摘要:厭氧氨氧化(Anammox)工藝是一種新型的生物脫氮技術(shù),該過(guò)程具有無(wú)需外加有機(jī)碳源,無(wú)需曝氣,產(chǎn)泥量少等優(yōu)點(diǎn),在低碳氮比的污水處理中有著廣泛的應(yīng)用前景。然而Anammox菌生長(zhǎng)速度普遍較慢、對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境要求嚴(yán)格,這是Anammox技術(shù)在水處理中廣泛應(yīng)用的最大瓶頸。因此,研究影響Anammox反應(yīng)的因素具有重要意義??偨Y(jié)了環(huán)境因子和反應(yīng)器條件對(duì)厭氧氨氧化工藝的影響,其中包括光、溫度、pH、氧氣等環(huán)境因子,以及反應(yīng)器類型、填料等反應(yīng)器條件對(duì)Anammox啟動(dòng)和運(yùn)行的最新研究進(jìn)展。認(rèn)為pH在7.5~8.0、溫度35~40 ℃、嚴(yán)格厭氧、避光等環(huán)境條件下,以適合的反應(yīng)器、填料和污泥相結(jié)合,可促進(jìn)Anammox菌的快速增長(zhǎng)。并指出了厭氧氨氧化反應(yīng)有待解決的技術(shù)難題。
關(guān)鍵詞:厭氧氨氧化;影響因素;環(huán)境因子隨著氮素污染的加劇,各種脫氮工藝應(yīng)運(yùn)而生。1955年MULDER等[1]在厭氧流化床中首次發(fā)現(xiàn)了厭氧氨氧化反應(yīng)的存在,從此開始了有關(guān)厭氧氨氧化的各種研究。
厭氧氨氧化(Anammox)工藝因產(chǎn)泥量少、處理污水時(shí)僅需少量碳源、綠色高效等優(yōu)點(diǎn)而成為處理高氨氮且低碳氮比廢水領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),并在實(shí)際的工程中取得了較好的污水處理效果。然而,厭氧氨氧化菌生長(zhǎng)緩慢、對(duì)環(huán)境敏感,導(dǎo)致厭氧氨氧化過(guò)程所需的啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)、運(yùn)行不穩(wěn)定等問(wèn)題,限制了其工程應(yīng)用。如何通過(guò)改變反應(yīng)的影響因素來(lái)加快厭氧氨氧化菌的生長(zhǎng)速度和處理效果,成了眾多學(xué)者的重要課題。
1環(huán)境因子影響
1.1光和溫度
Anammox菌(AnAOB)是光敏性細(xì)菌,光照會(huì)抑制其活性,使脫氮的效率降低35%~50%。因此,為了保證Anammox反應(yīng)能夠正常處理含氮污染物,研究者在進(jìn)行Anammox試驗(yàn)時(shí)通常讓反應(yīng)在黑暗環(huán)境中進(jìn)行,以減少光對(duì)Anammox反應(yīng)的負(fù)面影響。
溫度是影響AnAOB活性的重要環(huán)境因子。當(dāng)環(huán)境溫度處于最適溫度時(shí),AnAOB能有良好的反應(yīng)活性且生物活性穩(wěn)定,處理污染物的效率高。AnAOB對(duì)低溫的耐受性較低,研究者們通過(guò)對(duì)照實(shí)驗(yàn)測(cè)定Anammox反應(yīng)在不同溫度下的速率,發(fā)現(xiàn)AnAOB最佳生存溫度在35~ 40 ℃。當(dāng)溫度超過(guò) 45 ℃時(shí),AnAOB的活性會(huì)受到嚴(yán)重抑制。而當(dāng)溫度從33 ℃下降到15 ℃時(shí),氨氮的去除速率會(huì)明顯下降,說(shuō)明此階段溫度降低會(huì)減緩Anammox反應(yīng)的速度。
1.2pH
pH對(duì)微生物內(nèi)酶的活性和穩(wěn)定性有重要影響,它能夠改變細(xì)菌內(nèi)酶分子的帶電狀態(tài),干擾酶和底物的結(jié)合,pH如果出現(xiàn)較大變化,可能使微生物內(nèi)的酶遭到破壞,進(jìn)而影響微生物的活性。Anammox反應(yīng)是一個(gè)產(chǎn)堿反應(yīng),隨反應(yīng)時(shí)間增加pH將逐步變高。反應(yīng)進(jìn)行過(guò)程中pH的變化還會(huì)影響NH+4和NO-2在水溶液中的濃度,從而改變Anammox反應(yīng)的基質(zhì)數(shù)量。在中性偏堿性條件下,AnAOB才能表現(xiàn)出相對(duì)較高的生理活性,因此,Anammox反應(yīng)中穩(wěn)定反應(yīng)的pH很重要。
