废水生物脱氮除磷机理与技术研究的进展杨朝晖

废水生物脱氮除磷机理与技术研究的进展杨朝晖,曾光明,李小明,杨霞(湖南大学环境科学与工程系,湖南长沙410082)摘要:本文介绍了峭化一反稍化,短程浦化一反峭化,厌氧氛氧化等生物脱氮过程和生物除磷过程的机理及目前国内外的研究现状和比较成熟的技术,并对我国开展这方面的研究前景提出了展望。关健词:生物脱氮;生物除磷;废水中圈分类号:X7O3文献标识码:A文章编号:10()1一3644《2002)02一0025一05RveiewontheMceh明ismandTcehnol叼esofBiol哈calL随nitirifcationandPh佣Pholr朋Relnoviaf’℃mWastewaterYANGhC盼hui,ZENGGua呢一ming,LlXi盼mign,YANGXia(2兔加lrtnentofnE饭orn~耐&泛翻ce“dnE力gin~gn,uHnannUi~yt,以ang仍a,灿才ann,410082,以ian)Abstract:Thefundamenalt~挂川isnrandtcehnol呢iesofibol呢icaldeniitrifcaitonandp卜羌phaurs~1aerdesicrb以1.Thastudyistuation出ldporgre治onthacmehanismfomrdonl咫tieandabaord欲asunnnrr词,whilethafurthersutdyinthisifeld15por闪别.Keywo川s:Biol眼iealdientirfication;biol笔icalp际p助usrvaenorrl;awstaewter1引言随着工农业生产的高速发展和人们生活水平的不断提高,近年来水体营养化问题日趋严重。据全国26个主要湖泊水库富营养的调查表明:贫营养的l个,中营养的9个,富营养的16个,在16个富营养化湖泊中有6个的总氮、总磷的负荷量极高,已进人异常营养型阶段川。同时,我国沿海赤湖发生的次数和面积也逐年增加,每年都给当地的工农业生产带来相当大的损失。自20世纪70年代以来,世界各国都认识到控制水中的氮磷是限制菏类生长,遏制水体营养化的重要因素,开展了脱氮除磷机理及工艺的研究。我国从80年代初开始,也进行了大量的这方面的研究,其中有的已进人规模应用,并取得了满意的效果。随着我国1998年l月1日实施的污水综合排放标准对氮磷处理提出了更高的要求,废水脱氮除磷技术在我国的发展前景将更加广阔。2生物脱氮氮在废水中以有机氮化物和氨氮为主,用传统的活性污泥法能将有机氮转化为氨氮,却不能有效地从废水中去除氮。废水生物脱氮的基本原理即在生物处理过程中使废水中含氮有机物被微生物分解,转化为NZ而从液相中释放出来。2.1生物硝化作用硝化反应包括两个步骤,第一步由亚硝酸细菌将氨氮转化为亚硝酸盐(N街),第二步由硝酸细菌进一步将亚硝酸盐氧化成硝酸盐(N-3Q)。这两类细菌统称为硝化细菌,它们利用无机碳化物加C诱一,H(I万和Cq作为碳源,从N凡,N斑或N呀的氧化反应中获取能量。Haug,MOaCrey提出的计量关系式为:55N碳+76q+logH以万一匹塑丝堕一几玲qN+54N街士57践+104践C03400N街+N嘴+4跳C3Q+H(C万+195q一衅燮些一几玲qN十3找。十400N呀收稿日期:2001一07一19作者简介:杨朝晖(1963一),男,湖南长沙人,2(X旧年7月年毕业于湖南大学环境科学与工程系环境工程专业,硕士,副教授。合并以上两式得:DOI:10.14034/j.cnki.schj.2002.02.007四川环境2002年第21卷第2期N叫+1.86q2.2生物反硝化作用+1.98HC(万一(0.0181+0.0025)蛛氏qN+1.04玩O+0.98N马+1.88从C()3反硝化作用是指在无氧或低氧条件下,硝酸态氮、亚硝酸态氮被微生物还原转化为分子态氮(N:)的过程。