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第22卷增刊2002年现代化工ModemChemiealIndustyr2《刃2181犷一~翻一~一一一一一一一翻一溉}含氨废水生物处理技术l缸~一一一一一劝韩巍闻建平毛国柱王枉云(天津大学化工学院生物化工系,天津300072)摘要:综述了含氨废水处理的传统硝化/反硝化途径的新发展,并对短程硝化/反硝化、厌氧氨氧化、好氧反硝化、人工湿地等新途径的研究进展进行了分析。指出传统途径的研究方向是剩余污泥的处理和提高菌体的代谢强度;建议重视对短程硝化的溶氧等问题的研究,开发出更加高效、普适性更强的短程硝化工艺;深人研究厌氧氨氧化途径的机理,利用生物工程技术培育高生长速率的菌株;对于好氧反硝化途径,研究如何控制外界条件以利于好氧反硝化菌的累积;在人工湿地方面,加强对耐高盐碱环境植物的研究并用生物修复技术对其进行改良,以开发盐碱地、滩涂等生产力较低下的土地资源。关越词:含氨废水;硝化;反硝化;人工湿地中图分类号:X78:X703文献标识码:ABio·trea恤enttechnologyofWE脚加n娜ng,AHN跳i·introgenouswasetwater,J叼叭O凸Jo一认u,洲刀`uY-”刀(CollegeofChemiealEngineeirngandTeehnolo爵,iTanjinUniversity,Tianjin3以刃72,China)Abstacrt:Developmentofnitorgenwastewatertreatment15reviewed.hTeporeessoftl习〔」iitonalint石ifeationanddeniitr6ea-tionpathway,teehonlogiesinvolvedinnovelpathwayssuehasshorteutniitrifeation一deniitrifeation,anammox,aeorbiedeniitrifea-tion,eonstruetedwetlands,ete.,aresummairzed.It15pointedoutthatworkingonavoidingresidualsludgeandenhaneingmetab-oliazbilityofmieoro嗯anismwillimPorvetraditionalmethods.StudyonafetorsIikedissolvedoxygen15reeommendedinshorteutniitrifeation一denitirifeation.Andmeehanismofanammoxneedstobestudiedotimporveeonversionabilityof“aeorbie”ammoni-umoxidize均.It15alsovaluabletoseekoutmethodsofaeeumulationofaeorbi(:denitiriferbyeontorllingevniornmentaleondi-tions.StrengtheningthereseacrhofplantseanendurehighsalinityandalkalinityandmelioartingtheseplantsbyusingbiologiealteehnologieswillmakeiteasierotdeveloPlandresoucrewhiehhaspoorfertility,suehassalinaandswamp.Keywords:ammonia一wastewater:nitirifeation;denitriifeation;eonsutreetdweitands现代工业产生的高浓度含氨废水一方面使水质富营养化,导致藻类丛生,水质变差,鱼类大量死亡,水中生态环境遭到破坏;另一方面,氨被氧化成硝酸盐、亚硝酸盐,引发“三致”作用,严重威胁人类健康;第三,氨氮污染水源,将使净化水质所需氯气量大大增加。