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生物脫氮濾池為什么要通氮?dú)?/h1>

1、低溫對(duì)脫氮工藝的影響

溫度是影響細(xì)菌生長(zhǎng)和代謝的重要環(huán)境條件。絕大多數(shù)微生物正常生長(zhǎng)溫度為20~35℃。溫度主要是通過(guò)影響微生物細(xì)胞內(nèi)某些酶的活性而影響微生物的生長(zhǎng)和代謝速率,進(jìn)而影響污泥產(chǎn)率、污染物的去除效率和速率;溫度還會(huì)影響污染物降解途徑、中間產(chǎn)物的形成以及各種物質(zhì)在溶液中的溶解度,以及有可能影響到產(chǎn)氣量和成分等。低溫減弱了微生物體內(nèi)細(xì)胞質(zhì)的流動(dòng)性,進(jìn)而影響了物質(zhì)傳輸?shù)却x過(guò)程,并且普遍認(rèn)為低溫將會(huì)導(dǎo)致活性污泥的吸附性能和沉降性能下降,以及使微生物群落發(fā)生變化。低溫對(duì)微生物活性的抑制,不同于高溫帶來(lái)的毀滅性影響,其抑制作用通常是可恢復(fù)的。

1.1硝化工藝

生物硝化反應(yīng)可以在4~45℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。氨氧化細(xì)菌(AOB)最佳生長(zhǎng)溫度為25~30℃,亞硝酸氧化細(xì)菌(NOB)的最佳生長(zhǎng)溫度為25~30℃。溫度不但影響硝化菌的生長(zhǎng),而且影響硝化菌的活性。有研究表明,硝化細(xì)菌最適宜的生長(zhǎng)溫度為25~30℃,當(dāng)溫度小于15℃時(shí)硝化速率明顯下降,硝化細(xì)菌的活性也大幅度降低,當(dāng)溫度低于5℃時(shí),硝化細(xì)菌的生命活動(dòng)幾乎停止。大量的研究表明,硝化作用會(huì)受到溫度的嚴(yán)重影響,尤其是溫度沖擊的影響更加明顯。由于冬季氣溫較低而未能實(shí)現(xiàn)硝化工藝穩(wěn)定運(yùn)行的案例較為常見(jiàn)。U.Sudarno等考察了溫度變化對(duì)硝化作用的影響,結(jié)果表明,溫度從12.5℃升至40℃,氨氧化速率增加,但當(dāng)溫度下降至6℃時(shí),硝化菌活性很低。

隨著脫氮工藝的不斷發(fā)展,人們對(duì)硝化工藝提出了更高的要求,希望將硝化作用的反應(yīng)產(chǎn)物控制在亞硝酸鹽階段,作為反硝化或者厭氧氨氧化的前處理技術(shù),可以節(jié)約曝氣能耗和添加堿量。通過(guò)對(duì)兩類(lèi)硝化細(xì)菌(AOB、NOB)的更多認(rèn)識(shí),出現(xiàn)了短程硝化工藝。該工藝的核心是選擇性地富集AOB,先抑制再限制最后沖洗出NOB,使得AOB具有較高的數(shù)量而淘汰NOB,從而維持穩(wěn)定的亞硝酸鹽積累。短程硝化過(guò)程通常由控制溫度、溶解氧、pH來(lái)實(shí)現(xiàn)。溫度控制短程硝化的基礎(chǔ)在于兩類(lèi)硝化細(xì)菌對(duì)溫度的敏感性不同,25℃以上時(shí),AOB的最大比生長(zhǎng)速率大于NOB的最大比生長(zhǎng)速率。據(jù)此提出了世界上第一個(gè)工業(yè)化應(yīng)用的短程硝化工藝——SHARON工藝(溫度設(shè)置為30~40℃〔1〕)。因此,在低溫下實(shí)現(xiàn)短程硝化頗具挑戰(zhàn)。

1.2反硝化工藝

低溫對(duì)于反硝化有顯著的抑制作用,JichengZhong等研究了太湖沉積物中的反硝化作用,經(jīng)過(guò)數(shù)月的實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)反硝化速率呈現(xiàn)季節(jié)性變化。U.Welander等考察了低溫條件下(3~20℃)反硝化工藝的運(yùn)行性能,研究表明在3℃下反應(yīng)器的反硝化速率僅為15℃下的55%。相對(duì)于傳統(tǒng)的缺氧反硝化,溫度對(duì)好氧反硝化的脫氮效率影響不顯著,王弘宇等篩選出的一株好氧反硝化菌,在25~35℃下都能達(dá)到大于78%的脫氮效率。表1概括了不同溫度下的反硝化速率。

