简述低温条件下污水生物脱氮处理研究进展.docx
- 文档编号:1629844
- 上传时间:2023-05-01
- 格式:DOCX
- 页数:6
- 大小:19.91KB
简述低温条件下污水生物脱氮处理研究进展.docx
《简述低温条件下污水生物脱氮处理研究进展.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《简述低温条件下污水生物脱氮处理研究进展.docx(6页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
简述低温条件下污水生物脱氮处理研究进展
简述低温条件下污水生物脱氮处理研究进展
本文从网络收集而来,上传到平台为了帮到更多的人,如果您需要使用本文档,请点击下载按钮下载本文档(有偿下载),另外祝您生活愉快,工作顺利,万事如意!
当前,生活污水、工业废水以及农业非点源污染所带来的氮素污染使我国水体富营养化情况日益严重,由此引发的水环境问题给人民正常生产生活带来极大危害。
一般来说,生物脱氮是最常用的处理方法,但是我国东北地区冬季气候十分寒冷,污水平均温度一般约为10℃,与硝化及反硝化功能菌群的适宜生长温度相差较大,导致冬季生物脱氮处理效果下降乃至无法达标。
如何保持低温环境下生物脱氮的高效稳定运行是当前脱氮研究的热点与难点。
1低温污水生物脱氮研究进展
为保证污水处理低温条件稳定运行,工程应用中多采用改善构筑物保温效果、增大水力停留时间、降低污泥负荷、增加填料厚度或结合物理、化学法脱氮等措施。
然而,这些手段将大幅增加污水处理设施的基建费用与运行费用,造成严重的经济负担,所以上述方法并非最佳选择。
借用哲学视角思考,生物脱氮过程的微观主体是微生物,而运行工艺是其宏观体现,微生物和运行工艺的有机结合使得生物脱氮变成一个复杂而高效的过程,因此工程技术人员也应从低温微生物强化和低温工艺优化这两方面入手从而根本解决这一困扰。
1.1低温微生物强化
微生物是生物脱氮的参与主体,如何实现低温下功能微生物活性的提升和生物量的增加是低温微生物强化研究的根本问题。
低温微生物强化是指通过人工筛选、富集和驯化得到耐冷微生物单菌或混合菌群,研究其脱氮特性,制成生物菌剂以一定形式投入目标环境,改善功能微生物的活性及生物量,最终实现污水处理系统低温正常启动及稳定运行,其中生物固定化投加因可避免微生物大量流失,已逐渐成为工程应用的重要手段。
随着研究的进行,一些新型微生物如氨氧化古细菌(AOA)、异养硝化-好氧反硝化细菌等也逐渐被人们所关注。
1.1.1低温微生物
根据生长温度上限与最适生长温度的不同,可将低温微生物分为嗜冷菌和耐冷菌。
嗜冷菌是指温度低于0℃时能缓慢生长,最适生长温度低于15℃,高于20℃则不能生长的一类微生物;耐冷菌是指在0℃能够生长良好,但最适生长温度在20~30℃之间的一类微生物。
低温微生物因其自身特殊的冷适应调节机制而能在低温环境中良好生长,该机制主要通过膜内脂类组成变化、冷休克应激反应、低温酶调节、DNA转录与翻译调整及低温蛋白合成等手段来适应低温环境,表现出低温下的良好生存能力。
相比于嗜冷菌,耐冷菌从常温到不稳定的低温环境中均可分离得到,其生态分布也比嗜冷菌广泛,因而更适合于污水生化处理。
1.1.2耐冷菌强化研究
耐冷菌因在低温下具有良好的生长与代谢性能而成为低温微生物强化的重要参与者。
正常情况下耐冷菌在系统中数量较少,需要研究人员进行人工分离、筛选与鉴定,并将其投加系统形成耐冷菌强化或对微生物进行低温驯化使其适应低温环境。
当前国内研究主要集中在耐冷菌筛选驯化与特性研究以及耐冷菌固定化投加等方面,如王小菊等通过选择培养基筛选分离出一株高效硝化细菌N4,其硝化速率可达到(52±3.5)mg/(L·d),并在15℃下对其成功完成低温驯化。
李军等筛选分离得到一株具有高效降解硝态氮的耐冷反硝化菌Y2,NO-3-N浓度为300mg/L时,其去除率可达99.8%,适用于低温硝酸盐废水的治理。
