污水生物脫氮技術
摘要：短程硝(xiao)化(hua)(hua)－反(fan)硝(xiao)化(hua)(hua)工(gong)藝(yi)、好氧(yang)(yang)反(fan)硝(xiao)化(hua)(hua)工(gong)藝(yi)、厭氧(yang)(yang)氨氧(yang)(yang)化(hua)(hua)工(gong)藝(yi)以及全程自(zi)養(yang)脫氮工(gong)藝(yi)是近年來迅速發展(zhan)的(de)(de)幾(ji)種(zhong)新型(xing)節能生物(wu)(wu)脫氮技術。新型(xing)工(gong)藝(yi)的(de)(de)目標(biao)是實現高濃(nong)度廢水( 如厭氧(yang)(yang)消化(hua)(hua)液等) 中氮元素(su)的(de)(de)生物(wu)(wu)法(fa)高效低耗去(qu)除。本文對厭氧(yang)(yang)和(he)低溶氧(yang)(yang)條件下的(de)(de)新型(xing)生物(wu)(wu)脫氮技術進行(xing)了總(zong)結(jie)和(he)對比，并對各項(xiang)工(gong)藝(yi)的(de)(de)運(yun)行(xing)工(gong)況、微生物(wu)(wu)種(zhong)群、特(te)性和(he)未來的(de)(de)應用前景進行(xing)了展(zhan)望。
關鍵詞：污水,生物脫氧技術
污水(shui)中的(de)氮元素(su)可(ke)引(yin)起(qi)接納(na)水(shui)體中溶解氧( DO) 的(de)過度消耗和水(shui)體富營養化(hua)、降低氯氣(qi)消毒效率等(deng)問題，因此，水(shui)體中氮元素(su)的(de)去除必須引(yin)起(qi)高度重(zhong)視。水(shui)體中的(de)含氮化(hua)合物(wu)可(ke)通過一系列的(de)物(wu)理、化(hua)學和生物(wu)方法去除。
傳(chuan)(chuan)統(tong)生物(wu)(wu)脫(tuo)(tuo)氮(dan)工(gong)(gong)藝(yi)(yi)(yi)( 硝(xiao)化(hua)(hua)－ 反(fan)硝(xiao)化(hua)(hua)技術) 因(yin)為(wei)較(jiao)低(di)(di)的(de)(de)微生物(wu)(wu)活性導(dao)致(zhi)脫(tuo)(tuo)氮(dan)效率低(di)(di)下，且此工(gong)(gong)藝(yi)(yi)(yi)一般用于(yu)處(chu)理(li)含氮(dan)量較(jiao)低(di)(di)的(de)(de)污水。近年(nian)來，幾種新型(xing)的(de)(de)高效生物(wu)(wu)脫(tuo)(tuo)氮(dan)工(gong)(gong)藝(yi)(yi)(yi)被深入研究和(he)發(fa)展，如: 短程(cheng)硝(xiao)化(hua)(hua)－ 反(fan)硝(xiao)化(hua)(hua)工(gong)(gong)藝(yi)(yi)(yi)、好氧(yang)反(fan)硝(xiao)化(hua)(hua)工(gong)(gong)藝(yi)(yi)(yi)、厭氧(yang)氨氧(yang)化(hua)(hua)工(gong)(gong)藝(yi)(yi)(yi)以及全程(cheng)自養脫(tuo)(tuo)氮(dan)工(gong)(gong)藝(yi)(yi)(yi)( 如 Canon 工(gong)(gong)藝(yi)(yi)(yi)) 。它們與(yu)傳(chuan)(chuan)統(tong)生物(wu)(wu)脫(tuo)(tuo)氮(dan)工(gong)(gong)藝(yi)(yi)(yi)相比具有(you)以下一系列優點: 無需外加(jia)碳源、較(jiao)低(di)(di)的(de)(de)污泥(ni)產率、較(jiao)低(di)(di)的(de)(de)能耗和(he)較(jiao)低(di)(di)的(de)(de)曝氣量等［1］。
一、好氧反硝化
傳(chuan)統觀點認為好氧條(tiao)件下不存在反硝(xiao)化，但近年來有研究表明好氧條(tiao)件下亦可發(fa)(fa)生(sheng)反硝(xiao)化作用。高濃度溶(rong)解氧( DO) 條(tiao)件下的完全反硝(xiao)化過程首先是在Paracoccus 菌屬中(zhong)發(fa)(fa)現的。
