水污染治理在環(huán)境保護(hù)中的新方向

揚州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 于連澤

一、研究背景及意義

近年來，氮素污染現(xiàn)象在水體中日益普遍。我國2002年頒發(fā)的《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》正式為排水標(biāo)準(zhǔn)提出了新要求——一級A標(biāo)準(zhǔn)，即所有排污單位的出水總氮應(yīng)小于15 mg/L等[1]。較高的排放標(biāo)準(zhǔn)對水處理新技術(shù)提出了挑戰(zhàn)。而采用硝化-反硝化系統(tǒng)的廢水處理廠中，大約一半的能量輸入被消耗在曝氣上。而隨著近期“碳中和”概念的提出，迫切需要一種新的污水處理廠配置來實現(xiàn)節(jié)能脫氮從占主導(dǎo)地位的傳統(tǒng)模式轉(zhuǎn)向新一代污水處理廠，解決的眾多方法中，短程硝化耦合厭氧氨氧化十分適合這樣的需求，其通過氨氧化細(xì)菌(AOB)的硝化作用(將部分NH4+氧化為NO2-)和c的厭氧氨氧化作用(將部分NH4+和NO2-轉(zhuǎn)化為氮氣)之間的協(xié)同作用進(jìn)行自養(yǎng)脫氮。能夠節(jié)約60%的曝氣，減少80%的剩余污泥量，更能降低100%的碳源投加量。

二、技術(shù)控制指標(biāo)

PN-ANAMMOX一體法在節(jié)能除氮環(huán)節(jié)中，具有相當(dāng)大的潛力，理論上不需碳源投加，不需建造大的反應(yīng)池空間，在投資造價和節(jié)能減排方面有著得天獨厚的優(yōu)勢。

（1）溫度。AOB和NOB對環(huán)境的敏感性不同，郭寧等[2]采用平行試驗研究了3種不同溫度(15℃,25℃,35℃)對短程硝化的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)35℃為AOB的最適溫度，平均氨氧化率為50.9%。Balmelle等[3]認(rèn)為在10——20℃下，NOB菌的生存條件比較理想，適合生長繁殖，在這個過程中，能吸收亞硝酸鹽氮，而后轉(zhuǎn)化釋放硝酸鹽氮；溫度處于20——25℃時，AOB菌的生存條件較NOB更理想，當(dāng)溫度>30 ℃時，由于沒有反硝化過程亞硝酸鹽氮的產(chǎn)生大于消耗量而積累。宋成康等[4]在SBR反應(yīng)器的單極自養(yǎng)脫氮實驗溫度為22——33℃下，達(dá)到穩(wěn)定高效運行，當(dāng)溫度下降至10℃時，反應(yīng)器失穩(wěn)崩潰。PN-ANAMMOX一體式工藝的一般運行溫度為在30到35度之間，既滿足了AOB、ANAMMOX菌的良好生長環(huán)境，又同時滿足了對NOB在最適溫度上的限制，維持反應(yīng)系統(tǒng)較好的脫氮效果。但已有實踐證明PN-ANAMMOX反應(yīng)在較低溫度下也能達(dá)到效果，Lotti等人[5]在10——20℃下利用顆粒污泥研究PN-ANAMMOX反應(yīng)時也發(fā)現(xiàn)了系統(tǒng)良好的脫氮效果，在0.4gN/(L·d)的總氮去除負(fù)荷(NRR)下，脫氮效率始終保持在75%以上。

（2）溶解氧。Laanbroekt[6]發(fā)現(xiàn)AOB相較 NOB具有更低的氧飽和常數(shù)，利用AOB對低氧條件具有更高的耐受力，控制溶解氧在有限水平，從而抑制NOB的活性來實現(xiàn)短程硝化。但是Liu等[7]研究發(fā)現(xiàn)反應(yīng)器在低溶解氧條件下長期運行后，NOB對氧的親和力逐漸增強(qiáng)，甚至在低溶解氧條件下表現(xiàn)出比AOB更高的親氧性。AnAOB只能在氧飽和度低于5%的條件下生存，當(dāng)氧飽和度超過18%的空氣飽和度時，會對AnAOB造成不可逆的影響[8]。在實際工程應(yīng)用中，厭氧氨氧化反應(yīng)器內(nèi)通常投加好氧菌，好氧菌利用反應(yīng)器中的溶解氧從而使ANAMMOX不受到溶解氧的抑制，維持厭氧環(huán)境，保持穩(wěn)定運行。張姚等[9]運行PN-ANAMMOX一體式反應(yīng)器，探究不同DO濃度對反應(yīng)器的脫氮效果的影響，結(jié)果表明在DO為0.46 mg/L條件下，該工藝的脫氮速率最高，達(dá)到50.88 mg/(L·h)，污泥脫氮負(fù)荷為0.45 kgN/(kg·d)。Lotti等[5]在DO濃度達(dá)到1 mg/L左右的條件下，利用顆粒污泥的優(yōu)勢，啟動了PN-ANAMMOX一體式反應(yīng)器并使其總氮去除負(fù)荷達(dá)到了0.4 gN/(L·d)，脫氮效率達(dá)到了75%——85%。總的來說，低氧有利于加快并維持PN-ANAMMOX一體式反應(yīng)器的啟動，以及后續(xù)的穩(wěn)定運行，但目前不論是生物膜系統(tǒng)還是活性污泥系統(tǒng)均無直接采用控制溶解氧的方式來實現(xiàn)短程硝化的實例。

