把生物脱氮工艺“强化”一下,处理废水会更高效吗?

目前污水厂内普遍采用的处理方式是利用硝化菌、反硝化菌的生物特性对污水进行脱氮处理,简单来说,就是将污水中的氮元素通过微生物的代谢转化为氮气排出来。

这种方法好用吗?肯定好用。它相比物化法有着明显的优势,比如能较彻底地脱去污水中的氨,并且不会产生二次污染问题,能耗也比较低。

那有缺点吗?当然也有,比如系统总停留时间过长、抗冲击负荷能力较差等。

如果小编再把这些传统工艺拿来再介绍一遍,大家肯定也没兴趣。所以今天今天要讲的就厉害了,叫——强化的生物脱氮技术!!

什么是强化生物脱氮技术

强化生物脱氮技术是指:在污水处理系统中,利用菌群的生物特性和物化手段调控反应条件,以此改善工艺脱氮效果的技术方法。

这种工艺被强化以后呢,在理论上能够增强微生物对氮素的降解能力,加快反应物降解速率,提高出水水质。

目前,已研究开发出的强化生物脱氮技术有:短程硝化反硝化、同步硝化反硝化、厌氧氨氧化、反硝化聚磷菌强化脱氮等。 

强化生物脱氮技术原理

01 短程硝化反硝化

短程硝化反硝化是一种可用来处理高浓度、低碳氮比的新型脱氮技术。

其作用机理是通过改变反应池环境温度、pH值、溶解氧浓度DO、污泥龄等影响硝化阶段的因素条件,将硝化过程停止于亚硝化阶段,不进行亚硝酸盐氮 (NO2-N) 到硝酸盐氮 (NO3-N)的转化,亚硝化后直接进行反硝化反应。 

短程硝化反硝化与传统的全程硝化反硝化相比,该技术具有下列特点:

  • 亚硝化细菌(AOB)比硝化细菌(NOB)具有更短的世代周期和污泥龄,将硝化过程氨氮氧化停止在亚硝化阶段,可以有效提高微生物生长速率,促进反应正向进行,缩短系统的水力停留时间,从而减少产泥量,有效的节省了反应器设计使用容积;

  • 不进行 NO2-N 至 NO3-N 的转化可降低溶解氧的消耗量,降低用于曝气充氧的能量损耗;

  • NO3-N 比 NO2-N 转化为 N需要更多的电子供体,硝化过程中,由于只完成了氨氮到亚硝酸盐氮的转化,为后续的反硝化过程节省了接近一半的有机碳源需求量。 

 

02 同步硝化反硝化

同步硝化反硝化是指在低溶解氧、碳源易降解的条件下,硝化与反硝化同时在同一个反应器内完成,并能够一步达到污水脱氮效果的新型生物脱氮工艺 。 

其作用机理是溶解氧向微生物絮体内部扩散受到阻碍,溶解氧在微生物絮体内外产生了浓度梯度。

溶解氧在微生物絮体内外具有较高的浓度,微生物絮体外聚集大量的好氧菌以及硝化菌,发生硝化反应。

氧扩散受到微生物絮体阻碍,并且外部存在有机物的氧化、硝化作用对氧的消耗,微生物絮体内部形成缺氧区,聚集大量的反硝化细菌发生反硝化反应。

正是由于溶解氧在微生物絮体内外存在浓度梯度,形成了有利于硝化、反硝化反应的好氧区、缺氧区这样的微环境,使得硝化、反硝化反应可以同时在同一个反应器内实现。 

同步硝化反硝化具有下列特点:

  • 反应过程与短程硝化反硝化相似,氨氮仅需亚硝化后就可以直接进行反硝化,加快了系统反应速度,缩短了反应水力停留时间,反应器设计容积得以减小;

  • 与完全硝化反应相比,亚硝化反应具有较低的耗氧量,减少曝气量,有效降低能源消耗; 

  • 硝化产生的氢离子可以与反硝化产生的氢氧根离子发生中和反应,平衡稳定反应液体的pH值,同时加快两种反应的正向进行速度,反应效率得到较大的提高;

  • 碳源在反应中对硝化阶段有正向推动作用,同时也作为反应物参与反硝化反应,因此碳源有利于推进整个系统的反应进程。

因此,同步反硝化常被用于处理碳氮比较低、氨氮浓度较高的污水。

 

03 厌氧氨氧化

厌氧氨氧化是指厌氧氨氧化菌在厌氧条件下以氨根离子作为电子供体,并利用亚硝酸盐氮作为电受体,将氨氮转化为氮气的生物氧化过程。其中亚硝酸盐氮先被还原成轻胺,随后与氨氮耦合形成联氨再被氧化为氮气。 

厌氧氨氧化主要用于处理污泥硝化上清液、垃圾滤出液、制革废水此类具有高浓度氨氮的废水。

与传统生物脱氮技术相比,厌氧氨氧化脱氮具有以下特点:

1、工艺可以实现传统生物脱氮工艺不能处理的低碳氮比、高浓度氨氮废水的脱氮;