在(zai)處理豬(zhu)場養殖廢水的(de)(de)(de)(de)SBR 反應器(qi)的(de)(de)(de)(de)活(huo)性污泥中(zhong)分(fen)離出的(de)(de)(de)(de)菌屬(shu)(shu) Pseudomonas stutzeri SU2 可(ke)(ke)在(zai)好(hao)(hao)(hao)氧(yang)條件下迅速將硝(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)酸鹽(yan)還原為N2，其間并未檢(jian)測到(dao)亞硝(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)酸鹽(yan)的(de)(de)(de)(de)積累。大部分(fen)的(de)(de)(de)(de)好(hao)(hao)(hao)氧(yang)反硝(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)化菌屬(shu)(shu)于(yu)異養菌，可(ke)(ke)進行硝(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)酸鹽(yan)和氧(yang)氣(qi)共呼吸的(de)(de)(de)(de)菌種廣泛的(de)(de)(de)(de)存在(zai)于(yu)環(huan)境(jing)中(zhong)。好(hao)(hao)(hao)氧(yang)反硝(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)化的(de)(de)(de)(de)優(you)勢在(zai)于(yu)它(ta)直接可(ke)(ke)發生于(yu)含有大量易于(yu)微生物降解有機(ji)(ji)物的(de)(de)(de)(de)好(hao)(hao)(hao)氧(yang)反應器(qi)中(zhong)，然而，好(hao)(hao)(hao)氧(yang)反硝(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)化的(de)(de)(de)(de)反應機(ji)(ji)理有待(dai)于(yu)進一步深入研究。
二、自養反硝化
不同種類的化能異養(yang)(yang)菌(jun)、自養(yang)(yang)菌(jun)和(he)光合(he)細菌(jun)以及一(yi)部分真菌(jun)都具有反硝(xiao)化功能。自養(yang)(yang)反硝(xiao)化菌(jun)可利(li)用(yong)無機硫化物、氫、氨氮和(he)亞硝(xiao)酸鹽(yan)做(zuo)為電子受體［2］。
1． 硫(liu)(liu)－ 氧化(hua)(hua)(hua)型(xing)和(he)氫(qing)(qing)－ 氧化(hua)(hua)(hua)型(xing)自(zi)養(yang)反(fan)(fan)硝(xiao)(xiao)化(hua)(hua)(hua)菌(jun)。在自(zi)養(yang)反(fan)(fan)硝(xiao)(xiao)化(hua)(hua)(hua)過程中，自(zi)養(yang)反(fan)(fan)硝(xiao)(xiao)化(hua)(hua)(hua)菌(jun)以(yi)(yi)無(wu)機(ji)的(de)(de)氧化(hua)(hua)(hua)還原(yuan)反(fan)(fan)應獲取能(neng)(neng)量(liang)，以(yi)(yi)氫(qing)(qing)或不(bu)同的(de)(de)還原(yuan)態(tai)硫(liu)(liu)化(hua)(hua)(hua)物(wu)( HS － ，H2 S，S，S2O3 2 － ，等(deng)) 為(wei)電(dian)子供(gong)體，以(yi)(yi)無(wu)機(ji)碳化(hua)(hua)(hua)合物(wu)( 如 CO2 或者HCO3 － ) 為(wei)碳源。