低碳氮比废水生物脱氮新技术贾呈玉

2003年第22卷第5期ShangjZajE月不,厂口月men细了S。七刀ces低碳氮比废水生物脱氮新技术NewTeehnologiesofBiodenitrifieationforLowC/NRatioWastewater贾呈玉李道棠杨虹(上海交通大学生命科学技术学院,上海20()240iJaChengyuLiDaotang、乞ngHong(SehoolofLifeSeieneeandBioetehnology,ShanghiaJiaotongUniversiyt,ShanghiaZX()240)摘要传统的除氨氮工艺需要消耗较多的氧气.且对于低碳氮(C/N)比的废水.需外加有机碳源才能进行反硝化。详细阐述了同步硝化反硝化、短程硝化反硝化、厌氧氨氧化和全程自养脱氮等生物脱氮新技术的特点、应用前景以及存在的问题。提出了今后的研究方向。关键词:同步硝化反硝化短程硝化反硝化厌氧氨氧化全程自养脱氮1前言氨氮污染的来源多、量大,除生活污水、动物排泄物外,大量的工业废水,如炼油废水、食品工业废水、垃圾填埋场渗滤水以及污泥脱水液等都含有大量的氨氮。炼油废水、垃圾填埋场渗滤水以及污泥脱水液不仅氨氮含量高,而且多数情况下C/N比较低,给氨氮的无害化处理带来困难。传统生物脱氮方法在废水脱氮方面起到了一定的作用,但仍存在许多问题。如:氨氮完全硝化需消耗大量的氧,增加了动力消耗;对CIN比低的废水,需外加有机碳源;工艺流程长,占地面积大,基建投资高等。近年来,生物脱氮领域开发了许多新工艺,主要有:同步硝化反硝化;短程硝化反硝化;厌氧氨氧化和全程自养脱氮。2同步硝化反硝化(Simu!taneousNitrifiearion/Denit『ifieationsND)工艺微生物学家在纯种培养的研究中发现,硝化细菌和反硝化细菌有非常复杂的生理多样性,如:Robertonl”和Lloyd【2]等证明许多反硝化细菌在好氧条件下能进行反硝化;Castingnetilt3)证明许多异养菌能进行硝化。这些新发现使得同时硝化反硝化成为可能,并奠定了SND生物脱氮的理论基础。硝化与反硝化的反应动力学平衡控制是同步硝化反硝化技术的关键。在SND工艺中,硝化与反硝化反应在同一个反应器中同时完成。所以,与传统生物脱氮工艺相比,sND工艺具有明显的优越性。主要表现在:节省反应器体积,缩短反应时间,无需酸碱中和。目前,对SND生物脱氮技术的研究主要集中在氧化沟、生物转盘、生物流化床等反应器系统。GutPa等『4]研究了生物转盘中的sND现象,证实了好氧反硝化菌的存在。Yoo等「5J研究了间歇式曝气反应器中的SND现象,并确定了关键的控制参数,结果表明,在最佳条件下,去除率均高达90%以上,同时还可以去除95%以上的COD。孟怡等l6]采用内置填料的反应器处理含氮制药废水,研究了SND在制药废水中的应用,结果表明,在适宜的条件下,NH3一N及TN的去除率分别高达90%和70%。周少奇等7I]以垃圾填埋渗滤水为对象,从生化反应计量学出发,提出了对低C/N比废水可通过调控营养配比、DO浓度及控制生物硝化反硝化,经过N02途国家自然科学墓金项目,编号50278053。第一作者贾呈玉,女,1975年生,1999年毕业于兰州铁道学院,现为上海交通大学在读硕士研究生。一349一低碳氮比废水生物脱氮新技术贾呈玉5内刁刀刻老盯肠ZVlronmnet口l、负万ences径的SND生物处理策略。3短程硝化一反硝化(ShorreutNitrifieari。n/Denitrifieation)1975年,voets等[8,发现了硝化过程中NO乞积累的现象,并首次提出了短程硝化反硝化生物脱氮的概念。1986年Sutherson等兀91证实了其可行性;Joanna等【’“,也进行了经NO百途径生物脱氮的研究;徐冬梅等川]研究了煤气废水的短程硝化反硝化,并获得了较高的氮去除率;周少奇等l’2]在处理高氨氮垃圾填埋场渗滤水时发现,有部分氨氮的去除是通过了短程硝化反硝化途径。