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匯總當前最主流的生物脫氮工藝

文章出處:綠創環境 人氣: 發表時間:2020-02-28 17:46

01

前言

  污水處理行業從業者對污水脫氮又熟悉又頭疼。說熟悉,是因為現階段絕大多數的污水處理設施中都會加入具有氨氮及總氮去除的功能單元;說頭疼,則是因為很多現有設施的氮素去除效果無法滿足各地區愈發嚴格的排放標準限制??紤]到易行性、經濟性等因素,國內外污水處理中對于氮素污染物的去除普遍采用基于生物法的處理工藝。除了傳統的硝化 - 反硝化理論外,近年來突破常規認知的生物脫氮新理論也不斷出現,在環保展會中,硫自養反硝化、厭氧氨氧化等脫氮新技術都非常吸引眼球。本文主要介紹傳統生物脫氮過程及新型生物脫氮過程的基本理論,旨在幫助大家更好地理解生物脫氮過程。

02

傳統生物脫氮過程

2.1 傳統生物脫氮過程簡介

  目前在工程實踐中應用最廣泛的傳統生物脫氮過程主要包含好氧硝化 - 缺氧反硝化兩部分組成,其過程如圖 1 所示。進水中蛋白質等有機氮經過氨化細菌的脫氨作用轉化為氨氮,隨后氨氮在好氧條件下由自養型的亞硝化細菌和硝化細菌逐漸氧化為亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮,硝酸鹽氮在缺氧條件下由異養型的反硝化細菌還原為亞硝酸鹽氮,并繼續還原為一氧化氮、一氧化二氮及氮氣等氣體離開系統完成脫氮。

  由圖 1 可知,進水中氮素在生物處理過程中經歷了由多種不同細菌參與的轉化過程,由于細菌是生物轉化的 “執行者”,假如環境條件對于負責某項功能的細菌不利,那么這一部分轉化過程就可能出現問題。在工程中為改善生化系統脫氮性能,調試人員大多會從溶解氧含量、有機物含量、堿度及環境條件沖擊等幾方面入手。其實,在這些宏觀參數的調節背后,技術人員所做的一切都是為了更好地滿足脫氮過程中不同微生物的生長代謝特點,簡單來說就是 “投其所好”。因此,借鑒這一微生物視角對污水處理生化系統進行分析,為執行特定功能的微生物提供更好的生長代謝條件,就可以幫助我們更好地實現高效脫氮。

2.2 傳統生物脫氮細菌特點

  本文簡單總結傳統生物脫氮不同功能微生物的特點如圖 2 所示,供大家參考。在實踐中,大家可根據針對對象及功能菌群菌的特點,通過參數調節促進那些我們所需要的微生物的良好生長代謝。

  由圖 2 可知,氨化細菌可以利用有機物獲取能量并進行生長代謝,且其在好氧和缺氧環境都可生長,這些特點使得氨化細菌生長迅速、分布廣泛,在生化系統中很少成為問題所在。因此,我們主要探討亞硝化菌、硝化菌和反硝化菌。

2.2.1 亞硝化菌

  亞硝化菌主要參與系統中氨氮被氧化為亞硝酸鹽的過程,是生化系統中氨氮去除的主要功能菌。從微生物學角度來看,亞硝化細菌是一類在好氧條件利用無機碳源合成自身菌體、利用氧化氨氮釋放能量的化能 (能量來源)- 好氧 (溶氧要求)- 自養 (碳源類型) 細菌。

  針對碳源類型,亞硝化菌需要利用無機碳源進行合成代謝,亞硝化細菌生長緩慢,在生化系統中所占總量較小,因此其對于外界環境影響較為敏感,低溫環境、負荷沖擊、毒物流入、污泥流失等不良條件均可能導致亞硝化菌活性下降,使得系統出現氨氮去除率低,出水氨氮偏高的現象;針對能量來源和溶氧要求,亞硝化菌通過在好氧環境下氧化氨氮獲取化學能供給自身的生長代謝,因此充足的溶解氧以及適宜的氨氮濃度是維持亞硝化菌良好生長的必需條件。此外,由于亞硝化過程會導致系統堿度下降,而亞硝化菌的最適 pH 值范圍約為在 7.0-7.5,因此應注意曝氣池 pH 值,避免 pH 值過低導致亞硝化菌活性下降,氨氮去除不佳。