1.3厭氧氨氧化工藝

有學(xué)者的研究表明,能夠進(jìn)行厭氧氨氧化反應(yīng)的溫度范圍為6~43℃,最佳溫度為28~40℃。在廢水生物處理中,活化能的取值范圍通常為8.37~83.68kJ/mol,而厭氧氨氧化的活化能為70kJ/mol。因此,厭氧氨氧化屬于對(duì)溫度變化比較敏感的反應(yīng)類(lèi)型,溫度的降低對(duì)其抑制作用明顯。

低溫對(duì)厭氧氨氧化的影響很大,受低溫抑制后需要較長(zhǎng)時(shí)間才能恢復(fù)。厭氧氨氧化工藝的運(yùn)行溫度從18℃降至15℃時(shí),亞硝酸鹽不能被完全去除,導(dǎo)致亞硝酸鹽的積累,對(duì)厭氧氨氧化工藝有著顯著的抑制效果,從而引起連鎖效應(yīng),使得厭氧氨氧化菌失活〔6,25〕。J.Dosta等〔7〕在研究溫度對(duì)厭氧氨氧化工藝的長(zhǎng)期影響時(shí),將試驗(yàn)溫度由30℃調(diào)至15℃,只有氮容積負(fù)荷(NLR)從0.3kg/(m3?d)大幅降低至0.04kg/(m3?d)才能保證出水水質(zhì)。甚至經(jīng)30d的馴化仍未見(jiàn)好轉(zhuǎn),將試驗(yàn)溫度調(diào)回至30℃運(yùn)行75d后,污泥活性?xún)H為0.02g/(g?d),處于較低水平。

2、脫氮工藝的低溫運(yùn)行改進(jìn)方法

2.1菌種流加

菌種流加來(lái)源于發(fā)酵工藝的菌種擴(kuò)大培養(yǎng)技術(shù)。菌種擴(kuò)大培養(yǎng)技術(shù)是發(fā)酵工業(yè)中廣泛采用的一種菌種應(yīng)用技術(shù),在批次發(fā)酵中,一般通過(guò)“試管→三角瓶→種子罐→發(fā)酵罐”的多級(jí)擴(kuò)增,使菌量滿(mǎn)足生產(chǎn)需要〔26〕。在廢水脫氮工藝中,除裝置內(nèi)菌種自身增殖外,流加菌種有利于加快菌體積累。廢水水質(zhì)復(fù)雜,毒性物質(zhì)、基質(zhì)、pH、溫度等因素的不穩(wěn)定,都會(huì)對(duì)功能菌造成抑制。在受抑制條件下,微生物難以生長(zhǎng)。因此菌種流加的優(yōu)勢(shì)得以體現(xiàn)。

唐崇儉等〔26〕采用菌種流加式厭氧氨氧化工藝處理制藥廢水,廢水中NH4+-N和NO2--N的質(zhì)量濃度分別為120~200mg/L和160~240mg/L,菌種流加速率為0.028g/(L?L?d),容積氮去除負(fù)荷(NRR)由0.1kg/(m3?d)提高至7.9kg/(m3?d)。并且認(rèn)為流加菌種不僅增加了反應(yīng)器內(nèi)的污泥濃度和厭氧氨氧化菌所占比例,可能還帶入了一些未知的生長(zhǎng)因子,才能在如此低的流加速率下,實(shí)現(xiàn)厭氧氨氧化的高效運(yùn)行〔27〕。

菌種流加有望成為低溫下運(yùn)行生物反應(yīng)器的一種有效對(duì)策。何成達(dá)〔28〕的研究表明在低溫期間為保證正常的硝化速率,需要增大反應(yīng)器的容積。通過(guò)向活性污泥系統(tǒng)投加硝化菌的方法可有效解決低溫時(shí)期需要延長(zhǎng)泥齡和加大反應(yīng)器容積的問(wèn)題。

菌種流加的操作靈活,不需要長(zhǎng)期的適應(yīng)調(diào)整時(shí)間,是一種應(yīng)對(duì)低溫沖擊的快速有效方法,但是不能從根本上解決低溫下反應(yīng)器運(yùn)行效率低的問(wèn)題,僅是增加反應(yīng)器內(nèi)功能菌的數(shù)量及其在混合污泥的比例,緩解低溫對(duì)生物處理的影響,在反應(yīng)器容積有限時(shí)不適合長(zhǎng)期采用。

