【純水設(shè)備www.weyiwe.cn】廢水脫氮是近年來(lái)企業(yè)需要更大的污水處理服務(wù),廢水中的氮排放水直接導(dǎo)致水體的富營(yíng)養(yǎng)化,而現(xiàn)在所有的企業(yè)廢水生物脫氮的主要用于多數(shù),在廢水生物脫氮環(huán)境更為敏感,溫度控制不好不能實(shí)現(xiàn)廢水脫氮的有效治療純水設(shè)備。安豐環(huán)境保護(hù)過(guò)程中去除廢水中氮,厭氧氨氧化過(guò)程的主要用途,這種方法主要是耗氧量低,運(yùn)行成本低,不需要額外的碳源和其他優(yōu)勢(shì),這個(gè)過(guò)程是被大多數(shù)客戶。
在廢水反硝化過(guò)程中，采用生物法對(duì)水體溫度的控制尤為重要。一般微生物的生長(zhǎng)條件為20~35℃，低溫會(huì)影響微生物的酶細(xì)胞活性。安豐環(huán)保技術(shù)工程師表示，在一定溫度范圍內(nèi)，每降低10℃，微生物活性就會(huì)增加一倍，從而降低污水處理效果。該工藝投入生產(chǎn)后，由于季節(jié)的交替和地理位置的影響，沒(méi)有人工控制，很難保持適宜的溫度。溫度調(diào)節(jié)要消耗很多能量。解決這一問(wèn)題的最佳途徑是發(fā)展高效穩(wěn)定的低溫生物處理技術(shù)。
今天，安豐環(huán)保有限公司對(duì)低溫條件下產(chǎn)生的生物脫氮技術(shù)進(jìn)行了一些探討。
1. 低溫對(duì)脫氮過(guò)程的影響
溫度是影響細(xì)菌生長(zhǎng)和代謝的重要環(huán)境條件。大多數(shù)微生物的正常生長(zhǎng)溫度為20~35℃。溫度主要通過(guò)影響微生物細(xì)胞中某些酶的活性來(lái)影響微生物的生長(zhǎng)和代謝速率，進(jìn)而影響污泥產(chǎn)量、污染物去除效率和速率。溫度還會(huì)影響污染物的降解途徑，中間產(chǎn)物的形成和各種物質(zhì)在溶液中的溶解度，實(shí)驗(yàn)室純水設(shè)備以及氣體的產(chǎn)生和組成。低溫降低了微生物細(xì)胞質(zhì)的流動(dòng)性，從而影響物質(zhì)運(yùn)輸?shù)却x過(guò)程，一般認(rèn)為低溫會(huì)導(dǎo)致活性污泥吸附沉降減少，微生物群落發(fā)生變化。與高溫的破壞作用不同，低溫對(duì)微生物活性的抑制作用通常是可逆的。
1.1硝化過(guò)程
生物硝化可在4~45℃范圍內(nèi)進(jìn)行。AOB和NOB的最佳生長(zhǎng)溫度為25~30℃。溫度不僅影響硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)，而且影響硝化細(xì)菌的活性。研究表明，硝化細(xì)菌的最佳生長(zhǎng)溫度為25~30℃。當(dāng)溫度低于15℃時(shí)，硝化速率顯著降低純水設(shè)備，硝化細(xì)菌活性也顯著降低。當(dāng)溫度低于5℃時(shí)，硝化細(xì)菌的生命活動(dòng)幾乎停止。大量研究表明，溫度對(duì)硝化反應(yīng)的影響很大，尤其是溫度沖擊。由于冬季溫度較低，硝化過(guò)程往往無(wú)法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。U。Sudarno等研究了溫度變化對(duì)硝化作用的影響，結(jié)果表明，當(dāng)溫度從12.5℃上升到40℃時(shí)，氨氧化速率增加，而當(dāng)溫度下降到6℃時(shí)，硝化細(xì)菌活性非常低?！ ?/span>
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℃)。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?！ ?/span>
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)類型，溫度的降低對(duì)其抑制作用明顯。
廢水脫氮
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。J.Dosta等在研究溫度對(duì)厭氧氨氧化工藝的長(zhǎng)期影響時(shí)，純水設(shè)備將試驗(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，污泥活性僅為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，使菌量滿足生產(chǎn)需要。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。實(shí)驗(yàn)室純水設(shè)備在受抑制條件下，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。
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)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。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，也有耐冷菌能在低溫下降解甲苯、氯酚等難降解有機(jī)物。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，純水設(shè)備能耐受外界環(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。
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。B.K.Pathak等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，實(shí)驗(yàn)室純水設(shè)備然而也會(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，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。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。大量研究表明，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。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，實(shí)驗(yàn)室純水設(shè)備然后以每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。
廢水除氮中生物法除氮時(shí)，要對(duì)水溫進(jìn)行嚴(yán)格的控制。水溫過(guò)低會(huì)造成生物除氮的處理時(shí)間延長(zhǎng)、處理的負(fù)荷和處理工藝都會(huì)受到影響。安峰環(huán)保的工程師們通過(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，有效的解決了生物除氮中水溫對(duì)處理效果的影響。此項(xiàng)技術(shù)相對(duì)比較復(fù)雜，純水設(shè)備在處理過(guò)程中要對(duì)耐冷菌的分離富集進(jìn)行篩選等。
生物法除氮技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)非常多，目前還有一些問(wèn)題沒(méi)有完全的解決，比較對(duì)于菌種的流回過(guò)程優(yōu)化和控制，多項(xiàng)技術(shù)的結(jié)合最終實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化低溫的生物除氮工藝等，這些除氮技術(shù)方面都可以進(jìn)行優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)最佳的廢水脫氮工藝。
純水設(shè)備