)生物脫氮工藝( 硝化－ 反硝化技術(shù)) 因?yàn)檩^低的微生物活性導(dǎo)致脫氮效率低下，且此工藝一般用于處理含氮量較低的污水。近年來(lái)，幾種新型的高效生物脫氮工藝被深入研究和發(fā)展，如: 短程硝化－ 反硝化工藝、好氧反硝化工藝、厭氧氨氧化工藝以及全程自養(yǎng)脫氮工藝( 如 Canon 工藝) 。它們與傳統(tǒng)生物脫氮工藝相比具有以下一系列優(yōu)點(diǎn): 無(wú)需外加碳源、較低的污泥產(chǎn)率、較低的能耗和較低的曝氣量等［1］。
一、好氧反硝化
傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為好氧條件下不存在反硝化，但近年來(lái)有研究表明好氧條件下亦可發(fā)生反硝化作用。高濃度溶解氧( DO) 條件下的完全反硝化過(guò)程首先是在Paracoccus 菌屬中發(fā)現(xiàn)的。
在處理豬場(chǎng)養(yǎng)殖廢水的SBR 反應(yīng)器的活性污泥中分離出的菌屬 Pseudomonas stutzeri SU2 可在好氧條件下迅速將硝酸鹽還原為N2，其間并未檢測(cè)到亞硝酸鹽的積累。大部分的好氧反硝化菌屬于異養(yǎng)菌，可進(jìn)行硝酸鹽和氧氣共呼吸的菌種廣泛的存在于環(huán)境中。好氧反硝化的優(yōu)勢(shì)在于它直接可發(fā)生于含有大量易于微生物降解有機(jī)物的好氧反應(yīng)器中，然而，好氧反硝化的反應(yīng)機(jī)理有待于進(jìn)一步深入研究。
二、自養(yǎng)反硝化
不同種類的化能異養(yǎng)菌、自養(yǎng)菌和光合細(xì)菌以及一部分真菌都具有反硝化功能。自養(yǎng)反硝化菌可利用無(wú)機(jī)硫化物、氫、氨氮和亞硝酸鹽做為電子受體［2］。
1． 硫－ 氧化型和氫－ 氧化型自養(yǎng)反硝化菌。在自養(yǎng)反硝化過(guò)程中，自養(yǎng)反硝化菌以無(wú)機(jī)的氧化還原反應(yīng)獲取能量，以氫或不同的還原態(tài)硫化物( HS － ，H2 S，S，S2O3 2 － ，等) 為電子供體，以無(wú)機(jī)碳化合物( 如 CO2 或者HCO3 － ) 為碳源。Baalsruud 較早的研究了硫－ 氧化型細(xì)菌的生理生化特性，T． pantotropha 是一種專型厭氧自養(yǎng)硫化細(xì)菌，Thiobacillus denitrificans 是一類分布廣泛具有明顯特征的化能自養(yǎng)型細(xì)菌。它可利用無(wú)機(jī)硫化物( 如硫化氫和硫代硫酸鹽) 氧化進(jìn)行反硝化作用，近年來(lái)，硫－ 氧化型自養(yǎng)反硝化由于較氫－ 氧化型自養(yǎng)反硝化由于其高效低耗的特點(diǎn)引起了越來(lái)越多的關(guān)注。
2． 反硝化硝化細(xì)菌。不同種類的氨化細(xì)菌通常被認(rèn)為是好氧化能自養(yǎng)菌，它廣泛的存在于各種污水處理廠和生態(tài)系統(tǒng)中。Nitrosomonas 菌屬微生物可以在完全好氧或缺氧條件下同時(shí)進(jìn)行硝化和反硝化反應(yīng)并以N2 為最終產(chǎn)物。
Nitrosomonas eutropha 是一類專型自養(yǎng)硝化細(xì)菌，它也可以利用氫為電子供體、亞硝酸鹽為電子受體進(jìn)行反硝化作用。
將好氧和厭氧氨氧化生物反應(yīng)器組合，出現(xiàn)了一系列新型生物脫氮工藝，如: Sharon 工藝、Canon 工藝、NOx 工藝、OLAND 工藝和好氧反氨化工藝。
三、厭氧氨氧化
厭氧氨氧化是一個(gè)由Planctomycete 菌屬參與的自養(yǎng)生物脫氮過(guò)程，分子生物學(xué)手段揭示了厭氧氨氧化菌種類的多樣性。這類細(xì)菌具有特殊的生理特性，可在無(wú)分子氧條件下消耗氨氮。厭氧氨氧化反應(yīng)是一個(gè)釋能反應(yīng)，反應(yīng)過(guò)程中伴隨著有機(jī)物的能量代謝。此反應(yīng)是將氨氮氧化并以亞硝氮為電子受體最終產(chǎn)物為N2。
厭氧氨氧化微生物以CO2 為唯一碳源、利用亞硝酸鹽為電子供體合成細(xì)胞物質(zhì)。涉及厭氧氨氧化的整個(gè)反應(yīng)是此類微生物的釋能反應(yīng)，盡管亞硝酸單胞菌屬也能在厭氧條件下將氨氮氧化，厭氧氨氧化是 Planctomycete 菌屬脫氮的獨(dú)有反應(yīng)。
四、全程自養(yǎng)型生物脫氮工藝
1． 兩級(jí)串聯(lián)短程硝化－ 厭氧氨氧化工藝。高氨氮廢水中的含氮化合物可通過(guò)厭氧氨氧化工藝去除。然而，進(jìn)入?yún)捬醢毖趸に囍拔鬯械陌钡仨毑糠盅趸癁閬喯跛猁}( 55 － 60% 氨氮) ，因此，厭氧氨氧化工藝必須結(jié)合短程硝化工藝如部分Sharon( 短程硝化－ 反硝化反應(yīng)器) 工藝串聯(lián)運(yùn)行。