2.2.2 硝化菌

  硝化菌主要參與系統中亞硝酸鹽被氧化為硝酸鹽的過程,其與亞硝化細菌經常出現在相近區域,特點也較為相似。從微生物學角度來看,硝化細菌是一類在好氧條件利用無機碳源合成自身菌體、利用氧化亞硝酸鹽釋放能量的化能 (能量來源)- 好氧 (溶氧要求)- 自養 (碳源類型) 細菌。

  針對碳源類型,硝化菌需要利用無機碳源進行合成導致其生長緩慢,在生化系統中所占總量較小,因此其對于外界環境影響較為敏感,低溫環境、負荷沖擊、毒物流入、污泥流失等不良條件均可能導致硝化菌活性下降,使得好氧池中出現亞硝酸鹽積累的現象;針對能量來源和溶氧要求,硝化菌通過在好氧環境下氧化亞硝酸鹽獲取化學能供給自身的生長代謝,因此充足的溶解氧以及適宜的亞硝酸鹽濃度 (主要來自于氨氮被氧化生成的亞硝酸鹽) 是維持硝化菌良好生長的必需條件。此外,由于硝化過程會導致系統堿度下降,而硝化菌的最適 pH 值范圍約為在 7.0-8.0,因此應注意曝氣池 pH 值,避免 pH 值過低導致硝化菌活性下降。

2.2.3 反硝化菌

  反硝化菌主要參與系統中硝酸鹽及亞硝酸鹽被還原的過程,是生化系統中硝酸鹽氮去除的主要功能菌。從微生物學角度來看,常規的反硝化細菌是一類在缺氧條件利用有機碳源合成自身菌體、利用氧化有機物釋放能量的化能 - 缺氧 - 異養細菌。在反硝化過程中,有機物充當電子供體,硝酸鹽充當電子受體,在電子傳遞過程中,有機物失去電子被氧化,硝酸鹽得到電子被還原,化學能被釋放用于微生物的合成及其他生命活動。

  由于反硝化菌可以利用有機碳源,其生長較快,污水處理中生化系統污泥普遍存在大量反硝化細菌,占據較大的生物量比例。因此,為了促進硝酸鹽在反硝化過程中被去除,充足的有機碳源、良好的缺氧環境是必不可少的。有機碳源方面,進水提供的有機物的可生化性 (BOD/COD 比例) 和含量 (BOD/TN 比例) 多用于判斷有機物碳源是否適宜并足夠系統用于脫氮去除。溶解氧方面,由于好氧條件下氧氣會取代硝酸鹽充當細菌電子傳遞中的電子受體,導致反硝化無法順利進行,同時好氧下反硝化細菌用于反硝化的硝酸鹽還原酶及相關酶系會受到抑制,也導致反硝化無法進行。

03

新型生物脫氮過程

  傳統生物脫氮理論積累多年,并在工程實踐中廣泛應用,但也存在一些不足。由于傳統脫氮中硝化與反硝化過程對于溶解氧與有機物需求不同,這導致硝化與反硝化很難在時間與空間上完全同步發生在同一環境內,如何能夠減少外加碳源的投加、縮短脫氮過程流程、降低構筑物占地一直是研究熱門。在研究人員對生物脫氮中物料守恒、能量代謝等方面的持續關注下,一些相對新穎的生物脫氮過程逐漸被提出并完善,接下來本文將對幾種常見新型生物脫氮過程進行簡單介紹。

3.1 新型生物脫氮匯總

  近年來,短程硝化、厭氧氨氧化、好氧反硝化等新型生物脫氮過程逐漸引起人們注意,圖 3 匯總了近年來常見新型生物脫氮理論。標紅處是該項新型生物脫氮過程與傳統生物脫氮過程的區別所在。