直接投加耐冷菌存在容易流失、菌株生存能力差等缺点,因此将耐冷菌固定化后投加成为实验研究与工程应用的重要手段之一。
贲岳等采用聚氨酯泡沫作为载体材料固定高活性耐冷菌,将其用于内循环复合生物反应器处理低温污水。
研究表明该工艺低温环境下出水效果良好,各项指标均可达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918—2002)一级B标准,解决了冬季水温低出水难以达标排放的难题。
张雷等通过低温驯化培养活性污泥,从中分离出高效耐冷硝化菌群,采用包埋固定化生物强化技术构建了耐低温硝化细菌,并对其脱氮效果进行了研究。
结果表明:
固定化硝化细菌低温下可去除60%的氨氮,脱氮效果远高于低温污泥。
其原因在于固定载体内硝化细菌数量大,而低温污泥中硝化细菌很难成为优势菌群。
李思强等采用投加聚氨酯固定化耐低温硝化细菌以保证低温下倒置A2/O工艺顺利进行,研究结果表明:
较大的生物量是保证低温污水处理达标的重要前提,同时固定化硝化细菌对低温的耐受性要高于未经固定化的硝化细菌,保证了低温下系统的脱氮效果;此外低温限制了反硝化的进行,导致水体中NO-3积累,影响低温下系统的除磷效果。
综上,耐冷菌固定化具有保持高生物量、固液分离效果好、对低温耐受性强等优点,在今后研究与应用中应将固定化与高效耐冷菌株筛选驯化结合,共同用于低温污水处理。
1.1.3氨氧化微生物研究
氨氧化微生物包括氨氧化细菌(AOB)和氨氧化古细菌(AOA),它们在湿地水质自净与氮循环中发挥着重要作用。
A.Sims等通过分子生物学手段考察了人工湿地中氨氧化微生物的组成与丰度及其群落变化,研究表明人工湿地AOA的丰度随季节变化不大,而AOB对温度变化更为敏感,故氨氮去除率变化与AOB丰度的季节性变化关系密切。
因此,AOB是人工湿地处理中氨氧化阶段的主要参与者。
A.Sims等还采用qPCR技术和特异性引物针对amoA基因,考察了三个淡水湿地中AOA与AOB的时空分布。
研究表明,湿地土壤的硝化能力范围为1.4~4μg/(g·d);氨氮浓度是湿地中AOA和AOB种群的主要影响因素;AOB较之AOA对于低温更加敏感,而AOA在贫营养条件的湿地中比AOB具有更强的抵抗力和更高的丰度值,而AOA的amoA基因片段与AOB的amoA基因片段的比例可作为湿地条件评估和湿地修复应用的一种新的生物指示标志。
1.2低温脱氮工艺优化
低温脱氮工艺优化包含两方面主要内容,一方面是对基于自养好氧硝化-异养厌氧反硝化理论的传统脱氮工艺进行参数优化和工序创新,例如通过延长污泥龄、降低污泥负荷或调整厌氧、缺氧工序等手段改善工艺低温脱氮效果。
另一方面,对一些结合新型生物脱氮理论的工艺进行研究并工程示范,包括基于短程硝化反硝化理论的SHARON工艺、基于厌氧氨氧化理论的ANAMMOX工艺,以及短程硝化+厌氧氨氧化结合的自养脱氮理论如氧限制自养型硝化反硝化OLAND工艺与基于亚硝酸盐全自养脱氮CANON工艺等。
①基于自养好氧硝化-异养缺氧反硝化理论的传统脱氮工艺优化当前我国污水处理厂多采用基于自养好氧硝化-异养缺氧反硝化理论的常规脱氮工艺。
根据郭静波对东北三省13个重点城市的32座典型城市污水处理厂进行调查总结,东北地区污水处理厂采用的工艺以A/O工艺和SBR工艺(含CAST等变种工艺)为主,分别占36%和25%,其次是生物膜工艺(15%)和自然生物处理工艺(9%)。
②短程硝化反硝化理论低温脱氮研究短程硝化反硝化工艺因缩短了反应历程,在硝化段可减少高达25%的氧气消耗量,在反硝化段可减少40%的碳源需求,大幅降低运行费用,其中SHARON工艺是该理论的代表之一。
然而,低温条件下氨氧化细菌(AOB)生长速率低于亚硝酸盐氧化细菌(NOB),系统无法完成对NOB的自然淘汰,并导致亚硝酸盐无法积累,使得该工艺受到严重抑制,低温条件下如何运行短程硝化反硝化工艺成为研究热点。
实时自动控制对于优化短程硝化反硝化工艺有重大作用(中试规模的城市污水常温、低温短程硝化反硝化),常用参数包括pH值、氧化还原电位ORP、溶解氧DO和耗氧速率OUR等。
