单级生物膜法脱氮机理及影响因素潘杨

苏州城建环保学院学报第13卷第4期J.SZUHOIUNSITTUTBOFRBUANCONSTRCUnONVol.13No.42《X旧年12月NADNEVIRONMNTEALRPOTECITONDee,2《X刃单级生物膜法脱氮机理及影响因素潘杨,黄勇,李勇(苏州城建环保学院环保系,江苏苏州215011)摘要:文章结合近年来在脱氮机理上的研究与发展,主要介绍了单级生物膜法脱氮中的同步硝化一反硝化以及短程硝化一反硝化机理;重点讨论了两种脱氮机理发生的条件及各种影响因素;以期说明单级生物膜法的极具发展潜力的脱氮工艺。关钮词:生物脱氮;硝化细菌;反硝化细菌中图分类号:X703文献标识码:A文章编号:1侧)4一8022(20(刃)04se0()89一05近几十年来,许多人都致力于研究各种可靠而又经济可行的废水生物脱氮过程。在生物脱氮过程中,脱氮的硝化自养细菌及去除硝酸盐的异养型细菌不是悬浮在液相中,就是附着于支撑介质之上。由于生物膜法把微生物固体保持在反应器边界内,可省去悬浮生长系统(活性污泥法极其演变的各种工艺)中污泥回流的必要性。加上硝化细菌的世代期长,比增殖速度较小在一般生物固体平均停留时间较短的活性污泥系统中难于占优;而在生物膜处理法中生物固体停留时间与污水的停留时间无关,使硝化菌和亚硝化菌能得以繁殖,因而生物膜处理工艺都具有一定的硝化功能,在适当的条件下运行还可以实现反硝化功能。所以这种系统对于除氮来说是一种大有潜力的处理工艺。传统生物膜法工艺有生物转盘(RBC)、淹没式生物滤池、流化床等工艺以及新近利用细胞固化技术开发的生物纤维膜反应器。1脱氮机理无论是活性污泥系统或生物膜系统,生物脱氮主要是通过同化作用和硝化一反硝化作用两种途径实现,但近年来的研究表明,一些新的生物脱氮机理在单级生物膜系统中起着独特的作用。1.1同步硝化一反硝化机理Ihsiguor等人在用单一生物转盘(RBC)处理垃圾渗滤液时,发现氮的减少,在夏季尤其明显。随后Masuda从加盖的RBC中检测出有N:的产生,证明了反硝化的存在。为更好的解释[收稿日期]20(X)一10一23〔墓金项目1苏州城建环保学院青年教师科研基金资助项目[作者简介]潘杨(1972一),男,四川达川人,助教。苏州城建环保学院学报20(刃年氮的减少。他们通过对形成生物膜的密度、细菌种类与特征、生化反应速率等的研究得出结论:在生物膜中同时存在硝化细菌和反硝化细菌;当氧向生物膜内传递的速率下降到足以在其中形成一个微氧(Micor一aeorihc)区时,反硝化细菌获得活性11[。单级生物膜法对氮的去除机理多数学者认同为同步硝化一反硝化机制。能否在生物膜内为硝化细菌和反硝化细菌创造各自适宜的环境成为能否在单级生物膜法中实现硝化一反硝化的关键所在。生物膜的厚度影响着氧向生物膜内部的传递,形成一个微氧区从而使得硝化菌与反硝化菌在各自适宜的环境中生长。其作用机理是利用生物膜内存在溶解氧的浓度梯度实现同时硝化和反硝化。在生物膜表层由于氧的存在而进行氨的氧化反应,从外向内,溶解氧浓度逐渐降低,内层因缺氧而进行反硝化。虽然在活性污泥的絮体中同样可以存在同步硝化一反硝化机理,但由于硝化细菌的时代期长,反硝化细菌生长的条件限制了活性污泥法的同步硝化一反硝化。而生物膜法由于其附着型生长系统借助于填料为硝化细菌和反硝化细菌的生长提供了较为适宜的条件,使单级生物膜法脱氮具有很大的发展潜力。2短程硝化一反硝化机理早在1975年Voet就发现硝化过程中HNO:的积累现象并提出了短程硝化一反硝化生物脱氮(Shorteutniitrifeation一denltirifcation)。从脱氮的微生物转化过程来看,氨被氧化成硝酸盐是由两类独立的细菌催化完成的两个不同反应,应该可以分开。对于反硝化菌,无论是Nof还是N03一均可作为最终受氢体,因而整个生物脱氮过程也可以经NH+--4净NOZ一NO犷这样的途径完成。