新型生物脱氮工艺研究进展

图 1 传统生物脱氮途径 然后 短程硝化反硝化是将氨氮氧化控制在亚硝化阶段， 进行反硝化， 省去了传统生物脱氮中将亚硝酸盐氧化成硝酸 盐， 再还原成亚硝酸盐两个环节 。 因此， 该技术具有很多优 ［3 ］ ： 25% 点 可节省约 氧供应量， 降低能耗； 可节省反硝化所需 的碳源， 在 C / N 一定的情况下， 提高了 TN 的去除率； 缩短反应 历程， 并使相应反应器的容积减小； 可使污泥生成量减少 50% ［4 ］ 左右。尤其适合处理碳氮比低的高氨氮废水 。 1． 2 影响因素 在短程硝化反硝化途径中， 关键是如何将氨氧化反应控 制在亚硝态氮阶段， 使其不再进一步氧化成硝态氮 。 一方面， 可筛选培养出高效亚硝化菌和硝化菌， 研究其特性并用来去 除氨氮； 另一方面， 通过对运行参数的控制来实现 。 短程硝化 DO、 游离氨、 泥龄、 温度和有 反硝化的影响因素主要有 pH 值、 ［5 ］ 毒物质 。
2013． NO． 04
生命科学与农业科学
Journal of Henan Science and Technology
河南科技
新型生物脱氮工艺研Байду номын сангаас进展
( 郑州大学 马浩亮 徐洪斌 水利与环境学院， 河南 郑州 450001 ) 摘 要： 氮是引起水体富营养化的主要因素之一， 新型脱氮技术成为近年来的研究热点。综述了近些年来生物脱氮理论和技术 ， 、 、 的新发展 详细介绍了短程硝化反硝化 厌氧氨氧化 同步硝化反硝化的形成机理和影响因素， 可为生物脱氮技术应用提供参考。 关键词： 生物脱氮; 短程硝化反硝化; 厌氧氨氧化; 同步硝化反硝化 Abstract: Eutrophication is a main caused by the nitrogen，new nitrogen removal technology has become a research hotspot in recent years． The new development of the theory and technology of biological removal of nitrogen in recent years were reviewed in this paper． The formation mechanism and influencing factors of the shortcut nitrification － denitrification，anaerobic ammonium oxidation and simultaneous nitrification － denitrification are presented detailedly，new ideas and opinions for the biological nitrogen removal technology are provided， which can provide reference for the application of technology of biological removal of nitrogen． Key words: biological removal of nitrogen ; shortcut nitrification － denitrification; anaerobic ammonium oxidation; simultaneous nitrification － denitrification 中图分类号： X703 文献标识码： A 文章编号： 1003 － 5168 ( 2013 ) 07 － 0187 － 03 氮是造成水体富营养化的一种主要污染物质， 尤其是当 水体有机性污染物降低到一定标准之后 。 为了维护生态环 境， 保障人体健康， 国家的污水排放标准逐步严格， 对氮的去 除也有了更高的要求。 因此， 研究具有高效脱氮除磷功能的 工艺越来越重要。 近十多年来， 许多国家加强了对生物脱氮的研究， 并在理 ［1 ］ 论和技术上都取得了重大突破 。其中主要包括短程硝化反 厌氧氨氧化和同步硝化反硝化等， 以及它们的组合工 硝化， ［2 ］ 艺。这些新的理论研究表明 ： ① 硝化反应不仅由自养菌完 成， 某些异养菌也可以进行硝化作用； ② 反硝化不只在厌氧条 件下进行， 某些细菌可在好氧或缺氧条件下完成反硝化； ③ 许 并能把 NH4 + 氧化成 多好氧反硝化菌同时也是异养硝化菌， NO2 － 后， 直接进行反硝化反应。 1 短程硝化反硝化 1． 1 形成机理 生物脱氮包括硝化和反硝化两个阶段， 主要涉及亚硝化 菌、 硝化菌和反硝化菌三类微生物 。传统生物脱氮途径如图 1 所示。