国内外研究表明,与传统的硝化反硝化相比,短程硝化反硝化具有可减少25%左右的需氧量,降低能耗;节省反硝化阶段所需要的有机碳源,降低了运行费用;缩短HRT,减少反应器体积和占地面积;降低了污泥产量;硝化产生的酸度可部分地由反硝化产生的碱度中和。因此,对许多低C/N比废水,目前比较有代表性的工艺有亚硝酸菌与固定化微生物单级生物脱氮工艺,单一反应器通过亚硝酸盐去除氨氮(SHARON)工艺。3.1亚硝酸菌与固定化微生物单级生物脱氮工艺该工艺主要是利用纯种分离后富集培养的亚硝酸细菌固定化,维持反应器内菌群为纯亚硝酸细菌或比亚硝酸细菌为主体,从而实现硝化出水中NO`一N的高比例。日本的Uemot。等【’3]将亚硝化菌和反硝化菌与光硬化树脂混和后注人玻璃模型管中,经紫外光照射,硬化后制成固定化细胞管。它可以实现短程硝化反硝化而且使硝化速率大大提高,并可节省碳源。这为生物处理装置的小型化和降低处理成本开辟了新方向。日本已出现了处理能力为11300m3d/的工业化装置。亚硝酸细菌固定化可以获得稳定的NOZ一N积累,在技术实践中取得了一定成功。但该技术存在因固定化细菌退化使硝化能力下降的问题,固定化细菌反应器经过一定时间的运行后需进行固定化细菌的替换或活化。解决纯种亚硝酸细菌对实际高氨氮废水处理的关键是对采用混合菌还是单一高效菌分级处理进行优化,同时降低固定化载体的成本并提高其使用寿命。3.2单一反应器通过亚硝酸盐去除氨氮(Singlereac-torforHighactivityAmmoniaRemovaloverNitriteSHARON)工艺sHARON工艺是由荷兰Delft技术大学开发的一种新型脱氮工艺`’41,其基本原理是在同一个反应器内,在有氧条件下,利用氨氧化菌将氨氮氧化成N02一N,然后在缺氧条件下,以有机物为电子供体,将No:一N反硝化成NZ。将氨氧化控制在亚硝化阶段是该工艺的关键。SHARON工艺的成功在于:(l)利用了温度这一重要因素,提高了亚硝酸细菌的竞争能力;(2)利用完全混合反应器在无污泥回流条件下污泥停留时间(SRT)与水力停留时间(HRT)的同一性,控制HRT大于亚硝酸细菌的世代时间,小于硝酸细菌的世代时间,实现硝酸细菌的“淘洗”,使反应器内主要为亚硝酸细菌;(3)控制较高的pH值,不仅抑制了硝酸细菌,也消除了游离亚硝酸(FNA)对亚硝酸细菌的抑制。1998年在荷兰已有此类污水处理厂投人运行。尽管sHARON工艺按有氧/缺氧的间歇运行方式取得了较好的效果,但不能保证出水氨氮的浓度很低。该工艺更适于对较高浓度的含氨氮废水的预处理或旁路处理。4厌氧氨氧化(ANAMMox)工艺1994年,Kuenen等[`5]发现某些细菌在硝化反硝化反应中能利用NO多或NO艺作电子受体将NH才氧化成N:和气态氮化物;1995年,Mulder等l’6]人在研究脱氮流化床反应器时发现,氨氮可在厌氧条件下消失,氨氮的消失与硝氮的消耗同时发生并成正相关。不久,VandeGraaf等I’7}人进一步证实该过程是x个微生物反应,并且实验结果还表明,N02一N是1个更为关键的电子受体。因此,可以把ANAMM0x完整的定义为,在厌氧条件下,微生物直接以NH才作为电子供体,以NO3或N02为电子受体,转化为N:的微生物反应过程。ANAMMOX工艺主要采用流化床反应器,由于是在厌氧条件下直接利用NH才作电子供体,无需供氧、无需外加有机碳源维持反硝化、无需额外投加酸碱中和试剂,故降低了能耗,节约了运行费用。同时还避免了因投加中和试剂有可能造成的二次污染问题。由于NH才一N和NO玄一N同时存在于反应器中,一350一才脚;不袖钟带2030年第22卷第5期因此,ANAMM0x工艺与一个前置的硝化过程结合在一起是非常必要的,并且,硝化过程只需将部分的NH才一N氧化为NO玄一N。