近年来,高氨低碳源废水处理过程中所反映的一系列问题和短程生物脱氮的提出,使人们重新审视传统生物脱氮的过程,并围绕短程生物脱氮的可行性进行了大量的实验研究和工程实践。总结出短程生物脱氮具有以下特点:①可节省氧供应量,降低能耗;②节省反硝化所需碳源的40%,在C八比一定的情况下提高NT的去除率;③减少污泥生成量可达50%;④减少投碱量;⑤缩短反应时间,相应的减小了反应器的体积。由于废水生物处理反应器均为开放的非纯培养系统,如何控制硝化停止在HNO:阶段是实现短程生物脱氮的关键。传统硝化由亚硝化菌和硝化菌协同完成,由于两类细菌的互生关系,所以完全将氨亚硝酸化是不可能的。短程硝化的标志是稳定且较高的HNO:积累即亚硝化率较高[HNO厂N/(HNO厂N+HNO厂N)至少大于50%以上]。iBsnwanger等人利用生物转盘处理高浓度NH犷废水,当表面负荷率为.2sgN(/耐·d)时,去除速率高达90一250gN(/m3·d)冈。在整个过程中,没有透加任何可生物降解的有机碳源。反应的机理可假定为反应过程中生成的NOf被NA+D(烟酞胺腺嗦吟二核昔酸磷酸,为许多脱氢酶的辅酶,存在于几乎一切细胞中)还原。机理如图1所示。该机理可以被理解为氨的氧化与N仇一的还原实现了偶联。从微生物角度来分析:由于亚硝酸的积累不利于细菌的生长,对大多数细菌来说亚硝酸盐还原酶是一个诱导酶,亚硝酸盐的产生将诱导产生亚硝酸还原酶,并迅速将亚硝酸盐还原生成相应的末端产物。反硝化细N场介+00.33N+2l.33H刃+0.33N0犷NH刃H+H刃图1氮被去除的可能途径第4期潘杨等:单级生物膜法脱氮机理及影响因素菌如脱氮副球菌、盐脱氮副球菌、争论产碱菌等将NO「转化为N尸,从而实现了短程硝化一反硝化。其实质是利用了微生物动力学特性差异实现了硝化细菌与亚硝化细菌的动态竞争与选择的结果,尤其是降低溶解氧作为实现短程硝化的控制是对传统好氧处理和传统生物脱氮的深化,但低溶解氧下同步硝化一反硝化等机理还有待进一步的研究与完善。影响亚硝酸盐积累的因素有温度、DO、PH、氨浓度、氮负荷、有害物质及泥龄4[]。彭党聪在研究生物膜法反应器脱氮过程中发现,当DO为.05一lm留L时,进水NH礴+--N为250mg/L,出水NH+4-N低于5mg几且硝化产物以NO`为主,连续运行120天以上,效果稳定。表明低DO下生物膜系统获得了良好的短程硝化效果141。由于生物膜法具有生物量大,生物相丰富,对水质、水量的变化适应性较活性污泥法强,在实现亚硝化细菌的驯化过程中具有明显的优势,因此采用单级生物膜法实现短程硝化一反硝化更具发展潜力。Ho(1994)在研究中发现,同步硝化一反硝化常伴随着硝化过程中第二步反应(N02一被氧化成NO3一)的抑制现象阎。即在完成硝化过程中硝化杆菌的活性降低,而使得亚硝化单胞菌属成为优势菌种。说明这两种脱氮机制并不是截然独立、互不相干的,而是有着某种内在联系的,两种机理的相关性还有待进一步研究。2影响单级生物膜法脱氮的因素影响生物脱氮的因素有pH值、有机负荷、C八、温度、溶解氧、有毒有害物质等,而生物膜法脱氮的影响因素以温度、溶解氧、NH3浓度与氮负荷、有毒物质尤为显著。2.1温度硝化反应最适宜的温度范围为30一3o5C,反硝化作用的温度范围为15~35oC。对于除碳和脱氮在同一反应器中完成的生物膜法工艺而言,温度对于硝化速率的影响更为明显。当温度低于巧“C时即发现硝化速率快速下降。当温度低于soC,硝化反应几乎停止。如温度为12一1o4C时,硝化杆菌的活性将受到抑制,而亚硝化菌则影响不大,此时会出现亚硝酸盐的积累。荷兰Delf技术大学生物技术实验室通过控制温度与停留时间在活性污泥法系统成功实现了短程硝化一反硝化网。在生物膜法中运用控制温度来实现该机制还未见报道。低温对单级生物膜生物的脱氮影响显著。.22溶解氧亚硝酸菌和硝酸菌均是绝对好氧菌,在生物膜中当膜的厚度较大时,形成了氧的扩散梯度。这是实现同步硝化一反硝化的重要条件。一般认为DO应在.05m岁飞才能很好地进行硝化作用。