1.3氧氣
AnAOB是厭氧微生物,對(duì)氧氣濃度要求很高,僅當(dāng)氧氣分壓低于5%氧飽和度(以普通空氣中的氧濃度為100%)時(shí)AnAOB才能較好地生存;當(dāng)氧分壓超過(guò)15%時(shí),AnAOB就會(huì)失活。為保證Anammox過(guò)程能夠穩(wěn)定運(yùn)行,需要在進(jìn)水中通氮?dú)猓∟2)來(lái)降低反應(yīng)時(shí)的DO質(zhì)量濃度,使進(jìn)水的溶解氧質(zhì)量濃度低于0.5 mg/L。Cema等[2]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),在一定條件下,當(dāng)DO質(zhì)量濃度升高時(shí),反應(yīng)器中NO-2濃度增加,反應(yīng)的氨氮去除率將會(huì)降低,這說(shuō)明DO質(zhì)量濃度較高會(huì)抑制Anammox過(guò)程。
2反應(yīng)器的影響
2.1反應(yīng)器類型及其特點(diǎn)
厭氧水處理技術(shù)的核心是厭氧反應(yīng)器,反應(yīng)器的構(gòu)型對(duì)AnAOB的富集、反應(yīng)過(guò)程的啟動(dòng)、運(yùn)行是否穩(wěn)定及處理效果有著非常重要的影響。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同類型的反應(yīng)器中厭氧氨氧化過(guò)程的啟動(dòng)和運(yùn)行進(jìn)行了探索,已開發(fā)出了多種厭氧氨氧化反應(yīng)器。其中復(fù)合型反應(yīng)器可以提高Anammox反應(yīng)速率,啟動(dòng)厭氧氨氧化的時(shí)間相較于普通反應(yīng)器而言普遍更短,因此復(fù)合型反應(yīng)器是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究和設(shè)計(jì)厭氧氨氧化反應(yīng)器的焦點(diǎn)。當(dāng)前應(yīng)用較多的是復(fù)合型反應(yīng)器。
膜生物反應(yīng)器(MBR):在反應(yīng)器中,微生物會(huì)形成不規(guī)則的顆粒狀污泥,有利于培養(yǎng)厭氧氨氧化菌這種世代時(shí)間較長(zhǎng)的細(xì)菌。
序批式生物膜反應(yīng)器(SBBR):是生物膜法的間歇操作模式,間歇式的進(jìn)水可以提高系統(tǒng)的抗沖擊負(fù)荷能力,提高了傳統(tǒng)SBR反應(yīng)器的處理能力和穩(wěn)定性。該反應(yīng)器還具有生物多樣化,生物量多,剩余污泥的產(chǎn)量少等優(yōu)點(diǎn)。該反應(yīng)器比傳統(tǒng)的SBR反應(yīng)器更適合培養(yǎng)厭氧氨氧化菌。
厭氧折流板膜生物反應(yīng)器(CAMBR):也是近年來(lái)研制的一種新型高效的厭氧生物處理裝置。相比與前兩種反應(yīng)器,CAMBR工藝可以減緩膜污染進(jìn)程,增加膜的使用時(shí)限。
吳鵬[3]采用ABR-MBR耦合工藝對(duì)實(shí)際的生活污水進(jìn)行處理,CAMBR工藝歷經(jīng)72天啟動(dòng)成功,氨氮(NH+4N)、總氮(TN)平均去除率分別達(dá)92%和72%。此研究還表明CAMBR的膜污染與污泥濃度、膜通量、曝氣量3種因素密切相關(guān)。鮑林林等[4]在溫度(30±2)℃、DO為0.2~0.5 mg/L、pH為7.6~8.0、平均進(jìn)水氨氮、亞硝氮負(fù)荷分別為0.12和0.18 kg/(m3·d)的條件下,啟動(dòng)CAMBR厭氧氨氧化反應(yīng)器。經(jīng)83 d的連續(xù)運(yùn)行,啟動(dòng)成功;成功啟動(dòng)后NH+4N、NO-2N的去除率均在95%以上,TN去除率達(dá) 80%以上。
在選擇反應(yīng)器時(shí),應(yīng)優(yōu)先考慮其是否具有高效率的微生物截留能力,其次是成本、反應(yīng)器運(yùn)行穩(wěn)定性和運(yùn)行費(fèi)用。實(shí)際工程中應(yīng)根據(jù)反應(yīng)的環(huán)境條件、待處理污水特性、處理目標(biāo)等選擇適合的反應(yīng)器。各種反應(yīng)器啟動(dòng)Anammox反應(yīng)都有其自身的優(yōu)勢(shì)和不足,本文介紹的3種反應(yīng)器的優(yōu)缺點(diǎn)如下:
(1) MBR反應(yīng)器優(yōu)點(diǎn)是泥水分離性好,可有效減少AnAOB的流失,缺點(diǎn)是反應(yīng)器的價(jià)格偏高。
(2) SBBR反應(yīng)器優(yōu)點(diǎn)是生物多樣化,生物量多,剩余污泥的產(chǎn)量少,缺點(diǎn)是水力停留時(shí)間較長(zhǎng)且反應(yīng)器自動(dòng)控制要求高。
(3) CAMBR反應(yīng)器優(yōu)點(diǎn)是啟動(dòng)Anammox的時(shí)間較短,處理效率高,減緩膜污染進(jìn)程,增加膜的使用時(shí)限,缺點(diǎn)是反應(yīng)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜且價(jià)格較高。
2.2反應(yīng)器填料
反應(yīng)器內(nèi)加入載體可以減少微生物的流失,載體能夠形成生物膜。添加填料可使AnAOB附著于填料表面,促進(jìn)AnAOB的富集。研究人員在反應(yīng)器中投加了不同的填料,對(duì)厭氧氨氧化工藝運(yùn)行所產(chǎn)生的影響進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)不同填料對(duì)厭氧氨氧化工藝的啟動(dòng)和反應(yīng)器運(yùn)行的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響。
譚發(fā)等[5]采用上流式反應(yīng)器接種混合污泥(包括短程硝化污泥、活性污泥和厭氧氨氧化污泥)來(lái)
啟動(dòng)厭氧氨氧化工藝。3個(gè)相同的反應(yīng)器中分別采用活性炭、海綿、海綿+活性炭作為厭氧氨氧化反應(yīng)器的載體。研究結(jié)果表明,在反應(yīng)器進(jìn)行污泥回流的情況下,以活性炭為載體時(shí)對(duì)廢水的脫氮效果較好,但出現(xiàn)明顯的污泥分層現(xiàn)象;以海綿為載體時(shí),NH+4N去除率約為90%,TN去除率僅僅有75%;以活性炭+海綿為載體時(shí),能有效地解決污泥分層問(wèn)題,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,NH+4N去除率超過(guò)了96%,TN去除率約為 90%。該研究說(shuō)明以海綿+活性炭為載體的上流式厭氧氨氧化反應(yīng)器表現(xiàn)較好的脫氮效果和穩(wěn)定性。
三、 結(jié)論及未來(lái)展望
目前,對(duì)Anammox反應(yīng)器、環(huán)境因子等對(duì)Anammox反應(yīng)所產(chǎn)生影響的研究成果表明,在pH7.5~8.0、溫度35~40 ℃、完全避光、厭氧等環(huán)境下,以特定的某種反應(yīng)器、適合的填料和接種污泥條件下,并在某些反應(yīng)器中增加攪拌設(shè)備,可促進(jìn)AnAOB的迅速增長(zhǎng),加快馴化過(guò)程。但在關(guān)于Anammox反應(yīng)影響因素的研究中,仍有一些有待進(jìn)一步研究的問(wèn)題,主要包括以下兩點(diǎn):
(1) 中國(guó)北方地區(qū)普遍溫差大,冬季寒冷,而Anammox工藝在低溫的條件下,脫氮的效率較低,難以滿足脫氮處理要求。因此,如何在溫度較低的條件下應(yīng)用Anammox工藝去除污水中的含氮污染物是目前研究的熱點(diǎn)。
(2) 由于Anammox技術(shù)優(yōu)于傳統(tǒng)的污水脫氮技術(shù),未來(lái)將成為處理低C/N比、高含氨氮廢水工藝的優(yōu)先選擇。但是目前還需要加快開展Anammox技術(shù)的規(guī)?;凸こ檀蠓秶鷳?yīng)用的研究,建立影響反應(yīng)的各因素間的關(guān)系,研究得到Anammox工藝不同影響因素之間的較優(yōu)參數(shù),從而實(shí)現(xiàn)厭氧氨氧化的推廣和長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。
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