［6 ］ 陈际达等 研究发现短程硝化最适 pH 为 7． 5 ～ 8． 5 ， 最佳 ［1 ］ pH 为 7． 9 。对于温度， 综合考虑各种因素， 郑平 认为以 30 ～ 35℃ 为 宜。 Laanbroek 等［7］ 研 究 纯 种 的 nitrosomonas 和 nitrobacter 混合菌群在低 DO 下的增殖及氧化规律。发现亚硝态 氮大量积累， 其原因是 nitrosomonas 对 DO 的亲和力优于 ni［8 ］ trobacter。但低 DO 下， 活性污泥却容易解体。 于德爽等 在 20 ～ 30℃ 条件下， 控制进水的 pH 值在 7． 5 ～ 8． 8 ， 以实现亚硝 态氮的积累过程， 并使亚硝化率达到了 95% 以上。 这为限氧 自养硝化 － 反硝化生物脱氮工艺（ Oland ） 奠定了基础。 对于 游离氨， 其对 硝 酸 菌 和 亚 硝 酸 菌 的 抑 制 浓 度 分 别 为 0． 1 ～ ［9 ］ 1． 0mg / L和 10 ～ 150mg / L， 徐冬梅 发现 0． 6mg / L 的游离氨几 乎可以抑制硝酸菌的活性， 实现亚硝酸的大量积累， 当游离氨 浓度达到 5mg / L 时才会对亚硝酸菌活性产生影响， 当游离氨 浓度达到 40mg / L 时会严重抑制亚硝酸的形成 。 2 厌氧氨氧化（ Anammox） 2． 1 形成机理 厌氧氨氧化是荷兰 Delft 工业大学于 20 世纪 90 年代初提 出的一种新型生物脱氮技术， 它是在厌氧条件下微生物直接 NO2 － 为电子受体的氧化还原反应， 以 NH4 + 为电子供体， 产物 为 N2 。与 传 统 硝 化 反 硝 化 工 艺 相 比， 它具有很大的优越 ［10 ］ 性 ： 不再需要外加有机物作为电子供体； 氧得到有效利用， 供氧能耗下降； 产碱量为零， 减少中和所需的化学试剂， 降低 运行费用， 同时还能减轻二次污染； 污泥量低。 近年来研究者对厌氧氨氧化菌的研究取得了许多突破性 成果， 提出了厌氧氨氧化代谢模型， 纯化研究了多种厌氧氨氧 化酶， 并分离获得和分类鉴别了 5 属 9 种厌氧氨氧化菌， 建立 ［11 ］ 了厌氧氨氧化菌科 。目前， 对厌氧氨氧化工艺的脱氮机理 、 抑制机制及调控措施等都缺乏深入的研究， 还不能将其很好 地运用于实际工程。 2． 2 影响因素 厌氧氨氧化菌为自养型微生物， 倍增时间为 11 ～ 14 天， 细 ［12 ］ 胞产率低， 对环境条件敏感 。所以该工艺启动缓慢、 易于失 稳、 难以恢复。此外， 实际废水水质成分复杂， 常含抑制物质， ［13 ］ 这些都给厌氧氨氧化工艺的工程应用带来了困难 。要使厌 氧氨氧化菌得到广泛应用， 必须解决厌氧氨氧化微生物生长 ［14 ］ 缓慢， 难以富集的问题 。不仅要选取合适的反应装置， 还要 pH、 DO 和水质等因素的影响。 考虑温度、 Jettern 等［15］ 认为厌氧氨氧化菌最佳反应温度是 40℃ ， 其 ［16 ］ 适宜温度范围为 20 ～ 43℃ 。 郑平等 研究 表 明， 当温度从
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生命科学与农业科学 P． Klangduen 等［29］ 研 究 认 为 较 大 粒 径 的 微 生 物 絮 体 有 利 于 SND 的进行， 其适宜的污泥絮体尺寸为 50 ～ 110 μm。 刘俊岭 ［30 ］ 等 认为活性污泥絮体体积的增加可引起同步硝化反硝化 SND 效率的显著增加。 侯红勋等［31］ 采用 ORP 作为氧化沟工 NH4 + 和 发 现 U ORP 在 － 30 ～ 30mV 时， 艺 SND 的 控 制 参 数， NO3 － 的含量 均 较 低， SND ， 发生了加好的 总氮的去除率在 88% 以上。张可方等［32］ 在 SBR 内， 以模拟生活污水为处理对 C / N 取 3． 3 、 6． 7 、 80． 和 10 时， 总氮去除率分别为 66． 15% 、 象， 65% 和 88． 18% ， SND 效果越好。 