生物脱氮是除氮最经济的方法,目前已经开发出如A2O、SBR、氧化沟等多种生物脱氮的工艺。但随着对传统生物脱氮过程的研究,暴露出不少问题,同时提出许多新理论[2-6],其中厌氧氨氧化具有许多显着的优点,成为众多学者研究的重点。

1 短程硝化脱氮技术原理

1.1 传统生物脱氮

在好氧条件下将废水中有机氮转化为氨氮,然后通过硝化反应将氨氮转化为硝态氮,再通过反硝化反应将硝态氮还原成气态氮从水中逸出脱氮。

反应方程式如下:

厌氧氨氧化

厌氧氨氧化

总反应式为:

厌氧氨氧化脱氮及影响因素研究

从微生物的角度看,氨是硝化细菌的营养元素(电子供体),亚硝酸盐和硝酸盐是代谢的产物,氧(电子受体)是硝化作用的必需的环境条件。此过程参与的两种菌属于化能自养型微生物。硝化菌生长率低,对环境变化较为敏感[7]。

反硝化作用(以甲醇为碳源):

反应方程式如下:

机理

机理

总反硝化反应[8]:

厌氧氨氧化脱氮及影响因素研究

反硝化作用是反硝化细菌的厌氧呼吸过程,硝酸盐是电子受体,氮气是代谢产物,要完成这个厌氧呼吸过程还需要不断的从外界获得电子供体(通常为有机物)。反硝化菌属异养型兼性厌氧菌,在有氧存在时,它会以O2为电子受体进行好氧呼吸;在无氧而有NO2-或NO3-存在时,则以NO2-或NO3--为电子受体,以有机碳为电子供体和营养源进行反硝化反应[9]。

1.2 厌氧氨氧化

1995年,Mulder 等[10]在研究脱氮流化床反应器时发现,氨确实可直接作为电子供体而进行硝化反应,并称之为厌氧生物氨氧化,简称为厌氧氨氧化。厌氧氨氧化工艺不需要氧气,也不需要外加有机碳源,从而可在节省能源和碳源的情况下实现高氨氮废水的高效脱氮,是目前已知的最经济的生物脱氮方法,具有可持续发展意义。

目前厌氧氨氧化工艺大都与前期开发的亚硝酸型工艺相结合,以NO2- -N 作为电子受体,以NH4+-N 作为电子供体。如SHARON2厌氧氨氧化工艺、OLAND工艺等。SHARON2厌氧氨氧化联合工艺是SHARON和厌氧氨氧化组成的新型生物脱氮工艺,即在有氧的条件下将SHARON 反应控制在氨氧化反应的亚硝化阶段将其出水作为厌氧氨氧化反应的进水,特别适应于处理低C/N和高浓度氨氮负荷的废水,世界上第一个生产性的SHARON2厌氧氨氧化工艺已于2002年在荷兰鹿特丹Dokhaven 污水处理厂正式运行[11],主要用于处理污泥消化上清液。全程自养脱氮(CANON) 工艺是在限制DO浓度下,一个反应器内两类自养菌(亚硝化菌和厌氧氨氧化菌) 同时作用,将NO2--N和NH4+-N 直接转化为N2[12]。厌氧氨氧化工艺的主要影响因素有氧气、pH、温度和SRT等。

2 影响前厌氧氨氧化的因素

厌氧氨氧化脱氮具有节能高效等不可比拟的优势,但如何实现厌氧氨氧化是关键。影响厌氧氨氧化的因素主要有如下几种。

2.1 溶解氧浓度DO

Strous等[13]人采用序批式反应器试验证明氧能够抑制厌氧氨氧化活性,但除氧后氧化活性能够恢复。在采用厌氧氨氧化工艺处理实际含氨废水的小试(2.5L)和中试(2.5m3)装置内,由于除了氨和亚硝酸盐以外,还同时存在有机物质和其他细菌,厌氧氨氧化细菌对少量的氧并不敏感。在中试中,装置一直敞口并伴有水下搅拌,厌氧氨氧化反应依然能高速进行。

2.2 pH

在厌氧氨氧化过程中,pH是一个非常重要的环境条件。pH对厌氧氨氧化过程的影响主要来自它对细菌和基质的影响。

郑平[9]等人试验发现,当pH从6.0升至7.5时,厌氧氨氧化速率提高;当pH继续由8.0升至9.5时,厌氧氨氧化速率下降;由此判定最适pH在7.5~8.0附近。据Strous[13]等人报道,厌氧氨氧化的适宜pH范围为6.7~8.3,最大反应速率出现在8.0左右。

氨和亚硝酸盐都是厌氧氨氧化菌的基质,它们的有效成分可能是NH3和HNO2。这两种有效成分在液相中的分配百分比都受pH的巨大影响。

2.3温度T

温度是影响细菌生长和代谢的重要环境条件。随着温度的升高,细胞内的生化反应加快,细菌生长加速;超过上限温度后,对温度敏感的细胞组分(如蛋白质和核酸)变性加剧,细菌停止生长,甚至死亡。如果其他条件不变,细菌生长有一个最适温度。但是,由于厌氧氨氧化菌生长缓慢,测定菌体浓度变化很困难,至今未见温度与该菌生长之间的定量关系。

能够进行厌氧氨氧化的温度范围为6~43℃[14],适宜厌氧氨氧化的温度范围为30~40℃。低于15℃,厌氧氨氧化速率较低;超过40℃,厌氧氨氧化活性剧降。

在废水生物处理中,厌氧氨氧化属于对温度变化比较敏感的反应类型,理论上提高温度有利于加速反应。

2.4泥龄控制SRT

由于厌氧氨氧化菌生长缓慢,细胞产率低,维持长泥龄对厌氧氨氧化工艺起至关重要的作用。厌氧氨氧化菌的倍增时间长达11d,因此厌氧氨氧化工艺的泥龄越长越好。

3 实验研究

3.1 实验废水

取苏州某化肥厂产生的废水,其废水水质组成:NH3-N 250~300 mg/L,甲酸盐100 mg/L,pH 8.5,CODcr 400~500 mg/L。

3.2 驯化及运行

接种污泥来自化肥厂废水处理系统反硝化池,接种污泥浓度为8.5 g/L。在推流式反应器中,用废水进行污泥驯化。开始阶段用自来水稀释,逐步减少稀释用自来水量,直至直接用废水进入推流式生化反应系统。驯化期间不排泥,推流式周期取24h,运行方式为:直接进水和厌氧搅拌2h,好氧曝气12~16h,缺氧搅拌4h,沉淀阶段1~2h,采用水浴加热的方式保持推流式生化处理系统的温度在25℃,加入适当碳酸钠调节pH。在污泥驯化过程中,对反应器的进出水的NH3-N和出水中NO2--N 进行分析,研究脱氮效果及控制脱氮的因素。

3.3 实验结果及分析

3.3.1 PH

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bsp; 由于在废水生物处理中通常为微生物的混合群体,所以可以在较宽的pH值范围内进行,但要取得较好的处理效果,则需要在较窄的pH值范围内。故厌氧氨氧化反应要达到较好的处理效果必须控制pH在最适的范围内

机理

图1 pH对亚硝酸盐还原速率的影响

从图上看出:亚硝酸盐还原速率随pH的成抛物线形变化,当pH值从7.0升至7.5时,亚硝酸盐还原速率不断提高;最大值出现在pH值为7.5~8.0之间;当pH值从8.0升至8.5时,亚硝酸盐还原速率则不断下降。由此判定,最适应的pH范围在7.5~8.0之间。