城市生活垃圾填埋场渗滤液生物脱氮处理技术新进展丁宝红

【布碱公闲透社】城市生活垃圾填埋场渗滤液生物脱氮处理技术新进展口文/丁宝红陈之基摘要:文中对生物脱氮技术新进展一短程硝化一反硝化、同时硝化一反硝化、厌氧氨氧化和半硝化一厌氧氨氧化作了介绍与评价。关键词:填埋场;渗滤液;生物脱氮;短程硝化一反硝化;同时硝化一反硝化;厌氧氮氧化;半硝化一厌氧氨氧化受国人生活习惯的影响,我国主要城市与发达国家在垃圾成分方面差异很大,突出的一点是我国主要城市的食品垃圾在垃圾总体中所占的比例明显高于发达国家。随着人民生活水平的不断提高及填埋场使用时间的增长,城市污水和垃圾渗滤液中的氨氮及其含氮化合物的含量还会急剧上升,最终渗滤液中的氨氮可达1500~2000mg/L。污水中的氨氮导致水体富营养化的现象引起了人们的高度重视,它不仅消耗水中的溶解氧,而且在转化过程中还会产生亚硝酸盐和亚硝胺,对水生动物有很大的毒害作用,进而危害人体健康。因此,如何实现无害化去除污水中的氨氮已成为当今环境工作者的研究热点。污水中氨氮去除方法主要有物理法川、化学法21t和生物法3种,其中生物法脱氮一致被公认为是一种更经济、更有效和最具发展前途的技术。污水生物脱氮技术已历经几十年的发展,无论在理论认识上还是在工程实践方面,都已取得了长足的进步,并逐渐走向成熟。但是,在实践中仍表现出许多不足之处。为此,人们仍在不断致力于研究和开发更加高效、低耗的新型生物脱氮技术。关于该领域新技术的研究不断有新成果见诸报道叽传统的生物脱氮技术传统生物脱氮途径一般包括硝化和反硝化两个阶段,硝化和反硝化反应分别由硝化菌和反硝化菌作用完成,由于这两个菌种对环境条件的要求完全不同,这两个过程不能同时发生,而只能序列式进行,即硝化反应在好氧条件下进行,而反硝化反应在缺氧或厌氧条件下进行l4]。由此而发展起来的生物脱氮技术大多是将缺氧区和好氧区分开,形成分级硝化和反硝化工艺,它可以在两个分离的反应器中进行,也可以在时间上成交替缺氧和好氧环境的同一个反应器中进行,以使硝化反应和反硝化反应能够独立完成。典型的分容器分级的硝化一反硝化工艺问充分发挥了各自的优势,在污水脱氮方面起了相当重要的作用。传统的生物脱氮工艺主要有前置反硝化和后里反硝化两种。前置反硝化能够利用废水中部分快速易降解有机物作碳源(RBCOO),虽然可节约反硝化阶段外加碳源的费用,但是,前置反硝化工艺对氮的去除不完全,污水和污泥的循环比也较高,若想获得较高的氮去除率,贝lJ必须加大循环比,相应也增加了能耗。而后置反硝化则有赖于要外添加快速易降解有机碳源,同时还会产生大量污泥,并且,出水表现出较高的COOC「和低水平的00,这也影响出水水质l日。由此可见,传统生物脱氮工艺存在不少问题性(1)工艺流程较长,占地面积大,基建投资高;(2)由于硝化菌群增殖速度慢且难以维持较高的生物浓度,特别是在低温冬季更加明显,造成系统的日R丁较长,需要较大的曝气池,增加了投资和运行费用;(3)系统为维持较高的生物浓度及获得良好的脱氮效果,必须同时进行污泥和硝化液回流,这增加了动力消耗和运行费用;(4)系统抗冲击能力较弱,高浓度N日厂N和NO厂N污水会抑制硝化菌生长;(5)硝化过程中目习建谈Zoo.6No浮【布碱公闲透议】产生的酸度需要再投加碱进行中和,这不仅增加了处理费用,而且还可能造成二次污染的弊端。生物脱氮技术的新进展某些现象的发现突破了人们对传统理论的认识。近年来的许多研究表明’“一’刁二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;反硝化不只在厌氧条件下进行,某些细菌也可以在好氧条件下进行反硝化,如许多好氧反硝化菌同时也是异养硝化菌(如ThiosPhaeraPantotroPha),并能够把NH。+氧化成NOZ一后直接进行反硝化反应。