全程自養(yǎng)生物脫氮工藝機(jī)理及影響因素分析

李凱, 李雪瑩, 韓松, 任治軍, 焉芷堯, 劉宇航

(1.貴州民族大學(xué)生態(tài)環(huán)境工程學(xué)院, 貴陽(yáng) 550025; 2.國(guó)家民委重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/喀斯特環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害防治實(shí)驗(yàn)室, 貴陽(yáng) 550025)

目前,通常采用傳統(tǒng)處理技術(shù)如序批式活性污泥(sequncing batch reactor,SBR)、厭氧-好氧(anoxic/oxic,A/O)、厭氧-缺氧-好氧(anaerobic-anoxic/oxic,A2/O)等工藝處理高氨氮低碳廢水,需要大量曝氣與有機(jī)物的額外投加,不僅耗能及成本高,同時(shí)構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)復(fù)雜,占地面積大,操作難度高,亟需針對(duì)此類廢水研發(fā)一種新工藝[5]。自養(yǎng)脫氮工藝(completely autotrophic nitrogen removal over nitrite,CANON)[6],是近年來(lái)基于上述情況開(kāi)發(fā)的一類工藝,在處理高濃度氨氮低碳廢水時(shí),具有物料投加少、能耗低、占地面積小、產(chǎn)泥量低、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[7]。

1 自養(yǎng)生物脫氮(CANON)工藝

圖1 CANON工藝脫氮流程Fig.1 CANON process nitrogen removal process

2 CANON工藝應(yīng)用

張羽就等[18]研究發(fā)現(xiàn),針對(duì)全中國(guó)范圍內(nèi)1 153座城鎮(zhèn)污水處理廠,A/O、A2/O、SBR等共6種脫氮工藝基于規(guī)模量的單位耗能均值最低達(dá)到0.031 (kW·h)/m3,最高達(dá)到0.518 (kW·h)/m3。研究表明,與傳統(tǒng)脫氮工藝相比,CANON工藝消耗的氧氣和添加劑減少了63%,從而顯著降低了污水處理成本,CANON工藝的處理費(fèi)用相較于傳統(tǒng)生物脫氮工藝而言,僅是后者的15%～38%[19-20]。Han等[21]在污水廠污泥濾液的側(cè)流處理過(guò)程中建立了穩(wěn)定的處理規(guī)模達(dá)到2 500 m3/d的泥膜共生一體式厭氧氨氧化工藝(IFAS-CANON),穩(wěn)定期TN去除效率達(dá)到85%以上,該項(xiàng)工藝不僅降低了脫氮對(duì)碳源的需求,而且節(jié)省了17.6 mg/L的甲醇,剩余污泥產(chǎn)量也減少了4.3×104kg/d,節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本10 600美元/d,印證了IFAS-CANON工藝的經(jīng)濟(jì)效益。

CANON工藝技術(shù)是近些年在高氨氮污水中進(jìn)行的一種新型脫氮技術(shù),在實(shí)際工程得到了廣泛的運(yùn)用,如滲濾液、養(yǎng)殖廢水、食品加工廢水等,與傳統(tǒng)的廢水處理工藝相比有高效、節(jié)能、處理負(fù)荷高等優(yōu)點(diǎn)。CANON工藝與各類廢水處理工藝具體工程應(yīng)用如表1所示。

3 CANON工藝機(jī)理分析

表1 中外CANON工藝與各類廢水處理工藝工程應(yīng)用案例Table 1 Application cases of CANON process and various wastewater treatment processes at home and abroad

圖2 氨氧化過(guò)程的反應(yīng)機(jī)理Fig.2 Reaction mechanism of ammonium oxidation process

表2 亞硝化過(guò)程反應(yīng)機(jī)理[26]Table 2 Reaction mechanism of nitrification process[26]

圖3 厭氧氨氧化代謝過(guò)程Fig.3 Metabolic process of Anammox

4 CANON工藝脫氮效果影響因素

CANON工藝脫氮處理的影響因素與生物脫氮過(guò)程一致,自養(yǎng)生物脫氮是利用AOB和AnAOB相互協(xié)調(diào)作用,為了高效地進(jìn)行CANON工藝,必須具有合適的生長(zhǎng)條件[33-35],如溫度、pH、溶解氧(DO)、底物濃度等,對(duì)相關(guān)影響因素進(jìn)行分析討論。