而目前,我国仅氮肥年产量就达2700万t(折纯)以上川,以生产It氮肥产生10t含氨废水计,每年产生含氨废水达2.7亿t。可见含氨废水的处理研究是一个必须引起重视的问题。目前,在含氨废水处理方法中研究较透彻且应用较多的主要有物理化学法和生物法两大类,对于物理化学法和传统硝化/反硝化法处理含氨废水,已有比较详细的论述LZ,,〕。笔者将对生物法处理含氨废水的最新进展进行论述,并对以后的工作提出建议与展望。1传统硝化/反硝化途径的新发展传统的废水脱氮工艺以硝化/反硝化过程为基础,利用该途径的技术较多,且技术相对成熟。而近年来反应器间的藕合、新型高分子附着材料的开发以及新菌种的选育,同时硝化/反硝化(sND)等技术使传统硝化/反硝化途径又呈现出新的生命力。eYom等人[4〕研制了一种新型曝气膜反应器,将膜反应器与曝气技术相结合,并应用了新型孔径为1拌m的疏水性聚乙烯膜,结果显示该系统可连续运收稿日期二2仪)2一03一18基金项目:中国石化集团股份公司科技开发基金和天津市重大攻关项目联合资助项目作者简介:韩巍,男,1979年生,大学;闻建平,男,1966年生,博士后,教授,导师,主要研究方向为环境生物工程与制药工程。DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2002.s1.052182现代化工第22卷增刊行4一5月而不发生污泥堆积,总氮平均去除率达83%,大大提高了废水降解的效率。KazuakiHibiya等人[5〕研制成将有机基团eMA(glyeidylmethaeyr-alte)嫁接于高分子膜上而获得的新型膜材料,在流化床反应器中的实验结果显示,它提高了菌体的附着能力。测定表明,这种膜材料使氨氮的降解速率得到了很大的提高。Mulder等人[“」将气升式环流反应器与厌氧反应器藕合,其内层的气升式环流反应器通过溢流,使经硝化处理的废水进人外层的厌氧反应系统。外层厌氧反应系统分为两室,废水经排气室进一步与氧气分离后,在沉降室发生反硝化反应并使生成的污泥产生沉降,加以除去。藕合大大提高了系统的氨氮处理能力,在氨中氮负荷达1.3kg(/耐·h)时,氨的硝化率为100%,而反硝化率也达67%。同时硝化/反硝化技术是传统硝化/反硝化途径发展中的又一热点,该技术的优点是17」:使硝化和反硝化在同一反应器中进行,既可节省占地面积和投资,还可避免亚硝酸盐氧化成硝酸盐及硝酸盐再还原成亚硝酸盐这两个多余反应,节约氧气约25%,节约有机碳约40%。但目前如何实现SND还是一个不易解决的问题。Kxangauen巧ehan。和J。笔Kelxer[8]在序批间歇反应器(SBRs)中,通过对通气开闭的控制来达到控制反应处于厌氧或好氧阶段的目的,并考察了溶氧、碳源供给和絮凝物尺寸等主要参数对氨氮去除率的影响。曹国民等人川则在鼓泡床中研究了用海藻酸钙将硝化菌和反硝化菌混合包埋,利用载体对氧产生的扩散阻力在颗粒内部形成好氧区、缺氧区和厌氧区,使硝化和反硝化两个过程有机地结合在一起,在好氧条件下同时进行硝化和反硝化的技术,并取得了很好的脱氮效果。而范轶等人[9〕则在环流塔式曝气装置中利用聚亚氨醋载体固定微生物,也达到了在单一反应器中同时进行硝化/反硝化的效果。传统硝化/反硝化途径由于要经过好氧和厌氧两个阶段,且硝化需彻底进行至硝酸盐阶段,导致整个反应中前后两阶段本可互补的原料需单独加人,引起酸碱中和剂消耗量大,耗氧量大,能耗大和占据空间大、效率低等缺点。而一些较新的反应途径和方法则能在某些方面克服其缺点。2短程硝化/反硝化途径的利用研究人们曾一度认为,硝化过程的产物是硝酸盐,但出现亚硝酸盐积累的报道也很多,氨氧化最终生成亚硝酸盐的反应就是短程硝化反应。短程硝化/反硝化又称为亚硝酸盐生物脱氮,1986年uStheoon等人〔`0]证实了其可行性。短程硝化的机理是先将氨氧化为亚硝酸盐而非硝酸盐,再经过反硝化将产生的亚硝酸盐还原为氮气。