废水处理第八篇生物脱氮徐亚同

40上海化工第23卷废水处理徐亚同史家梁张大鹏华东师范大学环境科学系(上海2〕X巧2)第八篇生物脱氮WasteWaterTreatment一Bio一denitrifieation1水体的氮污染氮是生命有机体中最重要的元素之一。它是构成生物体中的蛋白质、DNA、RNA等这样一些重要组分中必不可少的一种元素。其含量约占生物重量的01%左右。1.1氮素循环氮在自然界中的存在形式包括分子态氮、无机氮化物和有机态氮,其中分子态氮以游离的氮气形式存在于大气中,占大气含量的79%,但分子氮不能被绝大多数的生物直接利用,大气氮进入生物有机体主要有以下4条途径:(l)生物固氮。豆科植物能通过共生的根瘤菌固定大气中的氮,供植物吸收。某些固氮蓝细菌和固氮细菌也可以固定大气中的氮。(2)工业固氮。氮肥化工,如合成氨等。(3)岩浆固氮。火山爆发时,喷射出的岩浆可以固定一部分氮。(4)闪电固氮。雷雨时的闪电现象,可通过电离作用使氮氧化成氮氧化物。上述固定的氮可为植物所利用,植物可为动物所消费,以构成动、植物体内的蛋白质、核酸等组分。动、植物尸体中的蛋白质经细菌分解可生成氨。动物在新陈代谢过程中将一部分蛋白质分解生成氨、尿素、尿酸等。氨又可经硝化作用变为亚硝化菌、硝化菌并转化成亚硝酸盐,进一步又由硝化菌把亚硝酸盐转化为硝酸盐。一部分硝酸盐为植物所利用,另一部分在反硝化菌作用下转化成游离氮进人大气,完成了氮循环(见图8一l)。1.2水体中化合态氮的污染及危容性在整个氮循环中,每年生物固氮达弘xlo`吨之巨,闪电固氮为7.6x106吨,岩浆源加人的氮0.2x106吨,工业固定的氮30xl0`吨,合计为gl.sxlo`吨。被固定的化合态氮中经反硝化作用生成游离氮又返回大气中的每年约有85x106吨,每年固定的化合态氮比返回大气的氮多68()万吨。随着工农业生产的发展,工业固氮每年递增10%,结果使全球范围内氮素循环的平衡遭到了破坏。工业生产过程中排放的含氮废水及生活污水排人受纳水体,土壤中的氮肥随雨水冲淋流人江河,给水体带来的危害性表现在:(l)造成水体的富营养化现象,使某些藻类恶性繁殖,出现所谓的“水华”(bl~)。这些藻类往往带有一股腥味,使水质下降。其中一些藻类的蛋白类毒素,可富集在水产生物体内,并通过食物链使人中毒。大量藻类同时死亡时会耗去水中的氧,从而引起鱼类大批死亡。(2)这类富营养化水体可使水流变缓。长期下去,大量藻类遗体可使湖、河变浅,最终成为沼泽地。(3)增加给水处理的成本。例如在水厂加抓时,少量氨会使加抓量成倍增加,为了脱色、除臭、除味而使化学药剂投加量增加,池池的反冲洗次数亦增加。(4)还原态氮排人水体会因硝化作用而耗去水体中大量的氧,1个氨态氮氧化成硝态氮需耗去4个氧。(5)化合态氮对人及生物的毒害作用。水中氨氮超氮一/动物〔蛋白质)气\、矿化/季_----一一\一、:氮化)/工业固氮生物固祖NH3硝工飞:Nq大气氮/岩浆固似闪电、固抓、、反、峭,化,作/厂用/,云尸/产氮\、、\戈\、\植物、微生物(蛋白质)尸)厂化//厂同厂`圳剧ō硝嘛No,\、一巡-1旦生r//图8一1氮循环DOI:10.16759/j.cnki.issn.1004-017x.1998.20.007第02期上海化工4l过1毫克/升时,即会使水生生物的血液结合氧的能力降低;超过3毫克/升时,可于24一96小时内使金鱼、编鱼死亡。亚硝酸与胺作用生成的亚硝胺有致癌、致崎作用。饮水中N场一N含量超过or毫克/升时不适宜于饮用,它可引起婴儿高铁血红蛋白症。N场一N使血红素中的=eF+~eaF`,即失去结合氧的能力。2硝化作用硝化作用是指N凡氧化成N住一,然后再氧化成NO3一的过程。