短程硝化反硝化技术研究进展李泽兵

........................即佗旧`招咭任征压「任陇喊【佑阅丫犷·科技信息综述·短程硝化反硝化技术研究进展李泽兵`李军`李妍`马家轩王晓毅北京工业大学建筑工程学院,北京河南省化工研究所有限责任公司,郑州摘要综述了国内外短程峭化反硝化的技术进展。从短程峭化反稍化技术的影响因素、控制方式以及氨氧化菌的分子生物学研究等方面进行了分析,为在更普遍、更广泛的条件下实现短程稍化生物脱氮技术提供参考和支持。关键词短程峭化反峭化厌氧氨氧化菌实时控制分子生物学技术`,`,,,肠塔。。。认了丫六,艺曙二夕。哪,鳍,夕,,,,,,一短程硝化反硝化技术以可节约的耗氧量、左右的反硝化碳源,以及亚硝酸盐氮作为反硝化底物的反硝化速率是硝酸盐氮为底物的一倍、低污泥产率等特点,成为当前脱氮领域研究的热点。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。同时,大量研究采用了各种分子生物学技术对硝化细菌进行了分析和鉴定,从而为进一步深人研究短程硝化过程提供了有效的手段。短程硝化理论及其影响因素短程硝化理论硝化过程是将污水中的氨氮转化为硝酸盐的过国家水体污染控制与治理科技重大专项《北京工业大学研究生科技基金沟一一。程,包括两个基本的反应步骤①由氨氧化菌,参与的将氨氮转化为亚硝酸盐牙的反应②由亚硝酸氧化菌,参与的将亚硝酸盐转化为硝酸盐矛的反应。硝化反应过程需在有氧条件下进行,以作为电子受体。短程硝化就是将硝化过程控制在汗阶段,实现牙的积累。其中以亚硝酸盐单胞菌属和亚硝酸盐球菌属为主,主要包括,,,,等类细菌。短程硝化的影响因素牙积累的影响因素主要有温度、浓度、、游离氨浓度、污泥龄和有机物浓度等。温度。生物硝化反应在一℃内均可进行,和生长的最适宜温度各不相同。在给水排水DOI:10.13789/j.cnki.wwe1964.2011.09.02712一℃下,活性污泥中活性受到严重抑制,变化,以及其产物都给硝化细菌的活性及硝化出现牙积累℃下,硝化过程形成的产物带来了巨大的影响。牙可完全被氧化成歹温度在℃又出盐浓度。对于一些常见的无机盐来说,适现牙的积累。量浓度对短程硝化具有促进作用,超过某个阂值,则田浓度。通常情况下,饱和常数为对硝化具有抑制作用。当前无机盐对短程硝化的影,为。当田低于响研究还停留在单一组分或少组分的条件下,由于时,利用这两类菌动力学特性的差异可以实现实际废水中含盐组分的差异,浓度的差异,其具体影的富集、抑制的活性。响还需要做更多的研究来确定。。两类菌适宜生长的范围不同,实现短程硝化的最新进展的最适在一,的最适在当前短程硝化的研究主要是采用各种方法和策一。略实现亚硝酸盐的积累,并考察实现短程硝化的最游离氨和游离亚硝酸。在硝佳环境条件,如温度、污泥龄、溶解氧、、游离氨化过程中,对和的抑制浓度分别为等。由于原水水质、工艺类型以及工艺条件等的不。一和一。当的浓度介同,通常得出的短程硝化过程、环境条件、动力学指于两者之间时,能够正常增殖和氧化,被标及的类型和各项特性参数也是各有差异。抑制,就会发生亚硝酸的积累。但是,由于对基于低氧控制的短程硝化的抑制作用有一定的适应性,单纯依靠提高在完整的硝化过程中,耗氧当量为浓度实现牙的积累是不可靠的,而在短程硝化于一,为了满足完全硝化反应所需的曝气,其能后期浓度的升高则可以承担对的抑制。耗大大增加了污水处理构筑物的整体耗量,增加了泥龄。由于的世代周期比运行费用。而短程硝化,其氧当量为短,因此可以通过缩短,使之介于牙一,可大大降低污水处理运行费用。和的之间,系统中就会逐渐被淘由于和亚硝酸盐氧化菌的氧饱和常数分汰掉。别为。和,因此,可在低溶解氧有机物浓度。有机物在各种污水中的广泛一条件下,实现对亚硝酸盐氧化菌的存在给硝化过程或者短程硝化过程带来了较多的不抑制,获得稳定的亚硝酸盐积累,如表所示。但是确定性。