据此,荷兰Delft技术大学开发了SHARON一ANAMMOX联合工艺汇’8],该联合工艺利用SHARON反应器的出水作为ANAMMOX反应器的进水,具有耗氧量少、污泥产量低、不需外加有机碳源等优点,有很好的应用前景,成为生物脱氮领域内的一个研究重点。5全程自养脱氨氮(FullAutotrophicB1odenitrifieation)与其它工艺相比,全程自养脱氨氮系统的优点主要表现在:(l)不必外加有机碳源。因此,在处理低C/N比废水时能节省大量能源;(2)对亚硝氮的供应没有要求,含有高氨氮的废水可直接进人反应器;(3)尽管该系统要求限氧,但不严格要求厌氧,因此,在实际操作中,氧气的控制比较容易。目前,全程自养脱氨氮系统的处理能力仍然很低,对其机理也不十分明确,但污泥接种体比较容易大量生长,接种的硝化污泥很容易在活性污泥中产生,这表明该系统可应用于工程实践。氧限制自养硝化反硝化(oxygen一LimitedAutotroPhicNitrifiea-tion一DenitriireationsystemOLAND)工艺是全程自养脱氮的典型工艺。Kuai等〔’9〕人提出了OLAND工艺,该工艺的关键是在活性污泥反应器中控制溶解氧,使硝化过程仅进行到NH才氧化为NO落阶段,由于缺乏电子受体,由NH才氧化产生的NO乞氧化未反应的NH才形成NZ。该反应机理为由亚硝酸菌(Nitorsom口nas)催化的NO`的歧化反应。Kuia等「’9,以sBR反应器处理含高氨氮废水,并且不加有机碳源,可将氨氮一步去除。参与反应的微生物被认为是以氨的氧化菌为主的自养型硝化菌,它们是作为一种生物催化剂将废水中的氨一步去除。Helme:等120]在用生物转盘处理垃圾渗滤水时发现,在低DO、且未加有机碳源的条件下,有90%的氨氮被去除,因此,他们推测在生物膜上生长着一群以氨的氧化菌为主自养型微生物可以进行好氧反硝化。Mulle:等2t’]报道自养硝化污泥在非常低的氧分压下可以产生氮气。Binswanger等【,2]报道过利用生物转盘反应器通过硝化一反硝化工艺去除高浓度NH才废水中的氨。结果表明:当表面负荷为2.59(N)(/mZ·d)时,去除速率达90一2509(N)/(m3·d)。在整个过程中,不需要添加任何可生物降解的有机碳化合物。瑞士的Siegrisltz3】也发现了类似现象,总氮去除率达70%。溶解氧浓度是影响该工艺的重要因素。研究表明,亚硝酸菌与硝酸细菌对氧的亲和力不同,亚硝酸菌氧饱和常数一般为0.2一0.4mg/L,硝酸菌的为1.2一1·smg/L。在低DO条件下,亚硝酸细菌与硝酸细菌的增长速率均下降,然而硝酸细菌的下降比亚硝酸细菌要快,导致亚硝酸细菌的增长速率超过硝酸细菌,使生物膜上的细菌以亚硝酸细菌为主体,出现亚石肖酸盐氮积累。OLAND工艺就是利用这2类菌动力学特性的差异,以淘汰硝酸菌,使亚硝酸大量积累。但迄今为止,还不清楚这些微生物群体是否与正常的硝化菌有关联。OLAND工艺是在低DO浓度下实现维持亚硝酸积累,但是活性污泥易解体和发生丝状膨胀。因此,低DO对活性污泥的沉降性、污泥膨胀等的影响仍有待进一步的研究。6结语与传统脱氮工艺相比,生物脱氮新工艺具有降低能耗、节省碳源、污泥产量少、占地小等优点。因此,对于处理含较高浓度氨氮且CIN比偏低的废水,具有很大的发展前途。但还存在以下的问题有待进一步解决。6.1由于微生物的变异性,采用抑制途径实现亚硝酸型硝化,必然会导致微生物对不良环境的适应性,致使系统在运行过程中不耐冲击负荷,并且每次冲击都会使硝酸细菌因适应性增强而竞争增强,可能导致系统运行失效。6.2虽然很多因素会导致亚硝氮的积累,但目前对此现象的理论解释还不充分。6.3对参与反应的微生物特性还没有全面了解,对反应机理还缺乏深入的认识。7参考文献1KuenenJG,RobertsonLA.Cornbinednitrifiea一tiondenitrifieationProeess.FEMS.MierobialRev,1994,15(2):IDg一117.2JettenSM,StrousM.Theanaerobie