高濃度含氨廢水的厭氧脫氮研究進(jìn)展

知識(shí)水壩（豆丁網(wǎng) pologoogle）傾心為您整理（雙擊刪除） 高濃度含氨廢水的厭氧脫氮研究進(jìn)展 近幾年來(lái)，荷蘭 Delft 大學(xué)等研究者在流化床反應(yīng)器中發(fā)現(xiàn)了一種新的高濃度含氨廢水的脫氮反應(yīng)過(guò)程 1，并提出了一系列新工藝，如 ANAMMOX、 SHARON 和 OLAND 等。這些工藝基于對(duì)氮生物循環(huán)的新發(fā)現(xiàn)，為廢水生物脫氮處理提供了新的途徑。 1 ANAMMOX 工藝 厭氧氨氧化 (ANaerobic AMMonia OXidation)是在嚴(yán)格的缺氧條件下以 NO2-作為電子受體，利用自養(yǎng)菌將氨直接氧化為氮?dú)舛鴮?shí)現(xiàn)脫氮的工藝 2 6。研究表明，氨厭氧氧化產(chǎn)生的一分子氮?dú)庵?一個(gè)氮原子來(lái)自NO2-，而另一氮原子則來(lái)自于氨，對(duì)氨的最大去除速率可達(dá) 1.2mmol/(L h)，氧化 1mol 氨需要消耗 0.6mol的 NO2-，并由此產(chǎn)生 0.8mol 的氮?dú)?。羥胺 (NH2OH)和聯(lián)氨 (N2H4)是厭氧氨氧化過(guò)程的中間產(chǎn)物，其中羥胺為最可能的電子受體，而羥胺本身則是由 HNO2產(chǎn)生的 4。當(dāng)反應(yīng)系統(tǒng)中有過(guò)量的羥胺和氨時(shí)將發(fā)生暫時(shí)的 N2H4積累。聯(lián)氨向氮?dú)獾霓D(zhuǎn)化被認(rèn)為是通過(guò)將 NO2-還原為羥胺同時(shí)產(chǎn)生等量的電子而實(shí)現(xiàn)的，但該反應(yīng)是在同種酶的不同部位發(fā)生 NO2-的還原和羥胺的氧化還是通過(guò)由電子轉(zhuǎn)移 鏈相連接的不同酶系統(tǒng)的催化反應(yīng)實(shí)現(xiàn)研究表明， ANAMMOX 過(guò)程是由自養(yǎng)菌 (Candidatus Brocadia anammoxidans)完成的 7、 8，它被認(rèn)為同時(shí)具有將 NO2-氧化為 NO3-的功能，但生長(zhǎng)緩慢 (pH=8、溫度為 40時(shí)的生長(zhǎng)世代期為 11d2)。 Egli 等人采用生物轉(zhuǎn)盤處理含高濃度氨的垃圾填埋場(chǎng)滲濾液的研究表明，污泥中的 Candidatus Brocadia anammoxidans 占90.9%，且對(duì) PO43-和 NO2-均具有很高的抗性 (最大耐受濃度分 別達(dá) 20mmol/L 和 13mmol/L，在低濃度時(shí)具有較高的活性 )，對(duì) pH 值的適應(yīng)范圍為 6.5 9，最適 pH 值和溫度分別為 8 和 37 5。目前，尚未完全了解此類微生物的特性，但已發(fā)現(xiàn)其具有不規(guī)則的細(xì)胞結(jié)構(gòu)和外形 5、 7、 8。 在 ANAMMOX 過(guò)程中，自養(yǎng)反硝化菌的電子受體是 NO2-而不是 NO2-，氨則是電子供體。 Strous 等人采用20 個(gè)不同型式的流化床反應(yīng)器對(duì)合成基質(zhì)的研究表明 3，反應(yīng)器系統(tǒng)的基質(zhì)轉(zhuǎn)化速率可達(dá)3.0kgNH4+-N/(m3 d)， NO2-和氨的平均去除率分別達(dá) 99.5%和 84.6%，流化床中生物量的最大比活性約為 25 nmolNH4+/(min mg-1)，同化 1molCO2需要氧化 24mol 的氨，增長(zhǎng)速率為 0.001h-1，相當(dāng)于世代時(shí)間為 29d。