参与这一作用的微生物是反硝化细菌,这是一类异养分型的兼性厌氧细菌,如变形杆菌(2丐勺etn:)、假单胞菌(sPedno。;o、a:)、小球菌(呱ecor、cu、)、芽泡杆菌(aBeizzu:)、无色杆菌(Ahtomrob己cte,一)、嗜气杆菌(Aell)b“Cet:)、产碱杆菌(Azcailg℃双.ve)。它们在缺氧的条件下,利用有机碳源为电子供体,N呀一N作为电子受体,在降解有机物的同时进行反硝化作用,其反应过程可表式为:N衡+3H(电子供体)一1忍N:+眺O+OH-N呀+4H(电子供体)一l忍N:+玩O+OH-这样的反应又称为异化反硝化反应。值得一提的是反硝化过程中还存在同化反硝化反应,即将N街,NO多转化为N眺一N以合成细胞物质的反应。但反硝化细菌通过同化反硝化反应使氮转化为细菌氮化物所去除的氮相对较少。目前公认的从N断还原为N:的过程为:N(石-一N炳一一~NO一NZO一NZ进行生物脱氮作用,必须具备以下几个条件:l()存在N呀或N街;(2)不含溶解氧;(3)存在兼性细菌菌群;(4)适宜和适量的电子供体。废水生物脱氮处理系统需有机物可以有如下几个来源:()I废水中含有的碳源;(2)利用活性污泥内源呼吸所释放的碳源有机物;(3)若废水中不含能源物质或含量不足,则可以添加有机化合物,尤以甲醇、甲烷、甲醇、丙酮、乙酸等为佳川。2.3短程硝化一反硝化生物脱氮长期以来无论是在废水生物脱氮理论上还是在工程实践中,都一直认为要实现废水生物脱氮就必须使用NH{经历典型的硝化和反硝化过程才能安全地被除去,这条途径也可称之为全程(或完全)硝化一反硝化生物脱氮。实际上从氮的微生物转化过程来看,氨被氧化成硝酸是由两类独立的细菌催化完成的两个不同反应,应该可以分开。对于反硝化菌,无论是N(万还是N姚均可以作为最终受氢体,因而整个生物脱氮过程也可以经N叹一HNq-一从这样的途径完成。早在1975年V忱t就发现在硝化过程中1任N姚积累的现象并首次提出了短程硝化一反硝化生物脱氮(Shortcutintiifrcaiton一den-iririfcaiton,也可称为为完全或称简捷硝化一反应硝化生物脱氮),随后国内外许多学者对此进行了试验研究。这种方法就是将硝化过程控制在HNq阶段而终止,随后进行反硝化〔’,“〕。亚硝酸菌和硝酸菌虽是两类独立细菌,但在开放体系中这两类菌普遍存在,并生活在一起,彼此有利,因此难以单独存在;氨氧化为亚硝酸的速度较亚硝酸氧化为硝酸速率快,在N玩一HNq中,亚硝酸的形成是限速步骤,所以通常硝化产物为硝酸,亚硝酸浓度很低。近年来,高氨低碳源废水处理过程中所反映的一系列问题和短程生物脱氮的提出,又促使人们重新审视传统生物脱氮的过程,并围绕短程生物脱氮的可行性进行了大量实验研究和工程实践。短程生物脱氮具有以下特点:对于活性污泥法,可节省氧供应量约25%,降低能耗;节省反硝化所需碳源40%,在C八比一定的情况下提出TN去除率;减少污泥生成量可达50%;减少投碱量;缩短反应时间,相应反应器容积减少。因此这一方法重新受到了人们的关注v[,”]。控制硝化停止在HN姚阶段是实现亚硝酸型生物脱氮技术的关键,硝化反应的控制在一定程度上取决于对两种硝化细菌的控制,亚硝酸细菌和硝酸细菌在生物学机制及动力学特征上存在固有的差异,导致某些影响因素对其存在不同程度的抑制作用,从而影响硝化形式。控制硝化阶段温度在低温或较高温度时,硝化产物主要是亚硝酸;降低溶解氧浓度,对亚硝酸进一步氧化成硝酸有明显的阻碍;pH是亚硝酸硝化的一个决定因素,最近研究表明,当pH值为7.4一8.3时,亚硝酸盐积累速率达到很高5[]。2.4厌氧氨氧化(ANAMMOX,nAaeorbicAmn飞。niaOxidation)在氮素污染物的控制中,目前国内外主要采用生物脱氮技术,研究的热点集中在如何改进传统的硝化一反硝化工艺。从微生物学的角度看,硝化和反硝化是两个相互对立的生化反应,前者借助硝化细菌的作用,将氨氧化为硝酸,需要氧的有效供给;而后者则是一个厌氧反应,只有在无氧条件下,反硝化细菌才能把硝酸还原为氮气。