硝化作用由两类细菌参与,亚硝化菌【其中常见的是亚硝化单胞菌(iNtr以叨旧”nas)〕将N瑞氧化成N压一;硝化杆菌(iN加加eetr)将Nq一氧化为N仇一。它们都能利用氧化过程释放的能量,使C仆合成为细胞有机物质,因而是一类化能自养细菌,在运行管理时应创造适合于自养性的硝化细苗生长繁殖的条件。硝化作用的程度往往是生物脱氮的关键。3反硝化作用反硝化作用是指硝酸盐和亚硝酸盐被还原为气态氮和氧化亚氮的过程。参与这一过程的菌称为反硝化菌。大多数反硝化细菌是异养的兼性厌氧细菌,它能利用各种各样的有机基质作为反硝化过程中的电子供体(碳源),包括碳水化合物、有机酸类、醇类以及甚至像烷烃类、苯酸盐类和其他的笨衍生物等。在反硝化过程中有机物的氧化可表示为:5C(有机c)+2姨0+4N仇-一2饨+4OH一+父q4生物脱氮系统的基本流程同普通废水生化处理一样,我们可根据细菌在系统中存在的状态将生物脱氮系统分类为悬浮污泥系统(usSpended冰etm)和膜法系统(Aattched伽etm)两大类。每一大类又可再划分成去碳、硝化、反硝化结合的单级污泥系统以及去碳、硝化、反硝化相分隔的多级污泥系统。在单级污泥系统中,细菌(即污泥)交替地给予好氧及缺氧条件以进行硝化及反硝化作用。在多级污泥系统,承担硝化作用及反硝化作用的污泥互不相混,由多个池子将它们分隔开来,每一级的污泥各自回流,原生污水依次进人硝化段及反硝化段,使之硝化及反硝化脱氮。此外,根据脱氮时所用的碳源,还可将它再细分为两类:内碳源(原水中的碳和内源性碳)和外加碳源(另外投加甲醇或含碳丰富的其他工业废水)。4.1是浮污泥系统(l)悬浮多级污泥内碳源系统由上可知,该系统主要分成两大部分。第一部分污泥在好氧条件下去碳及硝化之后,经沉淀池分离后随即回流,与后半部分并不棍合。硝化的废水进人后半部分,在缺氧条件下利用旁路进水中的有机碳作为碳源进行反硝化,剩下的小部分有机物经后曝气被氧化分解。后曝气还可吹脱污泥中氮气,并通过提高溶解氧水平使反硝化作用停止,以使污泥在沉淀池中很好地分离。该系统由于将污泥分成数级分隔开来,硝化及反硝化作用都比较稳定,管理时灵活性亦较大,原水中的碳氮比要求高于4一5毫克BO压/毫克NT(总N)。(2)悬浮多级污泥外加碳源系统流程基本上与上法相同,只是反硝化这一步利用加甲醇或其他高碳工业废水作为碳源。分隔的多级污泥系统同其他反硝化系统相比较,由于可根据每一级徽生物的不同要求进行操作管理,故运行较稳定,效率亦高,可使系统总的池积减小;但由于池子繁多,基建费用较高。(3)悬浮单级污泥内碳源系统悬浮单级污泥内碳源系统具有3种流程,即前反硝化、同时反硝化及后反硝化。在前反硝化流程中,须使硝化段的出水回流至前端的反硝化段内,以提供反硝化的基质硝酸盐,与后反硝化一样,它们都能获得良好的脱氮效果。这一流程布局合理、简单,并适合于现有大型推流式污水处理厂改建,故被广泛地采用。同时反硝化见之于普通的延迟曝气池及氧化沟中,在曝气池中离充氧器较远的那些部位呈缺氧状态,结果使局部区域发生反硝化。该流程脱氮效果较差,且较难控制。(4)悬浮单级污泥外加碳源流程与悬浮单级污泥内碳源后反硝化系统相同,只是在反硝化段通人外加如甲醇的碳源。对原水中碳源不足或因低温的影响而使反硝化速率下降时,投加甲醇可保证出水的标准,但外加碳源的成本较其他方法高。同加速曝气相比较,悬浮污泥反硝化系统产生的剩余污泥量较小。同推流式曝气池一样,与完全混合式曝气池相比较不易产生污泥膨胀现象。因为污泥处于基质浓度高低不同的区域往复循环。在污泥有机负荷较高的区段,污泥凝絮体内部的菌胶团细菌亦能获得充分的营养,从而得到充分的生长,结果使引起污泥膨胀的丝状细菌得不到优势的生长。