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新型废水脱氮工艺探讨
论文作者:童鞋论文网  论文来源:www.txlunwenw.com  发布时间:2019/3/2 7:26:57  

摘要:本文首先对氨氮对水体的污染以及硝化原理进行了探讨,然后分别从物理法、生化法等几个方面对新型废水脱氮工艺进行了相关阐述。

关键词:氨氮 水体 污染 脱氮

1氨氮对水体的污染

水体中的氨氮是指以游离态的氨分子(NH3)或铵根离子(NH4+)形式存在的化合氨,它是各种类型氨的危害中最大的一种存在形式,是水体受到污染的标志之一。氨氮对水体的污染是一个世界性的问题,特别是在发展中国家,在过去的几十年里,由于工业化、城市化和经济的急速发展,导致了很多过剩的氨氮被排放到河流、湖泊、水库、地下水等水生环境中[1],而一旦有过量的氨氮进入水生环境,就会刺激植物和藻类的过度、不平衡生长,进而导致氧气的消耗和水体的富营养化[2],严重时还会导致水中的溶解氧含量下降[3],水质黑臭、鱼类死亡,最终导致湖泊的干涸、消失[4]。

水体中的氨氮超标对城市污水处理厂也会造成很大的危害,主要时水体中的藻类和微生物的大量繁殖会使滤池堵塞,甚至穿透滤池在配水管网中繁殖,在管壁上形成微生物粘膜,导致城市供水管网流水不畅,进而影响供水水质。另外藻类产生的有机物会使水体有异嗅味,增加处理难度及运行成本[5]。

2硝化原理

水体中氮的存在方式主要有氨氮、有机氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮等形。未经处理污水中的氮主要以氨氮和有机氮的形式存在,分为可溶性氮和不可溶性氮。在污水处理的过程中,一部分氮被微生物利用,转化为其自身所需要的营养物质,也就是所谓的同化作用。另外一部分有机氮,经过氨化菌和好氧菌的作用,转化成了水中的氨氮,这就是氨化作用。氨化作用的顺利进行是污水处理厂硝化菌硝化作用的前提。

硝化菌的硝化作用包括两个阶段。第一阶段:氨氮通过氨氧化菌(ammonia-oxidizing bacteria,AOB)的作用,实现氨转化为亚硝酸盐氮。有大量研究者对此过程机理进行了深度的研究,发现这个过程有酶的参与,氨氮首先在氨单加氧酶(ammonia-monooxygenase,AMO)的作用下转化为羟氨(NH2OH),羟氨再在羟氨氧化还原酶(hydroxylamine oxidoreductase,HAO)的作用下转换为成亚硝酸盐氮;也有人发现另一条转化路径,以水的化学态氧为电子供体,转化成亚硝酸盐,这个过程是吸热反应,而前者是放热反应,前者的反应更易产生,但在实际的情况中,这个中间反应较快,故中间产物不能被检测出来。第二阶段:亚硝酸盐氧化菌(nitrite oxidizing bacteria,NOB)利用第一阶段的亚硝酸盐,进一步氧化成硝酸盐,达到去除水体当中氨氮的效果。AOB与NOB均为自养菌,生长速率较慢,以CO2为无机碳源,并从氧化无机物中获取能量。

在整个硝化反应中,氨氮转化成硝酸盐氮,并形成一部分氢离子,由于硝化菌是嗜好中性偏碱的环境,因此需要投加碱性物质进行反应环境的调节。

3新型废水脱氮工艺

氮是人体必需的营养物质[6],但高浓度的氮污染却是引起水体富营养化的罪魁祸首,且对人体有很多不良影响[7, 8],饮用水中的高浓度硝酸盐更会给儿童带来很严重的卫生问题[9]。一般情况下氮化合物会通过垃圾渗滤液[10]、动物粪便[11]、农业活动[12]、人类粪便等[13]多种方式进入环境,从环境保护的角度来看,氮的去除是强制且必要的。但在不同环境的冲击下,污水处理厂的硝化系统易崩溃,直接导致出水氨氮急剧升高,针对这种情况,本节提出了目前国内外从废水中去除氮化物的几种新型方法,这些方法大体可分为两类:生化法和物理法。