3.2 厭氧氨氧化 VS 好氧氨氧化

  傳統生物脫氮中,氨氧化 (即亞硝化) 過程為好氧過程,細菌需要溶解氧作為電子受體實現氨氮的氧化。從 1989 年歐洲科學家在厭氧反應器中發現了厭氧氨氧化現象起,越來越多的厭氧氨氧化研究報告拓展了我們對于生物脫氮的認知范圍。除了污水處理,厭氧氨氧化還被發現存在于地球上的多種自然環境,其對于地球范圍內氮素循環的貢獻不容忽視。

  厭氧氨氧化細菌可以在厭氧環境下以氨氮為電子供體、以亞硝酸鹽為電子受體,產生氮氣和少量硝酸鹽。由于厭氧氨氧化菌一般呈現紅色,因此也常常被稱為 “紅菌”。厭氧氨氧化菌是自養微生物,以二氧化碳等無機物為碳源進行自身生長合成。由于厭氧氨氧化無需好氧曝氣條件與有機碳源,其在曝氣能耗削減與有機碳源節約方面有著顯著優勢,因此近年來厭氧氨氧化成為發展最迅猛的新型脫氮理論之一。由于需要亞硝酸鹽作為電子受體,厭氧氨氧化常與短程硝化結合,通過短程硝化將部分氨氮氧化為亞硝酸鹽,并與剩余氨氮進行厭氧氨氧化反應。

  在工藝設計中,短程硝化與厭氧氨氧化過程可在同一工段進行,也可分為兩段進行。目前厭氧氨氧化技術在國內外已有中試乃至實際規模運行案例,相比于主流厭氧氨氧化 (污水處理的主線流程),污水處理廠的側流 (污泥處理中的消解液) 厭氧氨氧化處理發展較快,這是由于側流厭氧氨氧化過程中有機物濃度、氨氮濃度、溫度等相關因素較為理想,而主流過程中則存在較多不利于厭氧氨氧化的條件,因此主流厭氧氨氧化的擴大與推廣仍存在不少技術問題有待解決。此外,基于顆粒污泥技術的短程硝化 - 厭氧氨氧化技術也是研究熱門。

3.3 短程硝化 VS 全程硝化

  傳統硝化過程是從氨氮到亞硝酸鹽再到硝酸鹽的全程硝化,而短程硝化一般指代從氨氮到亞硝酸鹽這一過程。由于氨氮和亞硝酸鹽的好氧轉化都需要消耗溶解氧,短程硝化相比于全程硝化可以節約曝氣的電能消耗。目前,短程硝化主要存在兩種主要研究方向,其一是與厭氧氨氧化偶聯,由短程硝化為厭氧氨氧化中提供亞硝酸鹽來源,其二是與短程反硝化偶聯,實現氮素的最終去除。短程硝化的實現主要依靠選擇性抑制硝化菌活性,技術原理在于亞硝化菌與硝化菌對于一些環境因素的耐受能力不同,溶解氧、pH 值、溫度、游離氨等因素都已被研究用以選擇性抑制硝化菌,以實現短程硝化?,F階段短程硝化的主要技術問題在于:如何在不同環境下 (溫度、有機物含量等因素) 實現對于氨氮到亞硝酸鹽這一轉化過程的長期穩定維持。

3.4 好氧反硝化 VS 缺氧反硝化

  傳統生物脫氮理論中,反硝化過程需要在缺氧環境下進行,而近年來不斷有新菌株被發現具有在好氧環境下進行硝酸鹽還原的能力,這類菌株被稱為好氧反硝化菌,它們可以在好氧條件下同步去除硝酸鹽與有機物,并可通過同化或異養硝化作用去除氨氮。好氧反硝化菌的出現,使得在好氧環境下進行同步硝化 - 反硝化過程成為可能。

