短程硝化反硝化的研究详解

1短程硝化反硝化的研究进展摘要短程硝化反硝化技术主要用于处理高氨氮质量浓度和低C/N比的污水。成功实现短程硝化反硝化技术的关键是将硝化反应控制并维持在亚硝酸盐阶段，不进行亚硝酸盐至硝酸盐的转化。本文探讨了短程硝化反硝化的机理并对氨氧化菌的分子生物学研究进行了分析，同时探讨了A/SBR工艺的应用。关键词短程硝化反硝化氨氧化菌A/SBR1引言近年来，随着工业化和城市化进程的不断提高，大量氮、磷等营养物质进入水体，水体富营养化的现象日益严重，由于常规的活性污泥工艺硝化作用不完全，反硝化作用则几乎不发生，总氮的去除率仅在10%～30%之间，出水中还含有大量的氮和磷[1]。因此，只有对常规的活性污泥法进行改进，加强其生物脱氮功能，才能解决日益突出的受纳水体“富营养化”问题。目前，各城市污水处理厂均应用新的运行方法和控制策略进行脱氮除磷。随着新的微生物处理技术的介入，污水处理设施的功效得到显著提高。短程硝化反硝化技术对于处理这种污水在经济和技术上均具有较高的可行性。短程硝化反硝化技术已成为脱氮领域研究的热点。其研究内容主要集中在实现氨氧化菌在反应器的优势积累、构造适于氨氧化菌长期稳定生长并抑制亚硝酸氧化菌的最佳环境因素、优化过程控制模式实现持续稳定的短程硝化等。2短程硝化反硝化的机理生物脱氮包括硝化和反硝化两个反应过程。第一步是由氨氧化菌(ammoniumoxiditionbacteria，AOB)将NH4-N氧化NO-2-N的亚硝化过程;第二步是由亚硝酸氧化菌(nitriteoxiditionbacteria，NOB)将NO-2-N氧化为NO-3-N的过程。然后通过反硝化作用将产生的NO-3-N经由NO-2-N、NO或N2O转化为N2，NO-2-N是硝化和反硝化两个过程的中间产物。Voets等(1975)在处理高浓度氨氮废水的研究中，发现了硝化过程NO-2-N积累的现象，首次提出了短程硝化反硝化生物2脱氮的概念[2]。其基本原理是将氨氮氧化控制在亚硝化阶段，然后通过反硝化作用将亚硝酸氮还原为氮气，是经NH+4-N→NO-2-N→N2这样的途径完成，人们把经此途径进行脱氮的技术定义为短程硝化反硝化生物脱氮工艺[3]。我们不难看出，短程硝化反硝打打缩短了反应时间。与传统脱氮工艺过程相比，短程硝化-反硝化有以下优点：（1）节能：在硝化阶段，供氧量节省近25%，降低能耗；（2）减少了外加碳源的投入量：从NO2-到N2要比从NO3-到N2的反硝化过程中，减少40%的有机碳源；（3）水力停留时间短：在高氨环境下，NO-2-N的反硝化速率通常比NO-3-N的反硝化速率高63%左右，NH4+的硝化速率也比NO2-的氧化速率快，因此水力停留时间可以缩短，反应器的容积也相应减小；（4）剩余污泥产量少：亚硝酸菌表观产率系数为0.04～0.13gVSS/gN，硝酸菌的表观产率系数为0.02～0.07gVSS/gN，NO2-反硝化菌和NO3-反硝化菌的表观产率系数分别为0.345gVSS/gN和0.765gVSS/gN，因此短程硝化反硝化过程中可以减少产泥24～33%，在反硝化过程中可少产泥50%；（5）可减少投加碱度。3氨氧化菌的分子生物学研究随着分子生物学技术的不断发展，分子生物学分析方法:PCR（PolymeraseChainReaction）、DGGE（DenaturingGradientGellEctrophoresis）和FISH（FluorescenceInSituHybridization）等正被广大污水处理工作者用于污水处理系统中细菌的分析和鉴定，为深入研究短程硝化系统中的种类、数量、分布特征提供了一个非常有效的工具。PCR称DNA多聚酶链式反应，是在体外扩增的技术，于1985年由美国Millus创立。此技术可以在生物体外，几小时内将极微量的目的基因成百万倍地放大，并能够特异性的扩增任何目的基因片段或DNA片段。在原位杂交技术中应用最为广泛的就是荧光原位杂交技术（FISH），该技术是指通过荧光标记的寡核昔酸探针特异性和互补核酸序列在完整的细胞内结合，用显微镜和流式细胞术等荧光检测技术进行观察和分析。3变性梯度凝胶电泳（DGGE）技术不仅可以对可培养的微生物进行分析，还可以对不可培养的微生物进行研究，能真实反映系统中微生物种群的构成和分布。该技术将样品中不同微生物的16SrDNA的V3区扩增产物在DGGE中分离，根据电泳条带的多寡和亮度辨别样品中微生物的种类少和丰度，分析微生物的多样性同时，对不同条带回收测序并与GenBank中的序列比对可以确定微生物种类。Sinha等[4]采用FISH技术分析短程硝化活性污泥时，观察到污泥中含有48%~51%的氨氧化菌。Chen等[5]依靠FISH技术分析表现出同步短程硝化一ANAMMOX一反硝化特性的生物转盘中的细菌结构时，证实转盘上的好氧膜层菌群主要是氨氧化菌，缺氧膜层主要包含厌氧氨氧化菌和异养反硝化菌两种细菌。杨庆等[6]采用FISH、PCR一DGGE和PCR一克隆序列分子生物学方法对短程脱氮SBR中试系统中的氨氧化菌和亚硝酸氧化菌进行定性与定量化分析。FISH结果表明氨氧化菌相比于亚硝酸氧化菌已成为明显的优势菌群，占总菌群的3%~12%且没有检测出亚硝酸氧化菌。PCR一DGGE结果表明SBR短程脱氮中试系统中的氨氧化菌均以Nitrosomonas一like为主。