碳氧化过程中、和等参数的也有研究表明,由低控制的短程硝化存在两个表基于低】控制的短程硝化的文献数据工工艺艺原水水原水及控制条件件污泥浓度氨氮去除率率亚硝酸盐氮积积参考文献献累率厌厌氧一好氧一缺氧氧生活污水水好氧区一晚期垃圾渗滤液液以〕人工配水水汉〕接近,氨氮为一生活污水水以不排泥,人工配水水氨氮,士℃,,人工配水水在一,】欠〕生活污水水以,平均人工配水水室温江一砚,,,,为一温温温温度、氨氮,,,,,,以以以以升给水排水一压,一阴旧以用庵田印之任曰阅丫惊问题①在升高时,系统容易转化为全程硝化年荷兰的发明的工艺②低容易引起系统污泥膨胀。比如在中,用来处理荷兰鹿特丹的城市污水处理厂短程硝化反应初期,在和游离氨的双重抑制下,二级处理系统中污泥消化上清液和垃圾渗滤液等高可以实现很好的亚硝酸盐积累,但随着反应的进行,氨废水。该工艺的核心是应用高温一℃下游离氨浓度降低,因而为了短程硝化的继续进行和的生长速率明显高于亚硝酸氧化菌的生长速亚硝酸盐的积累,就必须继续维持较低的水平,率这一固有特性,控制系统水力停留时间与污泥龄,否则亚硝酸盐无法积累。从而使硝酸菌被淘汰,形成反应器中的积累由于仅依靠低〕控制的短程硝化存在稳定性使氨氧化控制在亚硝化阶段。问题,大量研究发现在游离氨和低的共同作用下同时,游离氨浓度也被广泛认为是亚硝酸盐氧可以实现长期稳定的短程硝化。等在好氧流化菌的主要抑制因素,等〕认为游离氨化床生物膜反应器中控制〕,在一浓度在就可对亚硝酸氧化菌产生抑的条件下实现了超过的短程硝化川。制作用。游离氨的存在对实现稳定短程硝化反硝化郭海娟等川通过控制低以和适宜的可以实具有非常重要的意义,等少〕指出在处理高浓现稳定的短程硝化。张小玲等川的研究表明当度氨氮污水时,相对于低浓度,维持较高的游离进水氨氮为一时,在低以和游离氨的氨浓度更容易实现稳定的短程硝化。双重抑制作用下,可以实现较为稳定的亚硝酸盐积累垃圾渗滤液、制药废水、焦化废水和合成氨工业积累率妻,污泥沉降性能良好。邱兆富等川在废水等高氨氮废水的脱氮处理是当前研究的热点和采用缺氧一好氧,缺氧一低氧一好氧两种工艺处理难点。还有某些工业生产中产生的大量废碱液和剩城市污水中发现,控制浓度为一余热量等,也许它们对于工业厂家来说是一个沉重时,两种工艺均实现了短程硝化反硝化。杨林等川的负担,但是大量研究表明,高浓度氨氮对于实现采用反应器处理高氨氮废水,反应器在高氨稳定的短程硝化过程有明显的促进作用,同时再氮和低条件下长期运行后,发现短程硝化过程通过合理的分配和利用某些工业生产中的废碱液对浓度的变化具有良好的耐受性。和余热,可以实现稳定和高效的短程硝化。详见很多研究还表明,采用能有效控制污泥膨胀表。的工艺和低结合以实现短程硝化,可以避免由基于实时控制模式的短程硝化低弓起的污泥膨胀。比如,和生物膜反在生物脱氮过程中,、、氧利用应器。率、等参数的变化与有机物降解、硝化和反硝一些基于低下实现短程硝化的研究见化过程呈较好的相关性,可分别表征异养菌对有机表。这些研究对当前国内采用相同工艺的污水处物吸附、降解、难降解有机物的降解、短程硝化开始、理厂进行脱氮升级改造具有重要的意义。短程硝化结束、全程硝化开始、硝化结束、反硝化开基于高氨氮浓度、和温度控制的短程硝化表基于高氨氮、、温度控制的短程硝化的文献数据工工艺艺原水水原水及控制条件件污泥浓度氨氮去除率亚硝酸盐氮积积参考文献献累率人工配水水温度℃,。一,,垃圾渗滤液液一制药废水水氨氮一,一,,猪场废水水以左右右右右垃圾渗滤液配水水温度士,一温温温温度一℃一氨氨氨氨氮一们,室温,一给水排水,始、反硝化结束等过程,其中表征短程硝化反应结束就可以实现最节能的生物脱氮了,尤其是在贫碳源的特征点对短程硝化工艺的正常运行起着非常重要高氨氮废水处理中更有着不可替代的优越性。的作用,并且可以减少相应的污水停留时间,降低运大量研究实践表明,在短程硝化和行费用。因此,建立基于以、、、等参的结合工艺中存在着两个主要的问题①稳定的短程数的实时控制策略而优化污水脱氮除磷处理过程控硝化②厌氧氨氧化菌的培养和富集以及工艺的稳制,具有很好的可行性和经济性。