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同步硝化反硝化機理的研究進展

時間:2014-10-02 16:33:32  來源:  作者:楊 麒; 李小明

氮是造成水體富營養化和環境污染的重要污染物質,控制排放污水中的氮、磷越來越受到重視,研究具有高效脫氮除磷功能的工藝越來越重要。根據傳統的脫氮理論:氨氮的去除是通過硝化和反硝化兩個獨立過程實現的,由于對環境的要求不同,兩過程不能同時發生。現行的生物脫氮工藝是把硝化和反硝化作為兩個獨立的階段分別安排在不同的反應器中(空間上)或者利用間歇的好氧和厭氧條件(時間上)實現氮的去除,往往造成系統復雜,能耗較大,且運行管理不便。 在同一處理系統中實現同步硝化反硝化過程,硝化反應的產物可直接成為反硝化反應的底物,避免了硝化過程中NO3-的積累對硝化反應的抑制,加速了硝化反應的速度;而且,反硝化反應中所釋放出的堿度可部分補償硝化反應所消耗的堿,能使系統中的pH值相對穩定;另外,硝化反應和反硝化反應可在相同的條件和系統下進行,簡化了操作的難度。實現同步硝化反硝化并達到兩過程的動力學平衡,將大大簡化生物脫氮工藝并提高脫氮效率,從而節省投資、提高處理效率。因此,近年來國內外對同步硝化反硝化(simultaneous nitrification and denitrification簡稱SND)生物脫氮開展了深入的研究。 本文將結合近年來國內外最新研究成果,從宏觀環境、微觀環境和微生物學角度對同步硝化反硝化形成機理加以綜述。

1 實現同步硝化反硝化的機理

1.1 宏觀環境理論

很早以前,在那些沒有明顯的缺氧及厭氧段的活性污泥工藝中,人們就多次觀察到曝氣系統中的氮的非同化損失,其損失量隨控制條件的不同約在10%-20%左右。 一般而論,即使在好氧條件為主的活性污泥系統中,特別是采用點源性曝氣裝置或曝氣不均勻時,往往會出現較大范圍的局部缺氧的環境,此為生物反應器的大環境,即宏觀環境。例如:在生物膜反應器中,由于基質濃度和膜厚變化的影響,形成膜內的缺氧區,其他如RBC、SBR反應器及氧化溝等也存在類似的現象。事實上,在生產規模的生物反應器中,完全均勻的混合狀態并不存在,因此在曝氣階段出現某種程度的反硝化即同步硝化反硝化的現象是完全可能的。

1.2 微環境理論

微環境理論是從物理學角度對同步硝化反硝化現象進行解釋,該理論考慮活性污泥和生物膜的微環境中各種生態因子(如溶解氧、有機物及其它營養物質)的傳遞與變化,各類微生物的代謝活動及其相互關系,以及微環境的物理、化學和生物條件或狀態的變化。 微環境理論認為:由于氧擴散的限制,在微生物絮體或者生物膜內產生溶解氧梯度,即微生物絮體或生物膜的外表面溶解氧濃度高,以好氧硝化菌及氨化菌為主,深入絮體內部,氧傳遞受阻及外部氧的大量消耗,產生缺氧區,反硝化菌占優,從而形成有利于實現同步硝化反硝化的微環境。目前,此種理論解釋同步生物脫氮現象已被廣泛接受。 針對該理論,國內外研究人員利用固定化微生物技術對生物脫氮過程加以強化。最初,DosSantos等以海藻酸鈉和K角叉菜膠為載體分層包埋硝化菌和反硝化菌,該法類似于傳統先硝化后反硝化脫氮工藝。在好氧條件下,該工藝連續運行時氮的去除率高達5.1 mmol N/(m3·s)。Uemoto等對混合包埋的硝化菌和反硝化菌的研究發現,運行一段時間后在載體內會自然形成硝化菌集中于外層,反硝化菌集中于內層,中間過渡層二者共存的現象,因此,沒有將二者分層包埋的必要。曹國民等以PVA(聚乙烯醇)為載體,采用冷凍-解凍法混合固定富集培養的硝化菌和反硝化菌,對其在好氧條件下同時進行硝化和反硝化進行了大量的研究,建立了底物(氨氮)去除動力學模型,并確定了模型中的相關參數。 具有一定大小尺寸(大于100 μm)的顆粒污泥,特別是好氧顆粒污泥,由于氧擴散的限制,其內部也能形成缺氧或厭氧區,同樣具有實現同步硝化反硝化的微觀環境。利用好氧顆粒污泥進行生物脫氮的優勢在于:顆粒污泥具有的良好活性以及沉降性能,可維持生物反應器內較高的生物相濃度,從而提高生物脫氮的效率;與利用載體固定微生物方法比較,好氧顆粒污泥天然的生物層分布確保了最佳的生物反應效率,保證了高效的生物脫氮。 近幾年,借鑒厭氧顆粒污泥培養的成功經驗,利用水力篩分的方法,國內外均有在SBR中培養出好氧顆粒污泥的報道。研究結果表明:在SBR反應器中,NH3-N、TN的去除率高達95%和60%,氨氮負荷約0.18 kg NH3N/(m3·d)。但是,研究好氧顆粒污泥實現同步硝化反硝化的報道還很少,目前尚處于探索階段。