降低溶解氧对氨的氧化影响不大,但对亚硝酸氧化有明显阻碍,产生HNO:的积累。这也是实现短程硝化一反硝化的主要控制手段。Masuda及Watanabe以实验证明在生物转盘脱氮过程中,通过降低气相中氧的分压控制氧的传递速率时(如当C八为6、氧分压为1k0aP苏州城建环保学院学报20(犯年时),可获得大于90%的脱氮效率。.23NH3浓度与氮负荷废水中的氨随pH的不同存在的形态亦不一样,分子态的游离氨对硝化细菌有明显的抑制作用。但生物膜法的硝化细菌对长时间暴露在稳定游离氨浓度下,有明显的适应现象阴。氮负荷过高时,系统初期有利于繁殖较快的亚硝酸菌生长,使得亚硝酸大量积累。进水负荷过大所造成的亚硝酸积累也与水中的游离氨浓度增加有关。一般活性污泥法的好氧一缺氧脱氮工艺原水中的总氮含量不超过30mg/L,否则脱氮效率将下降50%以上。而生物膜法的进水氮含量达Zoomg/L以上,仍可获得较高的脱氮效果。.24有毒物质废水中酚、氰及重金属等有害物质对硝化过程有明显的抑制作用。相对于亚硝化菌,硝化菌对环境的适应性慢,因而在接触有害物质的初期会受到抑制,出现亚硝酸的积累。因此也有人尝试用投加有毒物质的办法来驯化生物膜,使生物膜中的硝化细菌以亚硝化菌为优势菌种,从而实现短程生物脱氮。3单级生物膜法的评价与展望废水生物脱氮目前多采用活性污泥法,由于硝化菌的生长缓慢、反硝化菌生长条件严格等因素限制了其处理能力及效率。活性污泥法存在以下问题:硝化细菌增殖慢而难于维持较高的生物浓度,造成系统总停留时间长,有机负荷低,基建投资和运行费用增加;系统为维持较高的生物量获取良好的脱氮效果,必须同时回流污泥和消化液,增加动力消耗及运行费用;耐冲击负荷能力差,高浓度氨氮和亚硝酸盐会抑制硝化菌生长;为中和硝化过程产生的酸度,需要加碱中和,增加了处理费用。而单级生物膜法借助于高比表面积的填料,提供给硝化细菌和反硝化细菌各自适宜的生长条件,使硝化一反硝化在同一反应器中完成,省去了回流系统,可节省处理设施的占地面积和投资,是一种较经济适用的脱氮工艺。单级生物膜法还具有以下优点:(l)工艺简单(无污泥回流)、控制方便;(2)微生物浓度高、水力停留时间较活性污泥法短;(3)氮负荷高,单级生物膜法的进水氮含量达Zoomg/L以上,仍可获得较高的脱氮效果;(4)无须投加其它碳源或碱源,生物膜法脱氮反硝化碳源来源于原水中的有机物以及部分有机生物体的自身氧化,硝化产生的酸度则依靠反硝化产生的碱度来中和;(5)脱氮效率较高,如能实现短程硝化一反硝化还可节省25%的氧和40%的碳源。生物膜法中的塔式生物滤池早就被用于去除氰化物、酚类等难降解污染物,Watanabe等人的实验证明乙二醇、苯酚和聚乙烯醇等许多高分子有机物可作为生物膜反硝化碳源,表明该工艺还具有同时硝化、反硝化和去除难降解有机物的巨大潜力。这就预示着在石油、化工行业第4期潘杨等:单级生物膜法脱氮机理及影响因素所产生的高浓度含氮及复杂有机物废水有望通过生物膜法达到同时除碳与脱氮的目的。单级生物膜法脱氮的不足之处在于:脱氮过程由附着填料上的微生物完成,因而难于控制;脱氮过程易受外界条件影响,运行不如A/O法、A夕O法等工艺灵活;对毒物影响较敏感;受低温影响显著等;这些因素限制了单级生物膜法脱氮的在实际工程中的应用。传统的单级生物膜法仍主要运用于去除营养有机物,或作为脱氮工艺中硝化(反硝化)段的强化,而没有使其单独成为一种脱氮工艺,加上目前对于单级生物膜法实现短程硝化一反硝化脱氮的条件,同步硝化一反硝化与短程脱氮的内在联系,氮负荷对单级生物膜法脱氮效率的影响,有毒物质对生物膜法脱氮的影响与贡献等领域还有待于进一步研究。但随着生物脱氮技术的发展,单级生物膜法以低投资、高效率成为生物脱氮中极具发展潜力的一种脱氮工艺。参考文献:【11曹国民,赵庆祥,等.单级生物脱氮技术的进展闭.中国给水排水,2X(刃,16(2):20~23.2[]Bmswanger5etal.sim』atneNitir五katio可D