4.1 溫度

不同屬的AnAOB適宜溫度也不同,研究表明大多數(shù)AnAOB的適宜溫度在30～40 ℃[36],而北極中也發(fā)現(xiàn)了一種AnAOB其最適溫度為12 ℃。AnAOB在35～40 ℃時(shí)其活性最高,AOB的最適溫度為30 ℃;溫度高于45 ℃時(shí)AnAOB就會(huì)裂解,導(dǎo)致AnAOB的活性不可逆的降低;溫度低于15 ℃時(shí)AnAOB和AOB活性同時(shí)受到抑制,亞硝化和厭氧氨氧化不能高效進(jìn)行[37]。

4.2 pH

一個(gè)穩(wěn)定酸堿環(huán)境對(duì)AnAOB和AOB的生長(zhǎng)很重要,研究發(fā)現(xiàn)CANON工藝的最適pH在6.5～8.5,在pH=8.0時(shí)AnAOB和AOB的細(xì)菌活性最高[39]。pH會(huì)對(duì)AnAOB和AOB的生長(zhǎng)環(huán)境及底物濃度造成影響,pH的提高會(huì)促進(jìn)游離氨(free ammonia,FA)的生成,并通過(guò)擴(kuò)散進(jìn)入細(xì)胞,從而影響pH,進(jìn)而引起細(xì)胞的凋亡。pH降低促使游離亞硝酸(free nitrous acid,FNA)的產(chǎn)生,對(duì)微生物代謝過(guò)程有影響[40-41]。郭勁松等[42]對(duì)CANON工藝試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)pH=8時(shí)總氮的去除率最高達(dá)到78.4%,而pH為7、9時(shí)總氮去除率僅為58.8%和10%左右。秦宇等[43]對(duì)于pH對(duì)自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)功能菌數(shù)量的研究發(fā)現(xiàn),pH在7～9范圍時(shí)AOB數(shù)量的變化趨勢(shì)高于NOB在pH=8時(shí)各功能菌數(shù)量達(dá)到峰值。

4.3 DO濃度

圖4 不同細(xì)菌適宜的DO濃度范圍[44,49-50]Fig.4 Suitable DO range of different bacteria[44,49-50]

4.4 基質(zhì)濃度

5 結(jié)論與展望

(1)CANON工藝作為新型的生物脫氮工藝,相較于傳統(tǒng)的生物脫氮工藝,在高效去除、節(jié)能減排、降低成本、攻克高濃度氨氮廢水處理等方面有明顯的優(yōu)勢(shì)。在未來(lái)處理高氨氮低碳廢水方面有廣闊的應(yīng)用前景。

(3)CANON工藝脫氮性能受溫度、pH、DO濃度、基質(zhì)濃度等因素的影響,最適條件為:溫度控制在30～40 ℃,最佳溫度為35 ℃;最適pH在6.5～8.5,在pH=8.0時(shí)AnAOB和AOB的細(xì)菌活性最高;DO濃度應(yīng)控制在1.0 mg/L以下。

(4)CANON工藝目前發(fā)展并不成熟,仍存在以下幾點(diǎn)問(wèn)題尚需改進(jìn):①系統(tǒng)內(nèi)AnAOB生長(zhǎng)速率較慢、富集培養(yǎng)困難,而且對(duì)于生存環(huán)境苛刻,致使運(yùn)行系統(tǒng)控制復(fù)雜;②系統(tǒng)內(nèi)細(xì)菌對(duì)基質(zhì)濃度敏感,基質(zhì)濃度過(guò)高將抑制NOB、AnAOB活性,從而造成系統(tǒng)脫氮性能降低;③系統(tǒng)含有多種微生物,而實(shí)際污水水質(zhì)復(fù)雜,其在運(yùn)行過(guò)程中易受干擾導(dǎo)致失控,影響系統(tǒng)脫氮效能。因此,CANON工藝在國(guó)內(nèi)仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段,未能推廣到實(shí)際應(yīng)用,可以通過(guò)以下方式改進(jìn):①通過(guò)預(yù)處理,為CANON工藝后續(xù)處理提供合適的環(huán)境;②篩選研發(fā)高耐受的優(yōu)質(zhì)菌種,增強(qiáng)反應(yīng)器穩(wěn)定性;③加快AnAOB為基礎(chǔ)的多種菌群的耦合研究,拓寬實(shí)際應(yīng)用范圍;④生物膜對(duì)于微生物具有附著作用,CANON可以利用耦合生物膜的方式,協(xié)同進(jìn)行脫氮處理。