张楠［33］ 认为 表明 C / N 越高， SND 效果在增加。 方茜等［34］ 采用 SBR 法 随着 HRT 的减少， 处理模拟低碳城市污水， 研究发现随着泥龄的增加， 总氮去除 当泥龄为 22d 时， 总氮去除率最大， 为 87% 。 张 率逐步增加， ［35 ］ 志等 研究表明， 在 pH 为 8 ～ 9 范围内， 氨氮去除率均达到 95% 以上； pH 控制在 6 ～ 9 范围之间时， 好氧颗粒污泥理化性 状稳定， 没有发生解体现象。 4 结语 新型生物脱氮工艺为今后污水处理降低成本 、 简化脱氮 过程提供了可能， 具有很好的发展空间。 但是， 目前由于实际 运行条件的限制， 关于这方面的研究仍处于试验阶段， 如短程 硝化反硝化的适宜温度等还没有统一的意见， 在实际应用中 还存在一定的局限性。 对于如何针对各种废水的水质特点， 找到重要影响因子， 综合分析各种脱氮所占的权重， 得出的最 适的运行参数， 使脱氮过程节能稳定高效进行， 且不产生二次 污染， 还有待长期的研究和探索 。 参考文献： ［ 1］ 郑 平， 徐 向 阳， 胡 宝 兰． 新 型 生 物 脱 氮 理 论 与 技 术 ［ M］ ． 北京: 科学出版社， 2004 ［ 2］ 王刚， 张苏， 于 亚玲， 等． 污 水 生 物 脱 氮 理 论 与 技 术及 J］ ． 黑龙江科技信息， 2008 ， ( 28 ) : 49 － 50． 其新进展［ ［ 3］ ． M］ ． 北 京: 化 学 工 业 肖锦 城市污水处理及 回 用 技 术［ 2002 : 189 － 193． 出版社， ［ 4］ 马勇， 王淑莹， 曾薇． A / O 生物脱氮 工 艺 处理 生 活 污 水 J］ ． 环境 科 学学 报， 2006 ， 26 中试( 一) 短程硝化反硝化的研究［ ( 5 ) : 703 － 709． ［ 5］ 李亮， 李燕， 纪志国． 短程硝 化 反 硝 化 生 物 脱 氮 技 术 的 J］ ． 北方环境， 2011 ， 23 ( 4 ) : 124 － 125． 研究进展［ ［ 6］ 陈际达， 陈志胜， 张光辉， 等． 含 氮 废 水 亚 硝 化 型 硝 化 J］ ． 重庆大学学报: 自然科学版， 2000 ， 23 ( 3 ) : 74 － 76． 的研究［ ［ 7］Laanbroek H J， Gerards S． Competition for limiting amounts of oxygen between nitrosomanas europeaea and nitrobacteria winogradskyi grown in mixed continuous cultures ［ J］ ． Areh． Mierobiology， 1993 ， 159 : 453 － 459． ［ 8］ 于德爽， 彭永 臻， 张 相 忠， 等． 中 温 短 程 硝 化 反 硝 化 的 J］ ． 中国给水排水， 2003 ， 19 ( 1 ) : 40 － 42． 影响因素研究［ ［ 9］ ． 中国给水排 徐冬 梅． 亚 硝 酸 型 硝 化 的 试验 研究［J］ 1999 ， 25 ( 7 ) : 30 － 32． 水， ［ 10］Van Dongen U， Jetten M． s， Van Loosdrecht M． C． The SHRON － ANAMMOX process for treatment of ammoniumrich wastewater． Water Science and Technology， 2011， 22( 1) : 153 － 160． ［ 11］ J］ ． 浙江大 郑平， 张蕾． 厌氧氨氧化菌的特征与 分 类［ 2009 ， 35 ( 5 ) : 473 － 481． 学学报: 农业与生命科学版， ［ 12］ Strous M， Heijnen J J， Kuenen J G， et al． The sequencing batch reactor as a powerful tool for the study of slowly growing anaerobic ammonium － oxidizing microorganisms［ J］ ． Applied Microbiology and Biotechnology， 1998， 50( 5) : 589 － 596． ( 下转第 221 页)