（3）游離氨(FA)和游離亞硝(FNA)。對AOB和NOB來說，F(xiàn)A對它們的生長繁殖都有抑制作用，但程度不同，AOB和NOB對FA不同濃度下的抑制作用，耐受范圍差距不小[10]，AOB對其耐受度只有在超過150 mg/L時才會受到明顯影響，相比之下NOB的耐受范圍僅在1 mg/L以內(nèi)[11]。FA更為敏感這一特征，可以通過控制反應(yīng)器中FA濃度恰好介于AOB、ANAMMOX的忍受范圍內(nèi)，而不利于NOB細(xì)菌，從而抑制其生長造成的亞硝酸積累。然而這種控制方法僅在理論上可行，目前有研究表明FA對NOB的抑制是實際是有限的[12]，因此單靠控制FA實現(xiàn)短程硝化的穩(wěn)定的現(xiàn)實性并不強(qiáng)。Yao等[13]研究FA對部分硝化反應(yīng)器中AOB的影響時發(fā)現(xiàn)，游離氨的濃度剛剛達(dá)到40 mg/L時，部分硝化反應(yīng)器中AOB的活性就下降了50%。Strous等[14]研究，提出了不同的觀念，氨氮濃度即便高達(dá)一千毫克升，厭氧氨氧化也并不會抑制。而Waki等[15]認(rèn)為厭氧氨氧化過程和進(jìn)水氨氮之間的關(guān)聯(lián)性不大，真正起作用的是FA，F(xiàn)A濃度只需達(dá)到13mg/L，厭氧氨氧化的效能就會被抑制。Fernández等[16]的研究持相同意見，在研究FA的長期和短期的影響時發(fā)現(xiàn)在短期運行時，F(xiàn)A濃度達(dá)到38 mg/L時，會使厭氧氨氧化比速率減少50%。在反應(yīng)器長期運行下，F(xiàn)A 濃度超過20——25 mg/L時就會抑制厭氧氨氧化的活性。如果 FA濃度長期維持在35——40 mg/L時，脫氮系統(tǒng)就會運行不穩(wěn)定，氮去除率下降為零。

FNA濃度為0.0015 mg/L會導(dǎo)致反應(yīng)系統(tǒng)中氮去除率下降以及反應(yīng)系統(tǒng)失穩(wěn)，當(dāng)FNA濃度下降到0.00005 mg/L以下，反應(yīng)系統(tǒng)會恢復(fù)穩(wěn)定運行[16]。Strous等[14]研究表明AnAOB對亞硝酸鹽比較敏感，當(dāng)亞硝酸鹽濃度達(dá)到100 mg/L，AnAOB的活性會被完全抑制。Fux等[17]發(fā)現(xiàn)當(dāng)ANAMMOX系統(tǒng)在亞硝酸鹽濃度為40 mg/L條件下運行幾天就會造成ANAMMOX菌的不可逆性失活。

（4）PH。適宜AOB和NOB生長的pH分別為7.0——8.5、6.5——7.5。作為Anammox過程的反應(yīng)底物，pH影響著系統(tǒng)內(nèi)FNA的變化。當(dāng)pH較低時，部分亞硝酸鹽會轉(zhuǎn)換成FNA，高濃度亞硝酸鹽的存在對于AOB、NOB以及AnAOB都具有抑制作用。當(dāng)然，pH也會影響污水中FA濃度的變化，F(xiàn)A和pH濃度呈正相關(guān)，可以通過提高pH值影響FA濃度，從而來控制AOB和NOB的活性。由于氨和NO2-在水溶液中會發(fā)生離解，因此pH值對厭氧氨氧化過程有明顯影響，其適應(yīng)pH值范圍為7.5——8.3，最適應(yīng)pH值為8。

（5）污泥齡。較長的污泥齡無法淘汰NOB，而較短的污泥齡又會造成ANAMMOX菌的流失，合適的污泥停留時間能夠為PN-ANAMMOX一體式工藝保駕護(hù)航，使其維持高效穩(wěn)定運行。

三、總結(jié)

在高氨氮環(huán)境下，通過控制溶解氧、pH、游離氨、游離亞硝酸和污泥齡等措施均可抑制或淘汰NOB，從而達(dá)到PN-ANAMMOX一體式反應(yīng)器的現(xiàn)實實現(xiàn)。然而，在中低濃度下，一段式短程硝化-厭氧氨氧化工藝的長期穩(wěn)定性尚在研究中，因此要想實現(xiàn)短程硝化-厭氧氨氧化過程穩(wěn)定運行，探究相關(guān)的運行參數(shù)和穩(wěn)定性具有重要的意義，需將各個控制因素綜合考慮才行。除了控制以上影響因素外，接種污泥的種類、反應(yīng)器器型的選擇也對實驗有著至關(guān)重要的作用。此外，啟動PN-ANAMMOX一體式反應(yīng)器所參考和考慮的填料種類豐富，包括活性炭、火山巖、陶粒、石英砂、懸浮塑料填料、海綿填料等，這些填料的使用在一定程度上對AnAOB的富集起促進(jìn)作用，但也容易堵塞，造成傳質(zhì)不均勻，影響反應(yīng)器的脫氮效果。