Baalsruud 較早的(de)(de)研究了硫(liu)(liu)－ 氧化(hua)(hua)(hua)型(xing)細(xi)(xi)菌(jun)的(de)(de)生(sheng)理生(sheng)化(hua)(hua)(hua)特性(xing)，T． pantotropha 是(shi)一種專型(xing)厭氧自(zi)養(yang)硫(liu)(liu)化(hua)(hua)(hua)細(xi)(xi)菌(jun)，Thiobacillus denitrificans 是(shi)一類分(fen)布廣(guang)泛具有明顯特征(zheng)的(de)(de)化(hua)(hua)(hua)能(neng)(neng)自(zi)養(yang)型(xing)細(xi)(xi)菌(jun)。它可利用(yong)(yong)無(wu)機(ji)硫(liu)(liu)化(hua)(hua)(hua)物(wu)( 如硫(liu)(liu)化(hua)(hua)(hua)氫(qing)(qing)和(he)硫(liu)(liu)代硫(liu)(liu)酸鹽) 氧化(hua)(hua)(hua)進行反(fan)(fan)硝(xiao)(xiao)化(hua)(hua)(hua)作(zuo)用(yong)(yong)，近年來，硫(liu)(liu)－ 氧化(hua)(hua)(hua)型(xing)自(zi)養(yang)反(fan)(fan)硝(xiao)(xiao)化(hua)(hua)(hua)由于(yu)較氫(qing)(qing)－ 氧化(hua)(hua)(hua)型(xing)自(zi)養(yang)反(fan)(fan)硝(xiao)(xiao)化(hua)(hua)(hua)由于(yu)其高效(xiao)低耗的(de)(de)特點引起(qi)了越來越多的(de)(de)關注。
2． 反硝(xiao)化硝(xiao)化細菌(jun)。不同種類的氨(an)化細菌(jun)通(tong)常被(bei)認為是好氧(yang)化能自養菌(jun)，它廣泛的存在(zai)于各種污水處理廠和(he)生(sheng)態系統中(zhong)。Nitrosomonas 菌(jun)屬(shu)微生(sheng)物(wu)可以(yi)在(zai)完(wan)全好氧(yang)或缺氧(yang)條(tiao)件下同時進行硝(xiao)化和(he)反硝(xiao)化反應并(bing)以(yi)N2 為最終產物(wu)。
Nitrosomonas eutropha 是一類(lei)專(zhuan)型自養硝化(hua)細菌，它(ta)也可以利用氫為電子供體、亞硝酸鹽為電子受(shou)體進(jin)行反(fan)硝化(hua)作用。
將好氧(yang)和厭氧(yang)氨氧(yang)化生(sheng)物(wu)反應(ying)器組(zu)合，出現了一系列新型生(sheng)物(wu)脫氮工(gong)(gong)藝，如: Sharon 工(gong)(gong)藝、Canon 工(gong)(gong)藝、NOx 工(gong)(gong)藝、OLAND 工(gong)(gong)藝和好氧(yang)反氨化工(gong)(gong)藝。
三、厭氧氨氧化
厭氧氨(an)氧化是(shi)一(yi)個(ge)由Planctomycete 菌屬參(can)與的自養生物(wu)脫氮(dan)過程，分(fen)子生物(wu)學手段(duan)揭示了(le)厭氧氨(an)氧化菌種(zhong)類的多樣性(xing)(xing)。這類細菌具(ju)有特(te)殊的生理特(te)性(xing)(xing)，可在(zai)無分(fen)子氧條件下消(xiao)耗(hao)氨(an)氮(dan)。厭氧氨(an)氧化反(fan)應是(shi)一(yi)個(ge)釋能反(fan)應，反(fan)應過程中伴隨著(zhu)有機(ji)物(wu)的能量代謝。此反(fan)應是(shi)將氨(an)氮(dan)氧化并以亞(ya)硝氮(dan)為電子受體(ti)最終產物(wu)為N2。
厭(yan)氧(yang)氨氧(yang)化(hua)微生(sheng)物以CO2 為唯一碳源、利用(yong)亞(ya)硝酸(suan)鹽為電子(zi)供體合成細(xi)胞(bao)(bao)物質。涉及厭(yan)氧(yang)氨氧(yang)化(hua)的整個反(fan)應(ying)是此類微生(sheng)物的釋能反(fan)應(ying)，盡(jin)管亞(ya)硝酸(suan)單胞(bao)(bao)菌屬也能在厭(yan)氧(yang)條(tiao)件下將氨氮(dan)氧(yang)化(hua)，厭(yan)氧(yang)氨氧(yang)化(hua)是 Planctomycete 菌屬脫(tuo)氮(dan)的獨有反(fan)應(ying)。
