生物脫氮技術(shù)研究進(jìn)展
氨氮是國(guó)家實(shí)現(xiàn)水污染控制總量控制的污染物，水體中氨氮含量過(guò)高會(huì)引起水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化,，導(dǎo)致水體中某些藻類(lèi)過(guò)度繁殖,，其它生物生長(zhǎng)受到影響，從而破壞了水生生態(tài)系統(tǒng),，導(dǎo)致水質(zhì)惡化并影響到其使用功能,。我國(guó)治理太湖、滇池等富營(yíng)養(yǎng)化水體的經(jīng)驗(yàn)表明,，水體一旦富營(yíng)養(yǎng)化,，即使投入巨資治理，也很難恢復(fù)到以前的生態(tài)系統(tǒng),，而對(duì)污水排放到水體前進(jìn)行脫氮處理是解決問(wèn)題的根本方法,。本文對(duì)傳統(tǒng)生物脫氮技術(shù)和目前新型的生物脫氮技術(shù)進(jìn)行了介紹。
1傳統(tǒng)生物脫氮技術(shù)
廢水中的氮以有機(jī)氮,、氨氮,、亞硝氮和硝酸鹽4種形態(tài)存在…。如生活污水有機(jī)氮占含氮量的4O%～60%,，氨氮占5O%～60%,，硝態(tài)氮僅占0%一5%。傳統(tǒng)生物脫氮技術(shù)遵循已發(fā)現(xiàn)的自然界氮循環(huán)機(jī)理,，廢水中的有機(jī)氮依次在氨化菌,、亞硝化菌、硝化菌和反硝化菌的作用下進(jìn)行氨化反應(yīng),、亞硝化反應(yīng),、硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)后最終轉(zhuǎn)變?yōu)榈獨(dú)舛绯鏊w，達(dá)到了脫氮目的,。
傳統(tǒng)生物脫氮技術(shù)是目前應(yīng)用最廣的廢水脫氮技術(shù),。硝化工藝雖然能把氨氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，消除氨氮的污染,，但不能徹底消除氮污染,。而反硝化工藝雖然能根除氮素的污染，但不能直接去除氨氮,。因此,，傳統(tǒng)生物脫氮工藝通常由硝化工藝和反硝化工藝組成。由于參與的菌群不同和工藝運(yùn)行參數(shù)不同,，硝化和反硝化兩個(gè)過(guò)程需要在兩個(gè)隔離的反應(yīng)器中進(jìn)行,，或者在時(shí)間或空間上造成交替缺氧和好氧環(huán)境的同一個(gè)反應(yīng)器中進(jìn)行…傳統(tǒng)生物脫氮途徑就是人為創(chuàng)造出硝化菌,、反硝化菌的生長(zhǎng)環(huán)境，使硝化菌和反硝化菌成為反應(yīng)池中的優(yōu)勢(shì)菌種,。由于對(duì)環(huán)境條件的要求不同,，硝化反硝化這兩個(gè)過(guò)程不能同時(shí)發(fā)生，而只能序列式進(jìn)行,，即化反應(yīng)發(fā)生在好氧條件下,，反硝化反應(yīng)發(fā)生在缺氧或厭氧條件下。
常見(jiàn)的工藝有三級(jí)生物脫氮工藝,、二級(jí)生物脫氮工藝和合建式缺氧一好氧活性污泥法脫氮系統(tǒng)等,。傳統(tǒng)生物脫氮工藝存在不少問(wèn)題：(1)工藝流程較長(zhǎng)，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(tǒng)的HRT較長(zhǎng),，需要較大的曝氣池,，增加了投資和運(yùn)行費(fèi)用,。(3)系統(tǒng)為維持較高的生物濃度及獲得良好的脫氮效果，必須同時(shí)進(jìn)行污泥和硝化液回流,，增加了動(dòng)力消耗和運(yùn)行費(fèi)用,。(4)系統(tǒng)抗沖擊能力較弱，高濃度NH,，一和NO：一廢水會(huì)抑制硝化菌生長(zhǎng),。(5)硝化過(guò)程中產(chǎn)生的酸度需要投加堿中和，不僅增加了處理費(fèi)用,，而且還有可能造成二次污染,。因此，人們積極探討開(kāi)發(fā)高效低耗的新型生物脫氮新工藝,。
2新型生物脫氮技術(shù)
隨著科學(xué)的發(fā)展,，近年來(lái)發(fā)現(xiàn)了好氧反硝化菌和異養(yǎng)硝化菌，硝化反應(yīng)不僅由自養(yǎng)菌完成,，某些異養(yǎng)菌也可以進(jìn)行硝化作用,，反硝化不只在厭氧條件下進(jìn)行，某些細(xì)菌也可在好氧條件下進(jìn)行反硝化,；許多好氧反硝化菌同時(shí)也是異養(yǎng)硝化菌(如Thiosphaerapantotropha菌),，并能把NH3一氧化成NO：一后直接進(jìn)行反硝化反應(yīng)；氨的氧化不僅可以在好氧條件下進(jìn)行,，也可以在厭氧條件下進(jìn)行,。這些新發(fā)現(xiàn)突破了傳統(tǒng)生物脫氮理論的認(rèn)識(shí)，為研發(fā)生物脫氮新工藝奠定了基礎(chǔ)。
2．1短程硝化反硝化