3.1物理法

物理法脱氮主要包括微博辐射、 空气气提或蒸汽汽提法、选择性离子交换法等。

Rozic等[6]研究用天然粘土和沸石去除铵离子,研究表明,在100 mg/L的浓度下,铵根的最大去除率为61.1 wt%。他们还发现,与干燥状态下的粘土相比,液态胶体的粘土对氨氮的去除效率更高。Lee和Westerhoff等[14]采用硫酸铝和阳离子聚合物溶解法去除有机氮,研究表明,在剂量为每5毫克硫酸铝溶解1mg有机碳时,阳离子聚合物提将溶解的有机氮去除率提高了15%~20%。Liao等[15]研究了曝气和空气吹脱去除废水中的氨氮并将其排放到实验室大气中的方法,结果表明,在pH值为11.5的情况下,去除性能最佳,七小时去除了90% 的铵离子。

Lin等[16]研究了微波(MW)辐射处理高氨氮废水的能力。研究结果表明,热效应比非热效应的去除效果更显著。初始废水中的氨氮浓度为5000 mg/L,pH值为11,在辐射强度为750W处理十分钟后,废水中的氨氮含量降至350 mg/L。由此得出结论,微波辐射是一种有效去除氨氮的方法。而在另一项研究中,Lin等[16]开发了一种连续的中试微波辐射水处理系统,用于处理废水中的氮氨。在处理初始氨氮浓度为2400~11000mg/L的焦化废水时,其氨氮去除率达到了80%。

虽然物理方法脱氮有一定的成功案例,但由于其成本高,且处理效果不彻底,很少真正用于污水处理厂处理污废水。目前国际上使用较多的是生化法。

3.2生化法

目前城市污水处理厂实践中多采用硝化-反硝化过程进行脱氮,这是生化法去除废水中氮化合物最典型的方法。在硝化-反硝化过程中,自养硝化细菌首先通过有氧氧化将氨氮转化成亚硝酸盐,然后再转化成硝酸盐,硝化细菌在铵化合物氧化中获得能量。接下来,异养细菌在缺氧条件下将硝酸盐转化为亚硝酸盐、氧化亚氮、一氧化氮,最终转化为气态氮[17]。需要注意的是,反应过程中的一些中间产物,如一氧化二氮等对环境有着不良的影响,因此必须消除此类影响[18]。在缺氧条件下,反硝化微生物以硝酸盐或亚硝酸盐作为最终的电子受体,所以在反应的最后一步需要加入电子供体物质(即有机碳化合物),而反硝化作用会利用无机电子供体(如氢),甚至直接从电极(即燃料电池)中提取电子[19]。在城市污水处理系统中,由于硝酸盐的浓度较低,不被认为是脱氮过程的中间产物,因此硝化菌的生长速率是亚硝化菌的两倍。由于微生物之间存在对有机化合物的消耗竞争,因此COD/N的比值是生物脱氮的一个重要因素,这就是为什么硝化和反硝化会受到COD/N的高度影响[13]。一般来说,温度的升高会加速反硝化作用,反之则会降低[21]。

目前国际上对硝化-反硝化过程中的弊端进行了很多技术改进,如防止亚硝酸盐积累,研究人员让硝化过程中的亚硝酸盐在氧化为硝酸盐之前停止,使其直接在反硝化过程中被还原。因此,由于不产生硝酸盐,硝化过程中的耗氧量会降低,反硝化过程中对有机物的需求也相应减少[17]。下面介绍几种新型的生物脱氮方法。

3.2.1 自养厌氧氨氧化工艺(ANAMMOX)