四、全程自養型生物脫氮工藝
1． 兩級(ji)串聯短(duan)程硝(xiao)(xiao)化(hua)－ 厭(yan)氧(yang)氨氧(yang)化(hua)工(gong)藝。高氨氮(dan)廢水中的含氮(dan)化(hua)合(he)物可通過厭(yan)氧(yang)氨氧(yang)化(hua)工(gong)藝去除。然而，進入厭(yan)氧(yang)氨氧(yang)化(hua)工(gong)藝之前(qian)污水中的氨氮(dan)必(bi)須部(bu)分(fen)氧(yang)化(hua)為亞硝(xiao)(xiao)酸鹽( 55 － 60% 氨氮(dan)) ，因此，厭(yan)氧(yang)氨氧(yang)化(hua)工(gong)藝必(bi)須結合(he)短(duan)程硝(xiao)(xiao)化(hua)工(gong)藝如(ru)部(bu)分(fen)Sharon( 短(duan)程硝(xiao)(xiao)化(hua)－ 反硝(xiao)(xiao)化(hua)反應器) 工(gong)藝串聯運行(xing)。
Sharon 工(gong)(gong)(gong)藝又稱為短程硝(xiao)(xiao)化(hua)(hua)－ 反(fan)硝(xiao)(xiao)化(hua)(hua)工(gong)(gong)(gong)藝，通過將NH4 + 氧化(hua)(hua)成 NO2 － 從而(er)將污水(shui)(shui)中的(de)氨氮(dan)去除(chu)。這一工(gong)(gong)(gong)藝采(cai)用好氧－ 缺氧交替運行的(de)操作方(fang)式，在單個(ge)反(fan)應器內即(ji)可實(shi)(shi)現(xian)短程硝(xiao)(xiao)化(hua)(hua)－ 反(fan)硝(xiao)(xiao)化(hua)(hua)脫氮(dan)。硝(xiao)(xiao)化(hua)(hua)產生的(de)酸度(du)可部(bu)分地由反(fan)硝(xiao)(xiao)化(hua)(hua)產生的(de)堿度(du)中和，以減少化(hua)(hua)學試劑(ji)用量。盡管Sharon 工(gong)(gong)(gong)藝因為其較高(gao)的(de)溫度(du)依賴性限制了其在污水(shui)(shui)處理中的(de)應用，但是對于溫度(du)較高(gao)的(de)高(gao)氨氮(dan)含量( ＞ 0． 5g /L) 污水(shui)(shui)來說(shuo)， Sharon 工(gong)(gong)(gong)藝可實(shi)(shi)現(xian)污水(shui)(shui)中氮(dan)素的(de)高(gao)效去除(chu)。
2． Canon 工(gong)藝(yi)。在(zai)厭氧(yang)(yang)氨氧(yang)(yang)化菌富集培(pei)養物(wu)(wu)中(zhong)存在(zai)有一定數量(liang)的好氧(yang)(yang)氨氧(yang)(yang)化菌，通(tong)過控制DO 濃度可在(zai)單一反(fan)應器中(zhong)實現兩類細菌的協調生(sheng)長(chang)從而構成單相Canon 工(gong)藝(yi)．硝化細菌將氨氮氧(yang)(yang)化為(wei)亞硝酸鹽，消(xiao)耗溶解氧(yang)(yang)為(wei)厭氧(yang)(yang)氨氧(yang)(yang)化過程創造條(tiao)件，Canon 工(gong)藝(yi)對外界(jie)環境條(tiao)件要求十分苛刻(ke)，如DO 濃度、氮表面負荷、生(sheng)物(wu)(wu)膜厚度和溫度等。
3． NOx 工藝。NOx 工藝是通(tong)過向污水中(zhong)通(tong)入痕量N2O 氣(qi)體( 氨氮(dan)/ N2O = 1000 － 5000: 1) 以控制和(he)促(cu)進Nitrosomonas 菌屬的(de)(de)反硝(xiao)化(hua)活性(xing)來實(shi)現的(de)(de)。在完全缺氧條件下，NOx 的(de)(de)通(tong)入對(dui)Nitrosomonas 菌屬的(de)(de)硝(xiao)化(hua)/ 反硝(xiao)化(hua)活性(xing)的(de)(de)誘導(dao)起調節作用［3］。