傳統(tǒng)的生物脫氮工藝經(jīng)過(guò)一系列反應(yīng),，是全程硝化反硝化,。中間浪費(fèi)了一個(gè)將亞硝氮轉(zhuǎn)化硝氮，硝氮又轉(zhuǎn)化為亞硝氮的過(guò)程,。1975年,，Voets等進(jìn)行經(jīng)NO：一途徑處理高濃度氨氮廢水研究時(shí)發(fā)現(xiàn)了硝化過(guò)程中NO一積累的現(xiàn)象，并首次提出了短程硝化反硝化生物脫氮的概念,。短程硝化反硝化(shortcutnitrifcationdenitrifcation)生物脫氮是將硝化過(guò)程控制在亞硝酸鹽階段,，阻止NO：一的進(jìn)一步硝化，然后直接進(jìn)行反硝化,。然而,，硝化菌能夠迅速地將NO：一轉(zhuǎn)化為NO，一,，將NH的氧化成功地控制在亞硝酸鹽階段并非易事,。目前，經(jīng)NO一途徑實(shí)現(xiàn)生物脫氮成功應(yīng)用的報(bào)道還不多見(jiàn),。影響NO一積累的控制因素比較復(fù)雜,，主要有溫度、pH,、游離氨(FA),、溶解氧(DO)、游離羥胺(FH)以及水力負(fù)荷,、有害物質(zhì)和污泥泥齡等,。
目前比較有代表性的工藝為SHAR—ON工藝oSHARON工藝(SinglereactorforHighae—tivityAmmoniaRemovMOverNitrite)是由荷蘭DeIft技術(shù)大學(xué)于1997年開(kāi)發(fā)的。該工藝采用的是CSTR反應(yīng)器(CompleteStirredTankReactor),，適合于處理高濃度含氮廢水(>0．5gN／L),，其成功之處在于巧妙地利用了硝酸菌和亞硝酸菌的不同生長(zhǎng)速率，即在較高溫度下(30℃～4O℃),，硝化菌的生長(zhǎng)速率明顯低于亞硝酸菌的生長(zhǎng)速率,。因此通過(guò)控制溫度和HRT可以自然淘汰掉硝酸菌，使反應(yīng)器中的亞硝酸菌占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),，使氨氧化控制在亞硝酸鹽階段,。
與全程硝化反硝化相比，短程硝化反硝化具有如下的優(yōu)點(diǎn)：(1)硝化階段可減少25%左右的需氧量,，降低了能耗,；(2)反硝化階段可減少40%左右的有機(jī)碳源，降低了運(yùn)行費(fèi)用,；(3)反應(yīng)時(shí)問(wèn)縮短,，反應(yīng)器容積可減小30%～40%左右,；(4)具有較高的反硝化速率(NO一的反硝化速率通常比NO，一的高63%左右,；(5)污泥產(chǎn)量降低(硝化過(guò)程可少產(chǎn)污泥33%～35%左右,，反硝化過(guò)程中可少產(chǎn)污泥55%左右)；(6)減少了投堿量等,。對(duì)許多低COD／NH’比廢水(如焦化和石化廢水及垃圾填埋滲濾水等)的生物脫氮處理,，短程硝化反硝化顯然具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
2．2同時(shí)硝化反硝化
同時(shí)硝化反硝化(SimultaneousNitrifcationDenitrifcation—SND),，即硝化與反硝化反應(yīng)在同一個(gè)反應(yīng)器中同時(shí)完成¨引,。SND生物脫氮的機(jī)理目前已初步形成了三種解釋?zhuān)春暧^環(huán)境解釋、微環(huán)境理論和生物學(xué)解釋,。宏觀環(huán)境解釋認(rèn)為l1¨：由于生物反應(yīng)器的混合形態(tài)不均,，可在生物反應(yīng)器內(nèi)形成缺氧及(或)厭氧段，即宏觀環(huán)境,。例如,，在生物膜反應(yīng)器中，生物膜采用了系列稀釋分離,、平板劃線分離,，顯微單細(xì)胞分離等多種方法，但均以失敗告終,。用傳統(tǒng)的微生物培養(yǎng)方法,，了解到ANAMMOX菌混培物的一些基本生理生化特征。在鑒定厭氧氨氧化菌的過(guò)程中,，嘗試了現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)¨引。研究表明厭氧氨氧化菌廣泛存于自然界中,，用普通好氧活性污泥,、好氧硝化活性污泥、好氧硝化顆粒污泥,、反硝化污泥,、SBR泥、河涌底泥,、UASB顆粒污泥,、城市污水處理廠污泥、垃圾填埋場(chǎng)處理滲濾液的污泥等¨加’,，而且都成功啟動(dòng)了ANAMMOX反應(yīng)器,，啟動(dòng)時(shí)間也由兩百天縮短到兩個(gè)月。目前要解決的問(wèn)題是實(shí)際廢水中氨氮含量高,，但是亞硝氮含量非常低,，而且要求的反應(yīng)溫度過(guò)高(32℃),，這些都限制了厭氧氨氧化反應(yīng)器的實(shí)際運(yùn)用。
3展望
氮污染日益嚴(yán)重,，研發(fā)高效低耗的生物脫氮技術(shù)勢(shì)在必行,。目前城市污水廠脫氮效果不好，而新型的生物脫氮技術(shù)大多仍在小試和中式階段,，離實(shí)際運(yùn)用還有一定的距離,。相信在廣大科技工作者的共同努力下，這些新型生物脫氮工藝不久就會(huì)造福人類(lèi),。
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