由于碳源是必须添加的,因此硝化-反硝化的常规脱氮法成本很高,尤其是针对处理低COD浓度的废水。为了解决这一问题,研究者开发了一种新的脱氮方法,即通过厌氧氨氧化细菌直接将氨氮氧化成氮气,这种方法被称为自养厌氧氨氧化工艺(ANAMMOX)。ANAMMOX工艺采用亚硝酸盐作为水生细菌(Planctomycetales)的电子受体,而不是氧,因此亚硝酸盐是这一过程中必需的化合物,由好氧硝化细菌控制硝化作用得到。硝化-ANAMOX的组合减少了生物反应器中的氧气消耗,并消除了额外的碳源需求。一般来说,这个过程不需要投加外部的碳源,另外也没有剩余污泥的产生,因此与常规脱氮系统相比,节约了大量的能量和氧气消耗[22]。

ANAMMOX的关键点是如何保持部分硝化作用。Peng等[23]对控制部分氧化的参数和方法进行了研究,如温度、pH值、溶解氧(DO)浓度、污泥停留时间(SRT)、COD负荷、水力停留时间(HRT)、曝气模式、抑制剂等。Ruiz等(2006)研究发现,通过保持低溶解氧浓度(约1mg/L),硝化过程将受到限制,效果不完全,亚硝酸盐开始积累[17]。

Dong等[24]通过将80cm的常规垂直流动床深度划分为25cm不饱和层和55cm饱和层实现了部分氧化,这是ANAMMOX工艺在水平流动床中脱氮的最佳条件。在另一项研究中[25],研究者使用ANAMMOX工艺去除消化废水中的氨氮,第一步他们监测了ANAMMOX工艺处理固定床和流化床反应器中合成废水的可行性,结果表明每个反应器都有合适的构型。在此基础上,研究者在流化床反应器中使用ANAMMOX工艺去除消化废水中的氨氮效果进行了研究,结果表明,在反应器运行150天的过程中,氨氮去除率为82%,亚硝酸盐去除效率更达到了99%。Waki等[26]和Sumino等[27]也研究了ANAMMOX工艺处理含氮化合物废水的性能。

3.2.2 反硝化铵氧化工艺(DEAMOX)

反硝化铵氧化工艺(DEAMOX)是基于ANAMMOX工艺衍化出的。DEAMOX工艺使用硫化物将先前反应中的硝酸盐转化成亚硝酸盐,然后在ANAMMOX过程中使用过程中产生的亚硝酸盐。其生化反应[28]如下:

3.2.3 完全自养脱氮工艺(CANON)

亚硝酸盐完全自养脱氮工艺(CANON)也类似于ANAMMOX工艺。但与ANAMMOX工艺不同的是,CANON工艺可以发生在单级有氧系统中[29]。其化学计量式[30]如下:

Ahn等[31]研究了一种CANON工艺,在外部曝气的颗粒污泥反应器中去除合成废水和污泥消化池废水中的氨氮。在合成废水中氨氮浓度高达110mg/L的情况下,经过5天HRT的反应后,氨氮的去除率为95%;同样的,污泥消化池废水初始氨氮浓度为(438±26)mg/L,当HRT为7天时,其总氮去除率为(94±1.7)%,当HRT为5天时,总氮去除率为(76±1.5)%。

参考文献

[1] 冯叶, 杨立中, 陈进斌, 等. 废水生物脱氮低温硝化研究进展[J]. 水处理技术, 2014,40(03):5-10.

[2] 姜安玺, 孟雪征, 曹相生, 等. 耐冷菌的分离及在低温污水处理中的应用研究[J]. 哈尔滨工业大学学报, 2002(04):563-565.

[3] 邱天, 杨基先, 崔迪, 等. 适冷微生物研究进展及应用现状[J]. 环境科学与技术, 2012(S1):124-127.

[4] 陈翰, 马放, 李昂, 等. 低温条件下污水生物脱氮处理研究进展[J]. 中国给水排水, 2016(08):37-43.

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