此新工藝(yi)已在實驗(yan)室(shi)和中(zhong)(zhong)(zhong)試(shi)(shi)(shi)硝化(hua)系統(tong)中(zhong)(zhong)(zhong)進行了試(shi)(shi)(shi)驗(yan)。容積為(wei)3． 5m3 的中(zhong)(zhong)(zhong)試(shi)(shi)(shi)系統(tong)處(chu)理高濃度污(wu)泥消化(hua)液( 大約2kgNH4 － N/m3 ) 時(shi)，通入濃度為(wei)200ppm 的NO2 氣體，N2 的平均轉化(hua)率為(wei)67%。實驗(yan)證(zheng)明(ming)氨氧化(hua)菌在脫氮過程(cheng)中(zhong)(zhong)(zhong)起主要作用(yong)。試(shi)(shi)(shi)驗(yan)運行過程(cheng)中(zhong)(zhong)(zhong)也證(zheng)明(ming)硝化(hua)污(wu)泥的反硝化(hua)活性對NO2 的通入十分敏感。
五、結論
傳統(tong)的(de)生物脫氮工藝(yi)( 硝化－ 反硝化技術(shu)) 廣(guang)泛用于污水中氮素的(de)去除(chu)，由于此工藝(yi)有較(jiao)高的(de)能耗(hao)和碳源需求，更為經濟的(de)新(xin)型生物脫氮工藝(yi)得到(dao)了(le)越(yue)來越(yue)多的(de)關注和研究(jiu)。
厭(yan)氧氨(an)(an)氧化(hua)的(de)(de)(de)發現增進(jin)(jin)了(le)人們(men)對氮(dan)素循環的(de)(de)(de)理解(jie)，厭(yan)氧氨(an)(an)氧化(hua)在(zai)污(wu)水(shui)處理( 特別(bie)是高(gao)氨(an)(an)氮(dan)廢(fei)水(shui)) 方面具有十分誘人的(de)(de)(de)應(ying)用前景(jing)。好氧氨(an)(an)氧化(hua)菌(jun)在(zai)反硝(xiao)化(hua)過程中的(de)(de)(de)功(gong)能多(duo)樣性推(tui)動(dong)了(le)Canon、Sharon、OLAND 和 NOx 生(sheng)物(wu)脫(tuo)氮(dan)工藝的(de)(de)(de)發展。不同(tong)脫(tuo)氮(dan)微生(sheng)物(wu)的(de)(de)(de)共同(tong)作(zuo)用以及(ji)工藝的(de)(de)(de)優(you)化(hua)使脫(tuo)氮(dan)效率進(jin)(jin)一步提高(gao)，盡管上述新型(xing)工藝在(zai)中試中依然(ran)存在(zai)一些問題(ti)，它們(men)仍為污(wu)水(shui)中氮(dan)元素的(de)(de)(de)低耗高(gao)效去除提供(gong)了(le)新的(de)(de)(de)思路。總(zong)之，自養型(xing)生(sheng)物(wu)脫(tuo)氮(dan)技術因其經(jing)濟節能等優(you)勢(shi)將在(zai)為未來廣泛(fan)應(ying)用于(yu)實際廢(fei)水(shui)的(de)(de)(de)處理。
參考文獻:
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［2］US EPA． Process design manual of nitrogen control． EPA 625 /r － 93 /010，Cincinnati，Ohio; 1993．
［3］Van Loosdrecht MCM． Recent development on biological wastewater nitrogen removal technologies． In: Proceedings of the presentation in international conference on wastewater treatment for nutrient removal and reuse ( ICWNR’ 04) ; 2004．
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