好氧微生物颗粒污泥脱氮机理李小明

29净水技术WATERPURIFICATIONTECHNOLOGY好氧微生物颗粒污泥脱氮机理`李小明’谢珊,曾光明1杨麒`(1.湖南大学环境科学与工程系,湖南长沙刘精今’5.Kunst,,K.Rosenwinkel,410082;2.汉诺威大学,德国30167)摘要好氧颗粒污泥应用于生物脱氮,机理为如下几种。第一种为常规硝化一反硝化途径。第二种为亚硝化一反硝化途径,颗粒污泥的外部为好氧的硝化区,通过适当的控制,使硝化过程停留在亚硝化阶段,直接进人内层进行反硝化。第三种为硝化一厌氧氨氧化途径,通过外层的硝化和内层的厌氧氨氧化作用实现脱氮。第四种为硝化一反硝化聚磷方式,颗粒污泥内部在反硝化的同时聚磷,实现好氧颗粒污泥同步脱氮除磷。第五种脱氮的途径为好氧反硝化。在不同的条件下.某一种脱氮的途径可能占主导地位。关键词好氧颗粒污泥脱氮机理硝化反硝化好氧反硝化厌氧氨氧化反硝化除磷菌TheMeehanismofNitrogenRemovalbyAerobieGranularSludgeLiXiaoming,XieShan,ZengGuangming,YangQi,LiuJingjin,5.Kunst,K.Rosenwinkel,(1.DePartmentofEnviornmentalSciencea,,dE,:91,:eering,HunannUiversit少,Changsha410082,hCi,,a;2.Instituteofwaterqualit夕andwastemanagement,HannovernUi二er,ir夕,Hanno二er30167,German夕)AbstraetThemeehanismofnitrogenremovalbyaerobiegranularsludgewassummarizedandana-lyzedasfollowingaspeets.Thefirstexplanation15thatnitrogeneouldberernovedbysimultaneousnitrifi-eationanddenitrifieationproeess.Theseeondmode15nitrogenremovalovernitrite,thenwasdireetlyden卜trifiedintonitrogengas.Thethirdapproaeh15theeombinationofnitrifieationandanaerobieammoniumox-idation,nitriteprodueedthroughtheouteroftheaerobiegranularwasredueedintonitrogenwiththeam-moniumbytheanaerobieammoniumoxidizers.Thefourthpossibility15nitrogenremovalaeeompaniedbyphosphoruselimination,whiehmightbeeausedbydenitrifyingphosphorusremovingbaeteria(DPB)exist-ingintheinnerofthegranularunderanoxieeondition.Anotherway,ehiehmayexist,15denitrifieationun-deraerobieeonditions.KeywordsaerobiegranularsludgemeehanismofnitrogenremovalsimultaneousnitrifieationanddenitrifieationanaerobieammoniaoxidationdenitrifyingPhosPhorusremovingbaeteria传统的生物脱氮方法可以使氮得到有效的去除,但也存在明显的不足。其主要问题之一是反硝化过程须消耗COD,而一般情况下COD在好氧的阶段已大部分被生物氧化。