2.2接種耐冷菌

接種物對(duì)于低溫條件下厭氧反應(yīng)器啟動(dòng)運(yùn)行具有重要的意義〔29〕。耐冷菌能夠耐受溫度波動(dòng),比較適合低溫廢水的處理。如反硝化耐冷菌——熒光假單胞菌能夠在低于10℃的條件下降解苯二甲酸〔30〕,也有耐冷菌能在低溫下降解甲苯、氯酚等難降解有機(jī)物〔31,32〕。目前的研究重點(diǎn)關(guān)注了接種耐冷菌在低溫產(chǎn)甲烷系統(tǒng)中的意義,如賁岳等〔33〕為確保寒冷地區(qū)污水生物處理系統(tǒng)的有效運(yùn)行,接種耐冷微生物,用于生活污水的處理,在6~10℃下,成功地去除污水中86.7%的COD。左劍惡等〔29〕關(guān)注了嗜冷產(chǎn)甲烷菌及其在廢水厭氧處理中的應(yīng)用,從分離培養(yǎng)及生理生化特性、適冷機(jī)制和分子生物學(xué)研究等方面,對(duì)嗜冷產(chǎn)甲烷菌的研究進(jìn)展進(jìn)行了全面的綜述,并指出接種物對(duì)于低溫條件下厭氧反應(yīng)器的啟動(dòng)很重要。

氨氧化古菌(AOA)是一類(lèi)能夠在低溫下保持活性的古細(xì)菌。如果能將AOA應(yīng)用到低溫廢水的生物處理中,將會(huì)推動(dòng)生物脫氮工藝的發(fā)展。這可以作為今后研究的一個(gè)重要方向。

2.3生物固定化

經(jīng)固定化處理后,微生物的抗逆性能提高,能耐受外界環(huán)境的變化,從而保持了較高的活性。此外,微生物經(jīng)包埋固定后持留能力得以增強(qiáng),可望實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器的快速啟動(dòng)和高效穩(wěn)定運(yùn)行〔34〕。

通過(guò)固定化可以削弱溫度變化對(duì)硝化作用的影響。張爽等〔35〕研究了固定化硝化菌在不同溫度下對(duì)氨氮的去除效能,采用聚乙烯醇-硼酸包埋法固定常溫富集培養(yǎng)的含耐冷菌的硝化污泥,用于處理常溫和低溫生活污水。結(jié)果表明,經(jīng)過(guò)固定化處理的硝化菌群即使在低溫條件下,也表現(xiàn)出了較高的硝化效率(>80%)。也有學(xué)者開(kāi)展了固定化反硝化細(xì)菌脫氮的研究,結(jié)果表明,經(jīng)過(guò)固定化處理,提高了反硝化細(xì)菌對(duì)溫度的適應(yīng)性,固定化反硝化細(xì)菌對(duì)高濃度的銨離子和低溫的耐受性增加〔36〕。B.K.Pathak等〔37〕在低溫厭氧氨氧化的研究中通過(guò)接種固定化微生物和厭氧顆粒污泥處理低含氮廢水,在20℃下成功啟動(dòng)厭氧氨氧化,NRR達(dá)到了16.22g/(m3?d),總氮去除率為92%。L.M.Quan等〔38〕以聚乙烯醇(PVA)凝膠和1%的藻酸作為厭氧氨氧化菌的包埋材料,在(25±0.5)℃時(shí),厭氧氨氧化工藝的NRR達(dá)到了8.0kg/(m3?d)。

固定化是一種有效的技術(shù)手段,然而也會(huì)使微生物活性有所降低,且固定化后,傳質(zhì)阻力會(huì)增大,氧的傳質(zhì)阻礙尤為明顯〔39〕,固定化更能在厭氧條件下發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。此外,其成本也有待技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)估。

2.4馴化

馴化就是人為的在某一特定環(huán)境條件長(zhǎng)期處理某一微生物群體,同時(shí)不斷將它們進(jìn)行移種傳代,以達(dá)到累積和選擇合適的自發(fā)突變體的一種古老育種方法〔40〕。微生物的馴化是脫氮工藝運(yùn)用到低溫環(huán)境中的重要措施,使微生物體內(nèi)的酶和細(xì)胞膜的脂類(lèi)組成能夠適應(yīng)低溫環(huán)境,并能在低溫條件下發(fā)揮作用〔6〕。大量研究表明〔41,42,43〕,通過(guò)適當(dāng)?shù)鸟Z化策略,經(jīng)歷一定的馴化時(shí)間,低溫脫氮工藝可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。

R.D.Jones等〔44〕認(rèn)為,如果將AOB的運(yùn)行溫度從30℃直接降至5℃,會(huì)導(dǎo)致其失活。逐步降低運(yùn)行溫度,AOB可調(diào)整細(xì)胞膜中的脂肪酸類(lèi)型使其在低溫條件下不易凍結(jié)。后來(lái)一些研究得到了與此相悖的結(jié)論〔25,43,44〕。因此有學(xué)者開(kāi)始探索低溫的馴化策略。