2、工艺属于自养缺氧型脱氮,可减少系统曝气量,工艺动力消耗低,节省反硝化碳源,且不需要调节反应系统的 pH 值,较大降低了相关的投资运行费用;

3、污泥产量少,有效减少二次污染;

4、厌氧氨氧化菌属于专性厌氧化学无机自养型细菌,具有生长缓慢、世代周期长、对外部环境非常敏感的生物特性,因此工艺启动周期相当漫长,而且往往由于其稳定性只作为一种末端的处理技术。

 

04 反硝化聚磷菌强化脱氮

反硝化聚磷菌(DNPAOs)最早于1996年由荷兰 Delft 大学研究员在改良 UCT 工艺时在反应池的活性污泥中被发现。

DNPAOs 的发现为解决碳源利用与泥龄差异之间的矛盾提供了可行性研究方案,脱氮除磷可实现同步进行。

反硝化聚磷菌与聚磷菌有着相似的脱氮除磷机理,都是在厌氧条件下释放磷,缺氧条件下以亚硝酸盐氮和硝酸盐氮作为电子受体从外界吸收过量的磷同时达到脱氮除磷的效果 。

反硝化聚磷菌生长代谢具有下列影响因素:

温度:反硝化聚磷菌属于中温生长菌,在 20~30℃ 时最适宜其生长繁殖。高于35℃可破坏菌种酶系统导致生物体活性降低,温度低于10°C时,DNPAOs 的生长速度放缓影响脱氮除磷效率,但序批式活性污泥法 (SBR) 系统中 DNPAOs 脱氮性能受低温条件的负面影响并不大;

pH 值:较高的 pH 值(pH>10)或较低的 pH 值(pH<6)都会降低反硝化聚磷菌酶反应活性,抑制对营养物质的吸收利用,影响菌体的新陈代谢。菌株在中性偏碱的条件下具有最好脱氮除磷效果;

氮源:反硝化聚磷菌能以亚硝酸根离子或硝酸根离子作为电子受体进行反硝化脱氮除磷。氮源的种类及浓度都会影响 DNPAOs 的脱氮性能,其中硝酸盐最适宜 DNPAOs 的吸收,高浓度的硝酸盐可以促进 DNPAOs的生长繁殖,以 N/P 比为4时最适宜 DNPAOs 的生长富集。

碳源:反硝化聚磷菌能够利用的碳源只有挥发性低分子脂肪酸(VFA),其他种类的有机碳源只能通过水解酸化成 VFA 才能被反硝化聚磷菌吸收。葡萄糖相比其他碳源最容易被 DNPAOs 利用,而利用乙酸作为 DNPAOs 碳源时可获得更好的脱氮除磷效果,DNPAOs 在混合碳源下最先利用乙酸钠为其生物碳源。

强化生物脱氮技术还处于起步阶段

 

短程硝化反硝化、同步硝化反硝化、厌氧氨氧化以及反硝化聚磷菌强化生物脱氮技术都是基于传统生物脱氮技术的改进,都可以较大程度上节省脱氮处理投资运营费用,使工艺运行更加高效、稳定。 

当然,这些新型技术都还处于发展应用的起步阶段,并非特别成熟,甚至在有些方面还继续改进,比如: 

1、生物脱氮强化技术通常对环境条件要求较高,导致耗费较大的代价以获得较高脱氮效率,所以还要加强在实际应用中温度、pH值、溶解氧浓度DO和硝酸盐等各个反应条件的关联问题,这样生物脱氮系统的运行效率可以得到有效的提高。

2、生物脱氮强化技术目前大部分围绕着强化脱氮技术的机理与反应动力学进行研究,很少将强化生物脱氮技术与分子生物学技术相结合,而且没能掌握对工艺使用菌株的收集与储存方式,从而限制了脱氮菌剂的开发,不利于强化生物脱氮技术在日常大型污水处理系统中的应用。因此探索新型填料就比较重要,加强各反应菌种的研究,研究各反应菌种的分子生物学性质并利用其生物特性加以基因重组和基因改组以构建新型的工程菌种,深究菌种的生理学特征和生物化学特征,筛选、驯化、培育良种菌株,采取这一系列措施来提高脱氮效率。

3、大多数生物脱氮强化工艺启动周期漫长,总氮的去除负荷较低,且研究成果大多应用在规模较小试验工程中,大规模应用于实际工程的案例不多。所以要重点研究如何调控反应条件以保持稳定持久的亚硝酸盐积累,提高工艺的抗冲负荷,开发更多的新型脱氮工艺及工艺组合。

 

资料来源(部分):

  1. 陈仁杰等. 污水新型生物脱氮强化技术研究进展[J]. 应用化工,2020.

  2. 游佳等. 增强城市污水处理生物脱氮能力的若干技术措施[J]. 给水排水,2016.

  3. 李娜等. 短程硝化反硝化生物脱氮影响因素与实现途径[J]. 水科学与工程技术,2018.

  4. 焦点. SHARON生物脱氮工艺的研究[J]. 化工管理,2018.

  5. 王衫允. 低氨氮浓度厌氧氨氧化工艺强化及颗粒污泥菌群特性研究[D]. 哈尔滨工业大学,2016.
    来源:环保水圈

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