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)過(guò)程能否順利進(jìn)行與反應(yīng)器中 NO2-和氨是否同時(shí)存在密切相關(guān)，其反應(yīng)的主要產(chǎn)物為氮?dú)猓瑫r(shí)約有 5% 17%的 NO2-被轉(zhuǎn)化為 NO3-，氨、 NO2-和所產(chǎn)生的 NO3-量的比例為 1 1.31 0.222 參與 ANAMMOX 過(guò)程的細(xì)菌首先是在進(jìn)水僅含氨和 NO2-的流化床反應(yīng)器中發(fā)現(xiàn)的。微生物在流化床內(nèi)以生物膜的形式 生長(zhǎng)在砂粒載體的表面，但對(duì)此類細(xì)菌的培養(yǎng)效果并不十分理想，其原因是實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的流化運(yùn)行比較困難，其對(duì)生物體的截留量往往不足以滿足此類細(xì)菌的需要。采用 SBR 作為 ANAMMOX 反應(yīng)器的研究表明：在沉淀階段絮凝體沉降迅速，污泥截留率可達(dá) 90%，即具有很強(qiáng)的生物體截留能力，利于ANAMMOX 細(xì)菌的生長(zhǎng)。 SBR 反應(yīng)器的生物量中 ANAMMOX 細(xì)菌的比例高達(dá) 74%，而流化床反應(yīng)器中則為 64%，即 SBR 對(duì) ANAMMOX 細(xì)菌的選擇性要好于流化床。 SBR 反應(yīng)器的運(yùn)行條件穩(wěn)定 9 與傳統(tǒng)的硝化反硝化脫氮工藝相比， ANAMMOX 工藝具有以下特點(diǎn)：需氧量低，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低。在 ANAMMOX過(guò)程中氨是在與 NO2-同時(shí)存在的條件下直接轉(zhuǎn)化為氮?dú)舛鴮?shí)現(xiàn)脫氮的，其中氨和 NO2-的比例為 1 1.315，即在 ANAMMOX 過(guò)程中并不需要將氨徹底氧化為 NO3-，而僅需轉(zhuǎn)化為 NO2-，即為部分氧化 (或硝化 )，因而所需的供氧量可大大降低。不需要外加碳源。由于實(shí)現(xiàn) ANAMMOX 過(guò)程的微生物為自養(yǎng)菌，因而無(wú)需傳統(tǒng)硝化反硝 化工藝中反硝化菌 (異養(yǎng)菌 )所必需的碳源。原水中無(wú)足夠的 NO2-可供利用時(shí)需外加 NO2- 2 SHARON 工藝 SHARON 工藝遵循短程反硝化原理，是基于 NO2-的高效脫氨單反應(yīng)器工藝的簡(jiǎn)稱 10。該工藝是高濃度含氨 ( 5 000 mg/L)廢水的理想處理工藝。它是一個(gè)無(wú)需污泥截留 的單個(gè) CSTR(Continuous Stirred Tank 知識(shí)水壩（豆丁網(wǎng) pologoogle）傾心為您整理（雙擊刪除） Reactor)反應(yīng)器，在溫度 25 (一般為 30 40 )的條件下可通過(guò)種群篩選產(chǎn)生大量的亞硝化菌，并使硝化過(guò)程穩(wěn)定地控制在亞硝化階段 (以 NO2-為硝化終產(chǎn)物 )，可節(jié)省能耗及外加碳源 (電子供體 )。硝化菌能快速地將 NO2-氧化為 NO3-，而在傳統(tǒng)的工藝中則很難將硝化 控制在亞硝化階段。