  好氧反硝化細菌之所以能在好氧環境下進行反硝化,可能是由于細菌內部含有在有氧環境下能夠正常表達的與脫氮相關的酶系統 (酶是微生物轉化氮素的實際 “執行者”,微生物體內酶的活性決定了相對應的功能發揮情況),如周質硝酸鹽還原酶等;此外在污泥絮體或生物膜中溶解氧的梯度變化也可能促進了好氧反硝化的進行。目前已有大量好氧反硝化細菌被篩選鑒定并考察相關脫氮性能,采用好氧反硝化細菌作為菌種來源的微生物菌劑也逐漸出現,然而好氧反硝化理論仍需不斷完善,其準確機理仍在探索中,同時,關于好氧條件的準確界定也需要進一步探討。

3.5 自養反硝化 VS 異養反硝化

  傳統反硝化過程需要以有機物作為電子供體及碳源以供細菌獲取能量并合成自身菌體,這些反硝化細菌屬于異養型細菌。其實,反硝化的本質在于細菌在還原硝酸鹽的過程中獲取能量,細菌并不在意這個過程叫什么,他們想要獲取的只是反應過程中釋放的化學能,至于硝酸鹽變為氮氣只是獲取能量中的副產物。因此,在自養反硝化過程中,自養細菌采用無機物作為電子供體,將硝酸鹽還原并從中獲取化學能量用于合成及其他生命活動。

  相比于異養反硝化,自養反硝化不需要有機物作為碳源和能源,因此較為適合用于低碳氮比廢水或低有機物濃度廢水的脫氮過程。目前,已發現可以作為自養反硝化電子供體的物質包括氫氣、硫、硫離子、硫化氫、硫代硫酸鹽、亞硫酸鹽、硫氰酸鹽、二價鐵、零價鐵、二價錳等??紤]到自養反硝化菌的功能菌為自養菌,如何快速高效地獲得大量自養反硝化菌,并將其長期穩定存留于生化系統中是自養反硝化能否進一步發展的關鍵技術問題。

3.6 短程反硝化 VS 全程反硝化

  傳統生物脫氮中反硝化一般包括從硝酸鹽到氮氣的全程反硝化過程,而短程反硝化則可理解為全程反硝化過程中的一部分,具體囊括過程則根據需要而定。由于反硝化過程是電子供體,考慮到常見異養反硝化的電子供體為有機物,短程反硝化相比于全程反硝化所需要的電子供體更少,因此可以有效減少碳源消耗。目前,短程反硝化主要存在兩種主要研究方向,其一是與厭氧氨氧化偶聯,通過保持硝酸鹽還原到亞硝酸鹽為厭氧氨氧化提供亞硝酸鹽來源,其二是與短程硝化偶聯,將短程硝化產生的亞硝酸鹽還原至氮氣實現短程硝化反硝化?,F階段短程反硝化的主要技術問題包括:如何長期穩定高效地實現反硝化過程的針對性控制,以及如何降低反硝化過程中一氧化二氮等溫室氣體的排放量。

04

總結與展望

  (1) 污水生化處理的核心是微生物,一線技術人員對工藝參數與環境條件的調試應在考慮成本的前提下盡量實現對特定微生物的針對富集,為特定微生物的生長代謝提供良好條件是關鍵。

  (2) 傳統生物脫氮理論與新型生物脫氮理論的發展建立在特定微生物的特定功能這一基礎上。針對不同類型污水,不同的脫氮理論與工藝可能存在自身優勢與限制,無法進行絕對化的一概而論。

  (3) 生物脫氮理論的探討與工程實際并不矛盾,充分了解生物脫氮過程及其功能細菌的特點可以更科學高效地指導我們的運行與調試工作,同時現場工作中的第一手資料則為理論分析提供依據。

  (4) 盡管新型生物脫氮理論的發展大多仍處于小試與中試規模,其在實際規模與環境條件下的擴大與應用尚需解決大量技術細節與實踐限制,這些理論在未來污水處理過程中的寶貴價值不容忽視。


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