2.4.1逐步馴化

逐步馴化即逐步較緩慢地將工藝溫度由適宜溫度降至目標(biāo)溫度。在馴化微生物適應(yīng)當(dāng)前溫度下再將其溫度降低,進(jìn)一步馴化。尚會(huì)來(lái)等〔41〕采用馴化方式,逐步降低溫度,每降1℃就穩(wěn)定一個(gè)多月,半年后不刻意控制溫度,經(jīng)歷了冬季10℃的低溫,成功地穩(wěn)定了常溫、低溫短程硝化反硝化,亞硝化率始終維持在78.8%以上。J.Dosta等〔7〕通過(guò)該方法在18℃成功啟動(dòng)并穩(wěn)定運(yùn)行厭氧氨氧化工藝,但將溫度降至15℃時(shí),工藝系統(tǒng)失穩(wěn);并認(rèn)為優(yōu)化的操作步驟應(yīng)為:先在厭氧氨氧化最適溫度下,積累足夠的厭氧氨氧化生物量,然后再緩慢馴化微生物適應(yīng)低溫條件。

2.4.2直接馴化

直接馴化就是將反應(yīng)系統(tǒng)直接置于目標(biāo)溫度下進(jìn)行馴化。K.Isaka等〔24,42〕研究了在適度的低溫(20~22℃)下,厭氧生物濾池中利用厭氧氨氧化實(shí)現(xiàn)高效的脫氮。通過(guò)直接將接種污泥置于20~22℃的環(huán)境下培養(yǎng),在經(jīng)過(guò)446d后,NLR達(dá)到8.1kg/(m3?d)。還在6℃檢測(cè)到了微生物厭氧氨氧化活性。NLR由22℃時(shí)的2.8kg/(m3?d)降至6℃的0.36kg/(m3?d)。

楊朝暉等〔43〕對(duì)比了兩種馴化策略下厭氧氨氧化工藝的啟動(dòng)時(shí)間,接種以短程硝化-厭氧氨氧化協(xié)同作用為優(yōu)勢(shì)反應(yīng)的厭氧序批生物膜反應(yīng)器中的生物膜(溫度為31℃),置于16℃的生化培養(yǎng)箱中馴化,最快56d成功啟動(dòng)了低溫厭氧氨氧化;接種與前者相同的生物膜,首先置于31℃的生化培養(yǎng)箱中,然后以每12d降低3℃的速度為梯度逐步降溫至16℃,最慢70d馴化結(jié)束,其馴化結(jié)束的標(biāo)志是在16℃的環(huán)境溫度下氨氮的去除效率在1周左右維持穩(wěn)定。

以往的研究表明,微生物對(duì)溫度的逐步降低較為適應(yīng),如若溫度突然降低,則易引起系統(tǒng)的失穩(wěn);但較近的研究表明,直接將溫度降至目標(biāo)溫度,馴化的時(shí)間可能會(huì)更短一些。對(duì)此尚需系統(tǒng)的研究來(lái)論證,試驗(yàn)現(xiàn)象背后的機(jī)理仍有待揭示。

3結(jié)論

目前低溫廢水生物脫氮技術(shù)的研究已經(jīng)引起眾多學(xué)者的興趣,很多研究結(jié)果表明,溫度的降低會(huì)導(dǎo)致生物脫氮工藝啟動(dòng)時(shí)間顯著延長(zhǎng),處理負(fù)荷和處理效率大幅降低。通過(guò)菌種流加、接種耐冷菌、細(xì)胞固定化和馴化等有效技術(shù)手段,能夠提高低溫廢水生物脫氮工藝的高效性和穩(wěn)定性。結(jié)合目前的研究現(xiàn)狀,低溫脫氮工藝未來(lái)的研究可以圍繞下面幾點(diǎn)展開(kāi):

(1)耐冷菌的分離富集。將分子生物學(xué)技術(shù)應(yīng)用于耐冷菌的篩選,將篩選出的菌種富集培養(yǎng),用作接種物或者流加菌種,并建立菌群動(dòng)態(tài)變化指示系統(tǒng),指導(dǎo)低溫脫氮系統(tǒng)的調(diào)控。

(2)加大古菌的研究力度。研究古菌的培養(yǎng)特性,將可培養(yǎng)的脫氮古菌用于廢水處理,提高系統(tǒng)對(duì)低溫和極端環(huán)境的耐受性。這方面的研究有望成為今后的熱點(diǎn)。

(3)菌種流加過(guò)程的優(yōu)化和控制。深入研究厭氧氨氧化菌的生長(zhǎng)和代謝動(dòng)力學(xué)特性,獲得菌種流加的定量參數(shù);引進(jìn)自動(dòng)化控制技術(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)該技術(shù)過(guò)程的自動(dòng)化控制。

(4)多技術(shù)耦合。通過(guò)多種技術(shù)手段的結(jié)合,強(qiáng)化低溫生物脫氮工藝。例如在較低溫度下通過(guò)接種低溫優(yōu)勢(shì)菌實(shí)現(xiàn)了工藝啟動(dòng)后,通過(guò)菌種流加優(yōu)化低溫生物脫氮過(guò)程,提高其抗沖擊能力。

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