此外,在环境中存在有机物时,自养型硝化细菌对氧和营养物质的竞争能力劣于异养型微生物,其生长速度很容易被异养型生物超过,并因此而难以在硝化中发挥应有的作用;但要使反硝化反应顺利进行,则必须为反硝化细菌提供合适的电子供体(通常为有机物如甲醇等)叫。1990年,荷兰四坦还堕卫QQZ年第21卷第2期eDlft技术大学Kluvyer生物技术实验室开发出ANAMMOX工艺(nAaeorbi。Amn飞。niaOxidation),即在厌氧条件下,以NO多为电子受体,将氨转化为NZ。最近研究表明,Nq是一个关键的电子受体。由于该菌是自养菌,因此不需要添加有机物来维持反硝化。实验研究发现:厌氧反应器中N咐浓度的降低与N呀的去除存在一定的比例关系[`”,川。发生的反应可假定为:阴时十Nq~一从+2玫O△场二360kl1/nol(N于材)这一重大的新发现为改进传统的生物脱氮技术提供了理论依据。若能开发利用厌氧氨氧百分比进行生物脱氮,不仅可以大幅度地降低硝化反应的充氧能耗,免去反硝化反应的外源电子供体,而且还可改善硝化反应产酸,反硝化反应产碱而均需中和的状况。其中后两项对控制化学试剂消耗,防止可能出现的二次污染具有重要作用。3生物除磷目前通过大量的理论和实践研究,对生物除磷得出如下认识。3.1生物除磷主要由一类统称为聚磷细菌的微生物完成。该类微生物均属异养型细菌,现已报道的种类包括:不动杆菌属、假单胞菌属、气单胞菌属、棒杆菌属、肠杆菌属、着色菌属、脱氮微球菌属等。上述细菌也存在于传统的活性污泥系统中,而传统活性污泥法之所以不能有效除磷,可能是其生长条件无法诱导这些微生物过度吸磷缘故。3.2在厌氧条件下,聚磷菌把细菌中的聚磷水解为下磷酸盐(P碳一)释放胞外,并从中获胜能量,利用污水中易降解的COD如挥发性脂肪酸(VEA),合成贮藏物聚月一经丁酸(PBH)等贮于胞内。3.3在好氧条件下,聚磷菌以游离氧为电子受体,氧化胞内贮存的PH13,并利用该反应产生的能量,过量地从污水中摄取磷酸盐,合成高能物质ATP,其中一部分又转化为聚磷,作为能量贮于胞内,好氧吸磷量大于厌氧释磷量,通过剩余污泥排放可实现高效地除磷目的。3.4一部分聚磷菌具有脱氮功能,在无游离氧条件下,可利用硝酸盐中的氧进行呼吸,将硝酸盐还原为N或NO。同时,在一定条件下,还可大量释磷,当厌氧段混人硝酸盐时,一部分易降解碳源被反硝化作用,对聚磷菌释磷产生不利影响。3.5聚磷菌厌氧释磷的程度与基质类型关系很大,当基质为甲酸、乙酸、丙酸等挥发性脂肪酸时,释磷迅速而彻底,基质为非挥发性脂肪酸时、释磷则十分缓慢,且总释磷量也很小。有观点认为,聚磷菌一般可直接利用的是第一类基质—挥发性脂肪酸,其它基质则需转化为第一类基质后才能被利用。从以往的研究大体可给出这样一个生化模型〔’“,`3〕:废水中的有机物进人厌氧区后,在发酵性产酸菌的作用下转化成乙酸。聚磷菌在厌氧的不利条件下(压抑条件),可将贮积在菌体内的聚磷分解。在此过程中释放出的能量可供聚磷菌在厌氧压抑环境下存活之用;另一部分能量可供聚磷菌主动吸收乙酸、H+和e一,使之以PH13形式贮藏在菌体内,并使发酵产酸过程得以继续进行。聚磷分解后的无机磷盐释放至聚磷菌体外,此即观察到的聚磷细菌厌氧放磷现象。进人好氧区后,聚磷菌即可将积贮的PBH的好氧分解,释放出的大量可供聚磷菌的生长、繁殖。当环境中的有溶存在时,一部分能量可供聚磷菌主动吸收磷酸盐,并以聚磷的形式贮积在体内,此即为聚磷菌的好氧吸磷现象。生化模型如图1所示:有机从质!中厌氧汉,好氧{`乙酸聚磷菌聚磷菌;O:聚磷菌聚磷菌图1生物除磷机理图解4生物脱氮除磷工艺4.1厌氧一好氧活性污泥工艺(AO/工艺)该工艺与常规活性污泥法相比,结合上无明显变化,只是在曝气池前端13/区域内不充氧,使该区域】工)及氨氮均小于o.Zmg几,成为厌氧释磷区。其中的磷以正磷酸盐的形式释放到混合液中,进人好氧池后又将混合液中的正磷酸盐大量吸收到活性污泥中,使污水中含磷量