在 SHARON 工藝中硝化菌的生長(zhǎng)速度明顯低于亞硝化菌，故通過(guò)完全混合反應(yīng)器并控制短暫的停留時(shí)間 (如 1d )及高溫條件可有效控制硝化菌的生長(zhǎng)，通過(guò)間歇曝氣可實(shí)現(xiàn)對(duì)脫氮和 pH 值的控制。該工藝可節(jié)省 25%的供氧和 40%的碳源，適用于具有脫氮要求的場(chǎng)合。當(dāng)該工藝與 ANAMMOX 工藝聯(lián)用時(shí)，僅需將 50%的氨轉(zhuǎn)化為 NO2-，從而不僅無(wú)需外加 NO2-，而且由于大多數(shù)厭氧處理出水中含有以 CO32-形式存在的堿度 (可補(bǔ)償因完全硝化造成的堿度消耗 )而無(wú) 需外加堿度物質(zhì)。 SHARON 工藝運(yùn)行的關(guān)鍵是通過(guò)對(duì) 停留時(shí)間和溫度的控制來(lái)抑制硝化菌的生長(zhǎng)。在處理過(guò)程中可進(jìn)行定期的反硝化以控制 pH 值。在 1.5 L 反應(yīng)器試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和化學(xué)計(jì)量物料平衡關(guān)系原理，于 1998 年在荷蘭的 Rotterdam Dokhaven 污水處理廠設(shè)計(jì)并投入運(yùn)行了處理規(guī)模為 1 500m3/d 的生產(chǎn)性SHARON 工藝，其去除 1 kgNH4+-N 的投資估算為 1.7 美元 11。 3 OLAND 工藝 比利時(shí)微生物生態(tài)實(shí)驗(yàn)室于 1998 年培養(yǎng)了一種用于高濃度含氨廢水處理的自養(yǎng)硝化菌，其關(guān)鍵特征是能通過(guò)自身供氧而將硝化過(guò)程控制在亞硝化階 段，電子受體不足時(shí)可消耗其自身 (即消耗 NO2-)來(lái)氧化氨。OLAND 工藝即是由自養(yǎng)硝化菌作為生物催化劑所發(fā)生的氧化 還原除氮，為氧控自養(yǎng)硝化反硝化的簡(jiǎn)稱 10、12。據(jù)報(bào)道，該工藝可比傳統(tǒng)的硝化反硝化工藝節(jié)省供氧 62.5%，節(jié)省電子供體 (碳源 )100%。在上述氧化還原反應(yīng)中，亞硝化菌可獲得足夠的能量以維持其生長(zhǎng)?？刂圃撨^(guò)程的關(guān)鍵參數(shù)是氧濃度。目前存在的問(wèn)題是，在混合菌群連續(xù)運(yùn)行的條件下尚難以對(duì)氧和污泥的 pH 值進(jìn)行良好的控制。若可通過(guò)化學(xué)計(jì)量方法合理地控制氧的供給，即可使污泥處于亞硝化階段。實(shí)驗(yàn)室研究表明， 該工藝對(duì)的去除效率相當(dāng)高50mgTN/(L d)。 4 厭氧脫氮工藝的應(yīng)用 近幾年，對(duì)厭氧氨氧化工藝的研究已由反應(yīng)原理、微生物特性及控制條件等方面轉(zhuǎn)向人工和實(shí)際廢水的處理效果方面，尤其對(duì)去除污泥消化上清液中氨的可行性進(jìn)行了較多研究。由于消化池上清液的 pH 值和溫度分別為 7.0 8.5和 30 37，均在 ANAMMOX 微生物的最優(yōu)生長(zhǎng)條件范圍內(nèi)，故此類微生物對(duì)消化池上清液具有良好的適應(yīng)性。