Sharon 工藝又稱為短程硝化－ 反硝化工藝，通過(guò)將NH4 + 氧化成 NO2 － 從而將污水中的氨氮去除。這一工藝采用好氧－ 缺氧交替運(yùn)行的操作方式，在單個(gè)反應(yīng)器內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)短程硝化－ 反硝化脫氮。硝化產(chǎn)生的酸度可部分地由反硝化產(chǎn)生的堿度中和，以減少化學(xué)試劑用量。盡管Sharon 工藝因?yàn)槠漭^高的溫度依賴性限制了其在污水處理中的應(yīng)用，但是對(duì)于溫度較高的高氨氮含量( ＞ 0． 5g /L) 污水來(lái)說(shuō)， Sharon 工藝可實(shí)現(xiàn)污水中氮素的高效去除。
2． Canon 工藝。在厭氧氨氧化菌富集培養(yǎng)物中存在有一定數(shù)量的好氧氨氧化菌，通過(guò)控制DO 濃度可在單一反應(yīng)器中實(shí)現(xiàn)兩類細(xì)菌的協(xié)調(diào)生長(zhǎng)從而構(gòu)成單相Canon 工藝．硝化細(xì)菌將氨氮氧化為亞硝酸鹽，消耗溶解氧為厭氧氨氧化過(guò)程創(chuàng)造條件，Canon 工藝對(duì)外界環(huán)境條件要求十分苛刻，如DO 濃度、氮表面負(fù)荷、生物膜厚度和溫度等。
3． NOx 工藝。NOx 工藝是通過(guò)向污水中通入痕量N2O 氣體( 氨氮/ N2O = 1000 － 5000: 1) 以控制和促進(jìn)Nitrosomonas 菌屬的反硝化活性來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在完全缺氧條件下，NOx 的通入對(duì)Nitrosomonas 菌屬的硝化/ 反硝化活性的誘導(dǎo)起調(diào)節(jié)作用［3］。
此新工藝已在實(shí)驗(yàn)室和中試硝化系統(tǒng)中進(jìn)行了試驗(yàn)。容積為3． 5m3 的中試系統(tǒng)處理高濃度污泥消化液( 大約2kgNH4 － N/m3 ) 時(shí)，通入濃度為200ppm 的NO2 氣體，N2 的平均轉(zhuǎn)化率為67%。實(shí)驗(yàn)證明氨氧化菌在脫氮過(guò)程中起主要作用。試驗(yàn)運(yùn)行過(guò)程中也證明硝化污泥的反硝化活性對(duì)NO2 的通入十分敏感。
五、結(jié)論
傳統(tǒng)的生物脫氮工藝( 硝化－ 反硝化技術(shù)) 廣泛用于污水中氮素的去除，由于此工藝有較高的能耗和碳源需求，更為經(jīng)濟(jì)的新型生物脫氮工藝得到了越來(lái)越多的關(guān)注和研究。
厭氧氨氧化的發(fā)現(xiàn)增進(jìn)了人們對(duì)氮素循環(huán)的理解，厭氧氨氧化在污水處理( 特別是高氨氮廢水) 方面具有十分誘人的應(yīng)用前景。好氧氨氧化菌在反硝化過(guò)程中的功能多樣性推動(dòng)了Canon、Sharon、OLAND 和 NOx 生物脫氮工藝的發(fā)展。不同脫氮微生物的共同作用以及工藝的優(yōu)化使脫氮效率進(jìn)一步提高，盡管上述新型工藝在中試中依然存在一些問(wèn)題，它們?nèi)詾槲鬯械氐牡秃母咝コ峁┝诵碌乃悸贰？傊责B(yǎng)型生物脫氮技術(shù)因其經(jīng)濟(jì)節(jié)能等優(yōu)勢(shì)將在為未來(lái)廣泛應(yīng)用于實(shí)際廢水的處理。
參考文獻(xiàn):
［1］Metcalf and Eddy，Wastewater engineering － treatment and reuses． 4th ed． ，McGraw － Hill; 2003．
［2］US EPA． Process design manual of nitrogen control． EPA 625 /r － 93 /010，Cincinnati，Ohio; 1993．
［3］Van Loosdrecht MCM． Recent development on biological wastewater nitrogen removal technologies． In: Proceedings of the presentation in international conference on wastewater treatment for nutrient removal and reuse ( ICWNR’ 04) ; 2004．
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