短程硝化/反硝化处理含氨废水有以下优点〔川:需氧量减少25%左右,能耗相应减少;反硝化过程中N:--o转化为N:比No了转化为N:减少40%的有机碳源;在高氨环境下,N民的硝化速率和NO牙的反硝化速率均比NO玄的氧化速率和NO至的反硝化速率快,因而水力停留时间可缩短,反应器容积也可相应减小;可减少剩余污泥排放量,氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌的表观产率系数分别为0.04一0.239/g和0.02一0.07酬g,No--Z反硝化菌和NO3’反硝化菌表观产率系数分别为0.345岁g和0.765岁g,因此短程硝化/反硝化在硝化过程中可减少24%一33%的污泥排放量,反硝化过程则减少污泥约50%。目前,短程硝化最大的难题在于如何使硝化停留在亚硝酸盐阶段,而不产生硝酸盐。正是由于该问题难以解决,因此以短程硝化为基础的处理工艺才未能大量涌现。荷兰Delft技术大学开发的SHARON(singleerae-to:highaetivityammoniaermovalovernitirte)工艺是目前短程硝化/反硝化的典型工艺。该工艺通过以下方式使反应停留在亚硝酸盐阶段[’2〕:一方面,在较高温度下反应,在此条件下氨氧化菌的生长速率大于亚硝酸盐氧化菌的生长速率,使反应器中氨氧化菌占优势,产生的亚硝酸盐无法继续被氧化。另一方面,利用控制水力停留时间(HRT)来控制污泥停留时间(SRT),从而达到使氨氧化菌积累,亚硝酸盐氧化菌洗出的目的。在SHARON工艺中,费用优化的关键问题是pH值的控制:高硝化速率下,每反应lmolN民生成ZmolH十,pH值下降很快。SHARON工艺可以通过放出C仇气体的方式,除去约50%的H+,再通过与反硝化过程的祸合,除去剩余部分的H十,这样,SHARON工艺节约了大量的酸碱中和剂,这成为该工艺的一大优势。然而sHARoN工艺也存在一些不足〔’3〕:该工艺需要高温,这对于大多数低温含氨废水处理并不适用;该工艺只适于高氨氮废水处理,而多数含氨废水属于低氨氮废水,SHARON工艺并不适用。利用短程硝化/反硝化途径,比利时的eGnt微生物生态实验室开发出了OLAND工艺,该工艺通过控制溶氧,使仅有部2。。2年增刊韩巍等:含氨废水生物处理技术183分氨被氧化,且产生的不是硝酸盐而是亚硝酸盐,实现短程硝化。随后,使生成的亚硝酸盐与余下的氨氮发生氧化还原反应,生成氮气。该工艺可节约氧气62.5%,而且无需电子供体[’4〕。3厌氧氨氧化途径1977年Borda[’5〕曾从理论上预言厌氧氨氧化反应的存在。但直到1995年,Mulde:等人[’6〕终于在厌氧反硝化流化床中发现了该反应,从而证实了Borda的预言。研究表明该反应是由自养菌完成的〔’7]。人们对厌氧氨氧化进行了大量的研究,结果显示,虽然菌体生长速率很低(0.05一0.l/d),但其进行厌氧氨氧化的速率却很高,Mulder等人[`8〕在亚硝酸盐限制条件下测得氨的氧化速率为0.4kg(/耐·d),这样高的速率使开发利用此途径成为可能。目前厌氧氨氧化有多种途径:经氨和亚硝酸盐生成NZo,NZo可以进一步转化为氮气,氨被氧化为经氨;氨和经氨反应生产联氨,联氨被转化成氮气并生成还原态氢;还原态氢被传递到亚硝酸盐还原系统形成经氨,亚硝酸盐被还原为N;oNO被还原为N20,N20再被还原为成N:;N田被氧化为N姚OH,NHZoH经NZ氏、NZZH被氧化为NZ仁`9〕。厌氧氨氧化与传统的硝化/反硝化处理途径相比,具有多方面的优势〔`8〕:氨作为反硝化的电子供体,无需外加电子供体,既节省费用又防止二次污染;每摩尔N咐仅需消耗0.75mol氧气,而传统过程则为2mol;氧化过程一步完成,大幅降低产酸量,产碱量降为零,可节约大量中和剂。该反应除氨以外,还需亚硝酸盐为底物。显然,若单独加人亚硝酸盐,处理成本将成倍提高,所以单独的氨氧化途径是没有实际应用价值的。如何获得大量成本低廉的亚硝酸盐是目前阻碍厌氧氨氧化途径实际应用的最大难题。storus等人[’9」开发出sHAnoN一Anammo、工艺,该工艺由SHARON反应器与厌氧氨氧化工艺组合而成