42上海化工第32卷4.2生物膜系统另一大类反硝化系统是利用生物膜中的微生物来进行的。目前所研究的膜法反硝化几乎都是利用将硝化与反硝化分隔开来的系统,亦即反硝化段的滤池始终保持缺氧,以进行反硝化脱氮。使废水进行好氧去碳和硝化的那部分,可以是普通的好氧生物滤池,也可以是普通的活性污泥,当然活性污泥则需要另设污泥沉淀池,以使污泥单独回流。根据缺氧反硝化滤池中介质是固定的还是活动的又可把它分成两类:一种是介质为静止不动的,仅使废水通过滤池,亦称缺氧溥池。另一种的介质可移动,如同生物转盘那样,但盘片全部浸没在废水中,亦称为缺氧转盘。滤池还可根据废水的流向再分成上向流和下向流两类。在上向流的形式中,若上向流速超过临界值,可使介质向上浮起,这便成了流化床的形式。同悬浮污泥系统一样,根据反硝化过程中碳源的不同,膜法反硝化也能依据碳源是外加碳源或是内碳源而加以区分,现择要介绍如下:(l)内碳源反硝化滤池内碳源反硝化建池的反硝化部分系采用不充氧的缺氧滤池。同悬浮系统一样,承担反硝化的缺氧滤池可以在好氧滤池的前面,也可以在后面。这几种系统的反硝化效果大体为70%一os%左右。在前反硝化系统中,经好氧滤池后的出水须回流至缺氧滤池,当回流比为进水流量的4倍(或更高一些)时,脱氮率可达叩%。在后反硝化系统中,原水部分旁路进人反硝化建池,对运行管理要求较高,否则出水不是碳未去尽,就是脱氮效果低下。(2)外加碳源反硝化滤池流程与内碳源滤池相同,只是反硝化滤池通入的是外加碳源(甲醉),而不是原生污水。它的脱氮效果较内碳源滤池高,停留时间亦可缩短。存在的最大问题是投加甲醇的剂量应随硝酸盐浓度的变化而相应地改变,因此运行管理上要求较高。在后反硝化系统中,为了确保除去剩余的甲醇,可设置后曝气塔。依据废水进人反硝化建池的流向,我们还可将它区分成下向流滤池及上向流建池。(3)下向流滤池滤池介质(滤料)可选用颗粒状活性炭、石块或纸质蜂窝或塑料波纹板。由于滤池是缺氧的,不充气,膜上的兼性厌氧反硝化细菌利用硝酸盐作为电子受体进行无氧呼吸,生物量逐渐增多,使膜逐渐变厚,可因此而造成堵塞,引起水头损失;或因局部堵塞造成不堵的部分水力负荷过高,形成短路,影响处理效果。在运行管理上的关键是防止堵塞,须定期进行反冲。反冲可采用压缩空气或用水力来冲击。当水头损失过高表明有堵塞时,则应以大流量进水进行反冲。(4)上向流滤池在上向流滤池中,原水从下方进入滤池,当上向流动的水力等于或大于介质的重力时即可将介质托起,形成流化床或膨胀床。若水力小于介质的重力时,介质仍沉于池底,为了同流化床相区别亦可称之为固定床。上向流滤池的介质可选用较细的颗粒活性炭或较轻的塑料介质。同下向流滤池相比较可减少反冲,同时由于介质颗粒较细小,可增大滤池内介质的总表面积,从而提高脱氮的容积负荷,减少停留时间。「下期预告:第九篇—生物除磷](上接第39页)低声值环境的要求,研究选择了多种分散剂和乳化剂,现所应用的品种已达2田种以上,而我国仅有20余种,并且多功能乳化剂领域基本空白,严重制约了新型水相法的开发。5.3设备由于水相法需要较高压力、温度,并且水相介质盐酸浓度较高,所以,适用设备并不多,氯化釜基本采用塘瓷反应釜。目前,国内搪瓷釜制造水平与国外差距较大,国内产品设备使用寿命大大低于国外设备的使用寿命,如果采用引进设备需支出大量外汇。除此之外,我国水相法生产设备还存在计量精度不高、粉碎机效率差等问题,巫需我国设备生产厂家予以改进。由此可知,要提高我国水相法氯化技术与生产水平,需要研究、应用技术的配套,需要原料生产企业、助剂与设备制造业及其他相关技术的协同,这样才能促使我国水相法氯化橡胶的生产赶上国际先进水平,才能从根本上解决我国氯化橡胶的生存与发展问题。参考文献(略)