1.3 微生物學理論

通常硝化細菌是自養型好氧微生物,依靠NH4-N和NO2-N的氧化獲得能量生長,需要02作為呼吸的最終電子受體。20世紀80年代以來,生物科學家研究發現許多微生物如熒光假單胞菌(Pseudomonas,flurescence)、糞產堿菌(Alcaligenes facealis)、銅綠假單胞菌(Pseudomonas aeruginos)等都可以對有機或無機氮化合物進行異養硝化。與自養型硝化菌相比較,異養型硝化菌的生長速率快、細胞產量高;要求的溶解氧濃度低;能忍受更酸性的生長環境。 反硝化一般是反硝化細菌在缺氧和低溶解氧條件下利用有機物的氧化作為能量來源,以N03-和N02-作為無氧呼吸時的電子受體而實現的。國內外大量文獻報道在實驗室里進行硝化細菌純培養和混合培養以及處理垃圾滲濾液的研究中均發現了好氧反硝化現象的存在。目前已知的好氧反硝化菌有Pseudomonas spp.,Alcaligenes,facealis, Thiosphaera pantotropha等。 好氧反硝化細菌和異養硝化細菌的發現,打破了傳統理論認為的硝化反應只能由自養細菌完成和反硝化只能在厭氧條件下進行的觀點。Robertson等還提出了好氧反硝化和異養硝化的工作模型。Thiosphaera pantotropha以及其他好氧反硝化菌利用硝酸鹽/亞硝酸鹽的呼吸作用(好氧反硝化)、氨氧化(異氧硝化)以及最后一步中聚β羥丁酸(PHB)的形成作為過量還原能量的轉換。同時,指出好氧反硝化和異養硝化的反應速率隨溶解氧濃度的增加而減小。Kuenen及Robertson等發現,許多異養硝化菌能進行好氧反硝化反應,在產生NO3-和NO2-的過程中將這些產物還原,即直接將NH4+-N轉化為最終氣態產物而去除。因此,從微生物學角度來看同步硝化反硝化生物脫氮是可能的。

 2 結束語

同步硝化反硝化技術的產生為今后污水處理降低投資并簡化生物脫氮過程提供了可能性,在荷蘭、德國已有利用同步硝化反硝化脫氮工藝的污水處理工廠在運行。目前同步硝化反硝化的研究主要是在其形成機理上,今后在以下方面還值得作進一步深人的研究:(1)好氧顆粒污泥具有同步硝化反硝化的微觀環境,可對其形成機理、微生物學特性、脫氮性能等方面加以研究;(2)研究發現兼性反硝化菌具有很強的生物攝/放磷能力,如何將脫氮除磷有機的結合起來,探索一種可持續城市污水生物處理技術正成為研究熱點;(3)同步硝化反硝化中將硝化過程控制在亞硝化階段能節省大量的能源,如何調控反應條件保持持久穩定的亞硝酸積累也是近期研究的難點。

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