采用實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的生物流化床反應(yīng)器 (2L)處理消化池上清液的研究進(jìn)一步表明，ANAMMOX 工 藝可有效地去除廢水中的氨和 NO2-，反應(yīng)器的氮負(fù)荷由 0.46kgTN/(m3 d)增加到約 2.6 kgTN/(m3 d)，氮的轉(zhuǎn)化率由 0.05kgTN/(kgSS d)提高到 0.26kgTN/(kgSS d)，對(duì)消化池上清液中氨和 NO2-的去除率分別達(dá)到 88%和 99%(表 1)3、 13。以上有關(guān)研究中反應(yīng)器內(nèi)的 NO2-是由人工投加的，而在實(shí)際應(yīng)用中 NO2-必須通過(guò)合理的工藝設(shè)計(jì)或通過(guò)生物轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)處理系統(tǒng)中 NO2-的自給， SHARON 工藝便是其中之一。 表 1 ANAMMOX 流化床和 SHARON 反應(yīng)器處理效 果 參數(shù) SHANRON 工藝 ANAMMOX 工藝 氨負(fù)荷 kgNH4+-N/(m3 d) 0.63 1.0 0.24 1.34 NO2-負(fù)荷 kgNO2-/(m3 d) 0.22 1.29 氮負(fù)荷 kgTN/(m3 d) 0.63 1.0 0.46 2.63 出水 NH4+-N(mg/L) 199 27( 85) 出水 NO2-(mg/L) 469 3( 3) NH4+-N 去除率 (%) 76 90 88( 9) 知識(shí)水壩（豆丁網(wǎng) pologoogle）傾心為您整理（雙擊刪除） NO2-去除率 (%) 99( 2) 污泥負(fù)荷 kgTN/(kgSS d) 10.3 0.05 0.26 注： SHANRON 工藝中的氨負(fù)荷與進(jìn)水濃度成正比； ANAMMOX 工 藝中的 NO2-是外加的。 荷蘭 Delft 大學(xué) Kluyver 生物技術(shù)學(xué)院采用 SHARON ANAMMOX 聯(lián)用工藝 (圖 1)處理污泥消化池上清液的研究表明，在不控制 SHANRON 反應(yīng)器內(nèi) pH 值的條件下且進(jìn)水 TN 負(fù)荷為 0.8 kgTN/(m3 d)時(shí)，上清液中的氨大部分被轉(zhuǎn)化為 NO2-，而所產(chǎn)生的 NO3-僅占總 NOx-N的 11%，所產(chǎn)生的氨和 NO2-混合液適于采用 ANAMMOX工藝進(jìn)行處理 13。 SHARON 反應(yīng)器出水進(jìn)入 ANAMMOX 流化床反應(yīng)器，因 NO2-濃度有限而被徹底去除并獲得了83% 研究表明，以 ANAMMOX 途徑實(shí)現(xiàn)氨厭氧氧化的先決條件是在同一反應(yīng)器中同時(shí)存在氨和 NO2-，且反應(yīng)器處于無(wú)氧狀態(tài)。產(chǎn)生 NO2-的 有效途徑有二： 一是限制反應(yīng)器的供氧以利于 NO2-的形成并抑制 NO3-的生成；二是限制反應(yīng)器中反硝化所需的電子供體(如硫化物或有機(jī)物等 )的數(shù)量以限制反硝化的發(fā)生。以上措施在廢水處理廠中易于實(shí)現(xiàn)，由此可促進(jìn)ANAMMOX 微生物的大量繁殖。此外，廢水中高濃度的氨與限制供氧相結(jié)合，可獲得氨和 NO2-在反應(yīng)器中同時(shí)存在的條件。