目前研究中的热门生物脱氮技术主要有:短程硝化一反硝化(shorteutnitrifieation一denitrifieation)、同时硝化反硝化(simultaneousnitrifieation一denitrifieation,SND),厌氧氮氧化(AnaerobjeAmmonjUmOxidation,ANAMMOX)和半硝化一厌氧氨氧化(SHARON一ANAMMOX)o短程硝化一反硝化生物脱氨氮需经过硝化和反硝化两个过程。当反硝化反应以NO3一为电子受体时,生物脱氮过程经过NO3一途径;而当反硝化反应以NO:一为电子受体时,生物脱氮过程则经过NOZ一途径`.13,引。前者可称为全程硝化一反硝化,后者可称为短程硝化一反硝化。由于人们一直认为日NO:具有一定耗氧性及毒性,影响受纳水体的溶解氧且对受纳水体和人都是一种不安全的因紊,所以应当尽量避免日NO:的出现,这样要实现污水生物脱氮就必须使氨氮经历典型的硝化和反硝化过程。早在,975年,Voets等人`151就进行了经NO:-途径处理高浓度氮氮污水的研究,他发现在硝化过程中NO:一积累的现象,并首次提出了短程硝化一反硝化生物脱氮的概念。实现短程硝化一反硝化的关键在于将NH;+氧化控制在NO:一阶段,阻止NO:一的进一步氧化,然后直接进行反硝化。因此,如何持久稳定地维持较高浓度NOZ一的积累以及探寻影响NO:-积累的因素,便成为研究工作的重点和热点所在。影响闪02一积累的主要因素有温度、p日、游离氨(FA)、溶解氧(DO)、游离轻胺HONHZ(FH)、水力负荷、有害物质以及污泥泥龄等,国内外一些学者在这些方面做过很多研究`16一’日。显然,与全程硝化一反硝化相比,短程硝化一反硝化明显地具有如下几方面的优点117一性(1)硝化阶段可减少25%左右的需氧l,降低了能耗;(2)反硝化阶段可减少40%左右的有机碳源消耗,降低了运行费用;(3)反应时间缩短,反应器容积可减小30%一40%左右;(4)具有较高的反硝化速率(NO:一的反硝化速率通常比冈0--3的反硝化速率高63%左右);(5)污泥产量降低(亚硝化过程可少产污泥33%一35%左右,反亚硝化过程中可少产污泥55%左右);(6)减少了投碱t等。因此,对许多低CODo/NH4+比值的污水(如焦化和石化污水及垃圾填埋场渗滤水等)的生物脱氮处理而言,短程硝化一反硝化显然具有重要的现实意义。老龄垃圾填埋场渗滤液成分极其复杂,氨氮浓度高达几千,但是可以被反硝化细菌利用的碳源却很少。所以,在如此高的氨氮浓度情况下,如果使用传统的硝化一反硝化工艺,就需要添加大量的碳源,这在经济上是不合算的,短程硝化一反硝化则有可能解决了这个难题。同时硝化一反硝化近几十年来,尽管生物脱氮技术有了很大发展,但是传统观点认为硝化与反硝化反应不能同时发生,硝化和反硝化两个过程仍然需要在两个相互的隔离的反应器中进行或者在时间或空间上造成交替缺氧和好氧环境的同一个反应器中进行。然而,近年来的新发现l“一’2’却突破了这一传统认识,使得同时硝化一反硝化成为可能。近年来,好氧反硝化菌和异养硝化菌的发现,以及对好氧反硝化、异养硝化与自养反硝化等菌种的研究进展,奠定了同时硝化一反硝化(SNO)生物脱氮的理论基础。SNO工艺就是这样一种新型的生物脱氮工艺。在SNO工艺中,硝化与反硝化反应在同一个反应器中同步完成。因此,与传统生物脱氮技术相比,SNO工艺具有明显的优越性,主要表现在:(1)节省反应器体积;(2)缩短反应时间;(3)无需酸碱中和(微生物硝化过程中好氧、耗碱度、无需COO;而反硝化过程则与之相反并且优势互补,厌氧、产生碱度、需建救~·.oN8口组【布碱公闲透社】消耗大t的COO)。其技术的关键,就是硝化与反硝化反应动力学的平衡控制。尽管目前,对同时硝化一反硝化生物脱氮技术的机理还有待进一步地深入了解与认识,但纵观当今的各大观点,似乎可以从微生物学(异养硝化和好氧反硝化菌种理论)以及物理学(微环境理论)这两方面予以初步的阐述和解释。近年来生物学上的发现和进展已经可以给出令人满意的答案。由于人们对许多好氧反硝化菌、异养硝化菌种的发现,打破了认为硝化反应只能由自养菌完成,反硝化只能在厌氧条件下进行的传统观点。