Q.Yang等以pH值作为主要参数,利用实时控制系统运行SBR反应器,探索了常温与低温下短程硝化反硝化的运行效果。
在11.9~26.5℃范围内,反应器成功启动并稳定运行180天,亚硝酸盐积累率平均为95%。
FISH技术分析表明,AOB成为反应器中优势种群,污泥微生物种群结构得到优化,实现了低温下短程硝化反硝化的稳定长期运行。
J.H.Guo等考察了低温对短程硝化反硝化SBR反应器的影响并认为氨氧化速率随着温度的降低而下降,但采用逐渐降低水温的方式,15℃时亚硝酸盐积累比例仍可达到90%以上;同时温度越低,氨氧化速率对温度变化越敏感。
周德钧等在环境温度下进行了短程硝化的低氧启动与维持,实现了亚硝氮的积累与AOB的优势生长,随后利用季节温度变化实现了AOB自适应低温驯化,实现了13℃水温下亚硝氮的较高积累率。
③厌氧氨氧化理论低温脱氮研究
厌氧氨氧化工艺(ANAMMOX)因具有较高效率与节约能耗的优点成为目前研究热点之一,但其较长的启动期与对运行温度的严格要求使其具有一定局限性。
一般来讲,厌氧氨氧化细菌在30℃左右时有较好的生长速率,所以此前研究多集中于水温在30℃左右及氨氮浓度较高的条件下,而对厌氧氨氧化工艺在低温条件和低浓度废水处理等方面研究较少。
有研究表明,在ANAMMOX工艺启动期可采用高温运行,而随后应采用温度逐渐降低的方式令系统适应常温乃至低温。
J.Dosta等研究了温度变化对ANAMMOX工艺运行效果的短期与长期影响,并对ANAMMOX工艺在低温环境下运行的可行性进行了分析。
通过逐渐降低温度,厌氧氨氧化SBR反应器在18℃下可成功运行;当温度下降为15℃,系统最大处理能力因受到亚硝酸盐积累而随之下降并处于不稳定状态。
根据实验观察,微生物群体对于低温展现一定适应性,但是反应器运行期间污泥物理性质和微生物种群数量都未发生改变。
为了保持较高的氮负荷率,较好的污泥停留效果和较低的水力停留时间是重要的运行条件。
TimL.G.Hendrikx等[39]将少量厌氧氨氧化颗粒污泥工艺接种于4.5L的气提式反应器,并在20℃下连续运行处理含氮废水长达253d。
其进水浓度约为(69±5)mg(NH+4+NO-2)-N/L,水力停留时间最低仅为5.3h,氮负荷率可达0.31mgN/(L·d),出水指标可达到0.03~0.17mg(NH+4+NO-2)-N/L。
反应器中厌氧氨氧化生物量分别以颗粒污泥(54%)和反应器壁上附着生物膜(46%)形式存在。
其出水效果良好,直接厌氧处理与自养脱氮的结合也可产生沼气等生物能源,使其成为城市污水处理厂高效节能运行的一种选择。
2问题与展望
低温下污水生物脱氮研究已取得一定成果,但是仍存在以下问题:
①研究规模多为实验室小试,缺少中试乃至实际规模设施的运行数据积累;②研究工艺多集中在SBR、A2/O等少数类型,缺乏其他工艺如MBR等的深入研究;③研究对象基本集中在生活污水或以生活污水为主的城镇市政污水,缺少对工业废水或垃圾渗滤液等高浓度氨氮废水的实验研究;④研究模式多为单个工艺或单菌的效果研究,缺少多工艺组合或多菌种“协同作战”效果研究;⑤研究成果缺乏实际应用,无法完成从实验室成果到工程现场的“关键转化”。
将实验室成果成功应用转化到实际工程,这一目标的实现是对研究的科研价值和社会价值进行双重肯定。
工程中可广泛应用耐冷微生物以实现低温微生物强化的目的,同时应研究工艺优化对微生物的影响,将工艺调控的机制研究透彻,更好地指导工程应用,并充分利用基因工程等多学科手段;此外,可结合数学模型建立与模拟预测手段用于低温生物脱氮研究。
本文从网络收集而来,上传到平台为了帮到更多的人,如果您需要使用本文档,请点击下载按钮下载本文档(有偿下载),另外祝您生活愉快,工作顺利,万事如意!
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 简述 低温 条件下 污水 生物 处理 研究进展