采用生物轉(zhuǎn)盤處理氨濃度為 200 400mg/L 的垃圾填埋場(chǎng)滲濾液的 ANAMMOX 研究表明，對(duì)氮的去除率可達(dá) 70% 90%14 5 結(jié)語(yǔ) 上述新工藝為研究和應(yīng)用更為節(jié)能、更為有效 的生物脫氮方法開辟了新的前景，但目前這些工藝尚處于理論研究和應(yīng)用的初步階段，還有許多問(wèn)題需要解決，包括：如何在工程實(shí)際中合理控制運(yùn)行條件以實(shí)現(xiàn)這些工藝的實(shí)用化和長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行；如何合理地組合工藝以提供亞硝化菌生長(zhǎng)所需的環(huán)境條件并獲得所需的生物量；由于 NO2-是一種強(qiáng)活性物質(zhì)，可與芳香胺及其他芳香類物質(zhì)反應(yīng)而產(chǎn)生有害的亞硝化和硝化副產(chǎn)物，因而對(duì)此有必要作一些研究；需對(duì)有關(guān)微生物的特性作進(jìn)一步深入研究。 知識(shí)水壩（豆丁網(wǎng) pologoogle）傾心為您整理（雙擊刪除） 感謝您的使用 “小萍，晚上 10 點(diǎn)以后你為什么老關(guān)機(jī)？ ”陳飛很直接的發(fā)過(guò)來(lái)一條這樣 的疑問(wèn)。 有些按捺不住心頭的怒火得力萍想起白天母親那無(wú)休止的嘮叨，在看看陳飛所發(fā)過(guò)來(lái)的令人氣憤的短信，。平日有著高雅素養(yǎng)的她也很難一下子控制住心頭怒火中燒的情緒， “我忙忙碌碌一整天，下班以后我只想回家安安靜靜好好的睡一覺，沉沉香甜的睡夢(mèng)中，我不想被外界的因素所打擾，這就是我下班以后回家立刻關(guān)機(jī)的原因。陳飛你問(wèn)這話到底是什么意思？ ”氣憤填膺的李萍立刻回復(fù)著陳飛。 “我知道你白天為了飯店的生意勞碌不堪的，但是白天再累晚上下班以后也不至于回家就倒頭大睡呀，你難道沒(méi)有別的娛樂(lè)愛好嗎？ ”陳飛這個(gè)令李萍還在躊躇考驗(yàn)的男 人竟然還在不知深淺的試探著。 “什么娛樂(lè)項(xiàng)目？你難道說(shuō)的是找一群人在一起花天酒地的吃喝？還是閑得無(wú)聊漫無(wú)目的的在大街上瞎溜達(dá)？還是醉醺醺的在酒醉迷離中鬼哭狼嚎？陳飛，我告訴你，我沒(méi)有那多閑心和空閑的時(shí)間去干那些令人覺得無(wú)聊的事情 ”?？吹疥愶w竟然說(shuō)出如此之話李萍徹底的被激怒了。 “小萍。我不是那個(gè)意思，你真的誤會(huì)我的意思了。我就是覺得你平日認(rèn)識(shí)的朋友也是很多的，并且你也是非常的熱情好客的。既然你的交友圈子廣泛，晚上不至于就這樣按部就班的在家蒙頭大睡吧？ ”當(dāng)一個(gè)男人表露內(nèi)心所想的時(shí)候，小肚雞腸或者說(shuō)有點(diǎn)自私的男 人本色也就顯露無(wú)疑。 “那晚上我不睡覺我能去干嘛？陳飛，你到底想對(duì)我說(shuō)些什么，如果你真的想知道什么你就直接對(duì)我說(shuō)，你又何必拐彎抹角的用話語(yǔ)來(lái)傷人那？ ” “小萍，我說(shuō)的真的不是那個(gè)意思，我就是隨便的問(wèn)一句。你千萬(wàn)別生氣，我真的沒(méi)有別的意思。 ”李萍的回復(fù)出乎陳飛意料，他覺得他的話令對(duì)方生氣了。 “陳飛，我沒(méi)有生氣，我為什么要生氣？我可以拍著胸脯對(duì)天發(fā)誓，我沒(méi)干什么見不得人的事情。陳飛，我再告訴你一遍，以后不管白天你怎么發(fā)短信我都會(huì)全天開機(jī)，可是到了晚上我十點(diǎn)鐘準(zhǔn)時(shí)關(guān)機(jī)，所以晚上 10 點(diǎn)以后你就別打我電話了。還有 你覺得咱們有相處下去的