对于好氧反硝化、低00下的硝化、异氧硝化、自养反硝化等现象,生物学上的发现和进展已经能够给出令人较为满意的答案。许多好氧反硝化菌如丁ihosphaeraPantotroPha、PseudomonasSPP.、A!ea!igenesfeecials等,同时也是异养硝化菌,它们可以直接把N日“转化为最终气态产物(例如N:气)而由污水中逸出`91。正是由于好氧反硝化菌、低00下的硝化菌、异氧硝化菌及自养反硝化菌等有别于传统硝化菌和反硝化菌的存在,方使同时硝化一反硝化脱氮技术SNO成为可能。从微观角度解释SON的微环境理论是目前已被普遍接受的观点。微环境理论主要考虑活性污泥和生物膜微环境中各种物质(如00、有机物等)的传递与变化,各类微生物的代谢活动及其相互作用,从而导致微环境的物理、化学和生物条件或状态的改变等。微环境理论认为`,.2绷:由于微生物个体形态非常微小(一般属材m级),因此影响其生存的环境也很微小,由于外部氧的大t消耗及氧扩散的限制,在微生物絮体和生物膜内出现溶解氧梯度,如图1所示。微生物絮体或膜的外表面处00较高,以好氧菌、硝化菌为主;深人絮体或膜的内部,由于氧传递受阻及外部氧的大t消耗,产生缺氧微区,反硝化菌占优势;正是由于微生物絮体内缺氧微环境的存在,从而导致了SNO的发生。由于微生物种群结构、基质分布代谢活动和生物化学反应的不均匀性以及物质传递的变化等因素的相互作用,在微生物絮体和生物膜内部会存在多种多样的微环境;一般而言,即使在好氧性环境占主导地位的微生物系统中,也会存在不同状态的微环境,系统中各种微生物环境的存在相应导致了部分SNO的发生。由于缺氧环境的形成有赖于系统中的00浓度的高低以及微生物的絮体结构特征。因此,控制系统中的00浓度及微生物的絮体结构对能否发生及其发生的程度至关重要。主体相日00NH+4O0NO犷/,.、,…,、、_砂尹乎乎缺缺lll扭扭...区区...才二二、`.~.口沪图,徽生物絮体内反应区和基质浓度分布示愈厌氧氮氧化厌氧氨氧化(ANMMOX)是指在厌氧条件下,微生物直接以NH犷为电子供体,以NO3一或NOZ一为电子受体,将N日4十,NO3一或NOZ一转变成N:的生物氧化过程11’.21]。早在1977年,Borda`刀’就作出了自然界应该存在反硝化氨氧化(denitrifyingammoniaoxidizers)的预言。1994年,Kuenen等人`日发现某些细菌在硝化一反硝化反应中能用NOZ一或NO3一作电子受体将N日+4氧化成NZ和气态氮化物;1995年,Mulder和Vadngearaf等人`,’]使用流化床反应器研究生物反硝化时,发现了氨氮的厌氧生物氧化现象。从而证实了Broda的预言。我国学者郑平等人`“洲对厌氧氮氧化菌的基质及氮氧化菌的好氧代谢特性、厌氧氮氧化的电子受体、ANAMMOX流化床反应器的性能等方面,进行了深入地研究。周少奇等人`图从生化反应电子流守衡原理出发,推导出厌氧氮氧化反应的生化反应计量程式。从理论上证明并指出:(1)厌氧氨氧化需一定量的COZ作碳源,这说明ANAMMOX过程是在自养微生物作用下完成的;(2)ANAMMOX反应以目动建吸即。`..No,【布碱公闲透社]N日+4作为细胞合成的氮源时,需要消耗一定量的碱度;(3)所有ANAMMOX反应都有H+产生,所以,反应过程会出现p日降低的现象;(4)微生物存在以氨氮或硝态氮作为细胞合成的氮源的两种可能。在厌氧氮氧化反应的基础上,正在开发的有关脱氮工艺有ANAMMOX和OLAND(OxygenLimitedAutotroPhieNitrifieatiaonDenitrifieation氧限制自养硝化反硝化)两种工艺。与传统的硝化一反硝化工艺或同时硝化一反硝化工艺相比,氨的厌氧氧化具有不少突出的优点。主要表现在:(1)无需外加有机物作电子供体,既可节省费用,又可防止二次污染;(2)硝化反应每氧化1moIN日+4要耗氧Zmol,而在厌氧氮氧化反应中,每氧化1moIN日犷只需要0.75mol