另一方面,硝化过程与反硝化过程分置于两个反应器中,不但延长了反应周期,增加了投资费用,而且硝化消耗的碱度不能被反硝化产生的碱度所中和,增加了处理费用。采用好氧颗粒污泥来实现生物脱氮属于最新的研究进展,目前还处在实验室研究阶段。不同的研究者在对SBR、生物膜系统的研究中均已培养出了(No.国家留学基金委员会资助项目、湖南省自然科学基金资助项目WJ2002101)、湖南大学科学基金项目(No.200229)高活性的好氧颗粒污泥〔’,’〕,它除了具有良好的沉降性能、较高的生物浓度外,还能够应用于氮和磷的去除卜`,5〕。本文以国内外脱氮领域的研究进展为基础,结合本研究室对好氧颗粒污泥的研究成果,对其脱氮的几种可能机理进行探讨。1好氧颗粒污泥脱氮机理1.1同步硝化反硝化与亚硝化一反硝化作用图1是好氧颗粒污泥体的一个剖面图,由内到外颗粒污泥可分为四层:缺氧区、好氧区、扩散区和主体液相区。据估计,絮体颗粒尺寸只需达到150胖m(按一般曝气池中的曝气强度),反硝化反应就可以在絮体内部发生困,而颗粒污泥的尺寸通常为1一Zmm,因DOI:10.15890/j.cnki.jsjs.2004.03.010好氧微生物颗粒污泥脱氮机理而反硝化反应将占据颗粒内部的部分区域。这是从微观环境上分析。同时,就宏观环境而言,由于反应池中不可避免地存在着曝气不均匀的区域,特别是采取点源曝气的活性污泥系统,曝气不均匀的现象比较严重,这也导致了曝气阶段的氮的散失。其损失量随控制条件的不同在川%一20%左右比熨洲!好锹颗粒污泥体内反l敬区划分好氧颗粒污泥内部,由于质量传递的限制,必然存在溶解氧浓度较低的区域。研究发现工:低溶氧卜.亚硝酸菌对I)O的亲和力强于硝酸菌,且1)〕下降到0.smg/I时,亚硝酸菌的增殖速度仅有30%的下降,而硝酸菌增殖速度下降了60%。因而短程硝化反硝化现象在脱氮好氧颗粒污泥中应比较普遍。另外,亚硝酸菌较硝酸菌更能适应外界环境的变化,从而更加适应SBR反应器的间歇性操作和冲击负荷。低溶解氧下基质扩散一反应及微生物生长模型的建立,从理论上证实了两种菌群之间的确存在着对溶解氧和基质的竞争差别与增殖速率的差异〔’〔)二}.2亚硝化一厌氧氨氧化过程由于其它好氧微生物对碳源的消耗,导致颗粒污泥内部碳源供应不足,从而限制了好氧颗粒污泥反硝化的效率。而以硝化和厌氧氨氧化为主要作用机理的脱氮好氧颗粒污泥却不存在这一限制。厌氧氨氧化是由自养微生物在厌氧阶段来实现的,过程无需有机碳源存在。又因为只有一部分的NH、十需要氧化到亚硝酸盐,因此从节省能源和碳源两方面看都是最优的。厌氧氨氧化过程的反应机理见图妙,。汉卜1;N}12()}l汉0+511-物还原,即直接将NH4\转化为最终气态产物NZ而去除比一。大部分好氧反硝化菌同时也是异养硝化菌.通过纯培养并进行比较后发现,异养硝化菌和自养硝化菌对氮的转化速率相当;3,所以在生物脱氮好氧颗粒污泥中,好氧反硝化也是一种有效且常一见的脱氮方式。笔者在好氧颗粒污泥的脱氮试验中发现:当COD/N比维持在巧一21(质量比)左右时.曝气过程中的氨氮和总无机氮去除率随C())I一N比的提高而增加,这说明异养硝化和好氧反硝化在整个脱氮中起了较大的作用通过在不同碳氮比下,义寸比自养硝化、异养硝化和同化作用三者对氨氮转化的贡献的巨大差异,证实了这一观点’42好氧颗粒污泥的同时脱氮除磷研究中发现:颗粒污泥在脱氮的同时,可以完成磷的去除匡,通过对反硝化聚磷的研究,使得这一现象的解释有了理论依据反硝化除磷菌(l)PH,)tI·川trifyingploospilorl,、remo、,1:飞只l);、。、lor!。)是聚磷微牛物的一种,它能够在厌氧过程中释放磷,在缺氧的情况下,利用硝酸盐作为电子受体,在完成过量吸磷的同时,将硝酸氮还原成氮气’三】自,`7(见图3b)而传统的除磷方式,则是由聚磷微生物(I’A(),PO!y一沙。