定运行。而且,由于厌氧氨氧化菌对氧的敏感性,短等〕比较了固定操作模式和实时控制操作程硝化和厌氧氨氧化须在两个反应器中分别实现。模式,运用实时控制策略可以节省大约的曝气停等哪〕通过控制溶解氧和进水碱度,在留时间和的缺氧时间。而且,等〕采中实现了人工配制的高氨氮废水一为用实时控制策略实现系统中硝化菌的清洗。的短程硝化,出水牙一,一等卿」采用基于田和的控制模型,在连续为一。等〕的研究表明,控制流反应器中实现了超过的短程硝化。在的条件下,可实现单级生物膜反应国内,北京工业大学彭永臻教授所在的课题组器短程硝化和同步厌氧氨氧化。等」在针对短程硝化过程中、和的变化规律反应器中控制以〕为。一条件下,实现进行了大量深人的研究。采用短程硝化的实时控制了同步短程硝化和厌氧氨氧化。从以上研究中发策略,开展了大量针对各类废水水质和环境条件的现,稳定的进水矛一,一保证下可以实短程硝化研究。高大文等〕在以豆制品生产废水现较好的厌氧氨氧化效果。为对象的中实现了短程硝化,发现反应过程中而短程硝化一厌氧氨氧化工艺的稳定性研究方和的变化与有机物降解、氨氧化间存在着面,金仁村等哪口的研究显示,厌氧氨氧化反应器在很好的相关性。白璐等田〕采用在线监测、以的水力负荷冲击下的稳定性明显强于基质浓度变化冲方法,在常温下结合以〕值的跳跃和的拐点可击下的稳定性,不同构造的反应器在同一负荷冲击很好地判断硝化反应的终点,亚硝化率约为。下稳定性也不同。相关文献数据见表。反硝化除磷是在缺氧条件下,反硝化除磷菌基于短程硝化的厌氧氨氧化和反硝化除磷能够利用硝酸盐氮充当电子受体,产生生物工艺摄磷作用,将反硝化和吸磷合二为一。所以反硝化近年来,作为可持续的、最佳的污水脱氮除磷新除磷对碳源的需求相对于彼此分离的反硝化和吸磷工艺,厌氧氨氧化工艺和反硝化除磷工艺引起了研要低得多。因此,在普遍面临碳源缺乏和较高的污究者的广泛关注。水脱氮除磷要求情况下,短程硝化工艺和反硝化除工艺是荷兰大学年提磷的结合成为了当前研究的热点。出的一种新型脱氮工艺。该工艺的特征是在厌氧条侯红勋等卿〕研究了衡一作为电子受体对件下,以硝酸盐或亚硝酸盐为电子受体,将氨氮氧化反硝化吸磷动力学的影响,结果表明过程中八门击生成氮气。那么将短程硝化和厌氧氨氧化工艺结合,抑制动力学参数为反硝化过程最大比反硝化速率表基于实时控制的短程硝化的文献数据工工艺艺原水水操作条件件污泥浓度氨氮去除率亚硝酸盐氮积积参考文献献累率豆制品废水水温度士孚刃一叉〕生活污水水士℃℃一稀释的黄潜水水氨氮,温度士生活污水水温度,,,,约氨氨氨氨氮给水排水一,絮犷为艰·,半饱和常数凡为吸磷过程最大比吸磷速率凡愉二为砚·,半饱和常数奋为咫,并发现在峡一和低的共同作用对反硝化吸磷产生了抑制。的分析和鉴定随着分子生物学技术的不断发展,分子生物学分析方法卿、升和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,为深人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。称多聚酶链式反应,是在体外扩增的技术,于年由美国创立。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,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。变性梯度凝胶电泳奋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的区扩增产物在以二中分离,根据电泳条带的多寡和亮度辨别样品中微生物的种类多少和丰度,分析微生物的多样性同时,对不同条带回收测序并与中的序列比对可以确定微生物种类。川等采用技术分析短程硝化活性污泥时,观察到污泥中含有一的。等田〕依靠技术分析表现出同步短程硝化一〕反硝化特性的生物转盘中的细菌结构时,证实转