污泥样品的PCR一Cloning一Sequencing结果表明：所有的克隆相似于Nitrosomonas，其中60%以上的克隆相似于Nitrosomonaseuropaea。从以上研究中可以看出，通过采用分子生物学分析方法，可以对短程硝化系统中的氨氧化菌种类和数量进行清晰和完整的分析，在指导试验、分析试验和理解试验上具有重要的价值[7]。4A/SBR工艺的应用A/SBR工艺是A/O工艺和SBR工艺的组合[8]。该工艺的流程为：污水首先经过预处理去除所含的飘浮物、悬浮物等杂质后自流入酸化池。然后出水由提升泵将污水提升入前置反硝化A池，含氨污水在池内经过搅拌机搅拌与SBR池回流液混合，SBR池回流液中的NO2-和NO3-将利用进水中的COD进行反硝化，此时大部分的COD、NO3-和NO2-将被除去。若进水C/N过小，需补加碳源。A池的出水自流入SBR池，通过好氧和兼氧微生物的作用，在好氧阶段将废水中的COD、NH4-N等污染物分解、转化为H2O、CO2、NO2-、NO3-等物质，此时4应根据实际情况补加碳酸钠；在兼氧阶段将NO2-、NO3-转化为N2，大幅度去除废水中COD和NH4-N，此时应根据实际情况补加碳源。SBR池出水各项污染指标达到规定的排放标准，然后通过滗水器将SBR处理过的水送入缓冲池，缓冲池内设一级提升泵，将污水提升入生物过滤器，残余COD被生物滤料截留，反洗污水再送A池[9]。短程硝化先进工艺匹配新型生化组合池A/SBR是一种强强组合工艺，优点是：（1）短程硝化反硝化的处理效果好，出水水质好；（2）该组合工艺具有一池多功能的特点：一是酸化池具有将大分子的有机物分解为小分子有机物的功能，对于难降解的有机物具有较好的去除效果，保证出水COD≤100；二是具有前置反硝化的作用，可以充分利用进水中COD进行反硝化降解TN，可减少碳源用量40%；三是反硝化产的碱度为之后的硝化反应所利用，减少后步硝化反应投加碱量的30%；四是缩短了整体生化时间，硝化—反硝化同步进行，大大降低了投资和运行成本；（3）SBR工艺为序批示反应器，进水、反应、沉淀、出水、闲置五个工序在一个池内完成，无需设置二沉池和污泥回流系统，投资省，抗负荷冲击强，TN去除率高，自动化程度高，易操作。因SBR对进水有几十倍的“稀释”能力，即使进水NH4-N由400mg/L短时间升至1000mg/L，一样不影响对NH4-N处理，只需调整运行参数即可；（4）出水水质任意调整，以NH4-N为例，如现阶段出水标准为＜15mg/L，等一段时间又要求降为≤5mg/L，只需调整一下各阶段工况即可，几乎不要进行设备增加或改动，这是其它工艺无法实现的优点。进出水质变动在化工厂污水是最常见的，本工艺解决了企业污水因变动造成不合格的处理难题；（5）易实现自动化操作控制。5结语目前，虽然大量的试验主要是在实验室和人工配水条件下来实现短程硝化，但是对这些短程硝化的研究为我们进一步认识、分析、研究以及最终将短程硝化技术广泛运用到生产实践提供了很大的帮助。5短程硝化反硝化技术处是当前生物脱氮技术研究的热点，其应用于含氮量高的污水处理时，在经济上和技术上具有一定的可行性，但是在处理连续流、进水氨氮质量浓度小于50mg/L条件下的废水时难以达到较好的处理效果。因此，如何在常温、连续流、处理普通城市污水的过程中实现短程硝化反硝化是今后的研究重点。短程硝化反硝化技术迫切需要继续深入研究开发具有较强适应性的短程硝化污水处理工艺，再将其与厌氧氨氧化、反硝化除磷等可持续污水处理新工艺相结合，以实现污水生物脱氮技术的更大进步。参考文献[1]王建龙.生物脱氮新工艺及其技术原理[J].中国给水排水，2000，16(2):25-28[2]马勇，王淑莹，曾薇，彭永臻，周利.A/O生物脱氮工艺处理生活污水中试(一)短程硝化反硝化的研究[J].环境科学学报，26(5):703-709[3]袁林江，彭党聪，王志盈.短程硝化-反硝化生物脱氮[J].中国给水排水，2000，16(2):29-31[4]SinhaB，AnnachhatreAP.Assessmentofpartialnitrificationreactorperformancethroughmicrobialpopulationshiftusingquinoneprofile，FISHanfSEM.BioresOurceT，2007，98(18):3602-3610[5]ChenH，LiuS，YangF.Thedevelopmentofsimultaneouspartialnitrification，ANAMMOXanddenitrification(SNAD)processinasinglereactorfornitrogenremoval.BioresourceT，2009，100(4):1548-1554[6]杨庆，彭永臻，曾薇，等城市污水法短程生物脱氮系统硝化菌群的定量分析[J].北京工业大学学报，2007，33(8):843-848[7]李泽兵，李军，李妍，马家轩，王晓毅.短程硝化反硝化技术研究进展[J].给水排水，2011，163-168[8]刘芳芝，渠会丽，乔磊友.短程硝化反硝化A/SBR污水处理工艺的应用[J].化肥工业，2011，38(4):52-55[9]张亚.A/SBR工艺处理高浓度有机废水研究[J].资源节约与环保，2015(4):632