卜phate一aecumulatingorg:In:sms)在厌氧和好氧阶段的交替运行下来实现放磷和超量聚磷(见图知)十一止立三与幸卫业`一户浓}扰oI)…~巨口~{贬权段今子欣段缺’形丁a传统与式~-造犷一匕川」·七丫)日卜叹一引飞斌侧b)又`仁化聚磷飞N21{、义、、4卜{「El、EZE3分别代表催化不同反应的酶)图2厌氧氨氧化的反应机理好氧颗粒污泥中通过对溶解氧浓度的控制,可以在好氧颗粒污泥中形成特定的好氧硝化反应区和庆氧氨氧化区,实现亚硝化一厌氧氨氧化脱氮。}.3好氧反硝化过程好氧反硝化菌能在好氧和缺氧的条件下,通过生物还原,在产生NO丁和NO夕的过程中将这些产图3传统除磷和反硝化聚磷力式的比较显然,和传统脱氮除磷方式比较,反硝化聚磷上艺在节能和节省碳源方面具有双重优势颗料朽泥中,由于同时具有好氧区,缺氧区和厌氧区,其内部的反硝化菌在有磷存在的同时,可以通过反硝化聚磷的途径实现氮和磷的同步去除由于除磷过程需要聚磷微生物在厌氧段和缺氧段交替的情况下实现反硝化聚磷的作用,所以必须对处理过程的溶解氧加以严格控制。3多种脱氮过程在好氧颗粒污泥微观体系中的同时发生对某一具体的好氧颗粒污泥来说,其脱氮的方式应该是多种途径并存,而具体以那种方式为卞.则与好氧颗粒污泥的培养过程密切相关好氧颗粒污泥的培养过程,实际上也是一个微生态系统形成的Vol.23No.32004净水技术过程,培养条件的变化直接影响到组成好氧颗粒污泥微生物群的结构和分布,包括其组成优势微生物从数量和种类上的重构。因此可以通过控制适当的条件,实现好氧颗粒污泥的定向培养。一般地,在好氧颗粒污泥的表面,亚硝化菌和硝化菌将NH、+氧化成NO牙和NO歹;在颗粒的内部,反硝化细菌在将其转变为气态产物释放;在颗粒的表层,好氧反硝化菌可以在好氧的条件下进行反硝化作用,将NH4毕转变成氮气;而在颗粒内部,厌氧氨氧化菌又能以NH4十为电子供体将NO--3或NO牙还原,并形成氮的各种价态的气态产物。所有这些生物反应共同实现着好氧颗粒污泥的脱氮。在诸多因素中,对好氧颗粒污泥生物反应影响最为明显的是溶解氧和外加碳源。如果系统中溶解氧处于较高水平,颗粒污泥体的绝大部分甚至全部将被氧气“穿透”,而处于好氧状态。此时,硝化和好氧反硝化过程将占据主导地位,反硝化和厌氧氨氧化过程则有可能完全不发生,进水中的氨氮将大部分转变成硝态氮,总氮的去除率仍将很低。反之,如果系统中溶解氧量远远不足,由于水中的氧气将首先被异养菌消耗,硝化过程将受到抑制,从而影响下一步的反硝化效果。所以反应器中溶解氧浓度必须加以严格控制。对处于不同溶解氧水平的颗粒污泥系统的脱氮效率进行比较,可以发现〔,8三:水中的溶解氧饱和度由20%变到50%时,脱氮效率由65%上升到82写。通过建立溶解氧浓度和总氮去除率的数学模型,可以进一步看到,当溶解氧浓度维持在4。%左右时,脱氮效率达到峰值,可达90%以上。在SBR系统中,外加碳源会在较短的时间内耗尽,随后的相当长一段时间里,微生物将处于对碳源的“饥渴状态”。据J.J.Beun[,〕报道,在15一Zomin内,绝大多数可利用的碳源将耗尽,这时,微生物就可以利用存储在体内的PHB作为碳源,供给自身的代谢和生长。据估计l[’习,颗粒污泥对PHB的存储量可达SBR进水碳源浓度的40%,单位细胞中PHB的存储负荷可达0.02~0.O4Cmol/Cmol。同时,颗粒污泥直径多在1一Zmm,其作用类似活性炭颗粒,对有机物具有相当强的吸附能力。这两方面共同作用,在一定程度上保证了反硝化阶段,菌体能获得足够多的碳源,从而提高了脱氮效率。4结束语总的来说,好氧颗粒污泥脱氮可以通过两个方面来解释:首先,颗粒污泥的结构特点为脱氮过程得以顺利进行提供了合适的载体。由于扩散能力的限制,溶解氧和基质在颗粒污泥的表面和内部形成一定浓度梯度,为各种与脱氮有关的菌群提供了合适的生存环境,使得脱氮行为成为可能。其次,微生物的生物学多样性为脱氮提供了理论上的保证。好氧反硝化菌和厌氧氨氧化菌的发现从微生物学角度证明了脱氮过程是可以在一个反应器中