好氧顆粒污泥工藝強(qiáng)化脫氮研究進(jìn)展

隨著社會與工業(yè)發(fā)展對氮素需求量的急劇增加，大量含氮化合物隨工業(yè)廢水、養(yǎng)殖廢水、生活污水、農(nóng)業(yè)徑流等進(jìn)入河流、湖庫、海洋，造成環(huán)境水體水質(zhì)惡化和水體富營養(yǎng)化，嚴(yán)重影響水生生態(tài)環(huán)境和人畜飲水安全[1-2].  目前，污水處理廠普遍采用缺氧-好氧法(Anoxic/Oxic，A/O)、厭氧-缺氧-好氧法(Anaerobic-Anoxic-Oxic，A2/O)、氧化溝及序批式活性污泥法(Sequencing  batch reactor activated sludge  process，SBR)等脫氮工藝，上述工藝在進(jìn)水高氨氮條件下極易發(fā)生硝化抑制[3-4]、亞硝酸鹽積累[5-6]等問題，加上硝化反硝化微生物生長極其緩慢、出水總氮標(biāo)準(zhǔn)日益提高，強(qiáng)化生物脫氮新工藝研發(fā)迫在眉睫。

pH做為基本的污水指標(biāo)，勢必成為供求的熱點，這對廣大的E-1312 pH電極制造商，比如美國BroadleyJames來說是個重大利好。美國BroadleyJames做為老牌的E-1312 pH電極制造商，必將為中國的環(huán)保事業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。我們美國BroadleyJames生產(chǎn)的E-1312 pH電極經(jīng)久耐用，質(zhì)量可靠，測試準(zhǔn)確，廣泛應(yīng)用于各級環(huán)保污水監(jiān)測以及污水處理過程。

目前，生物脫氮 新技 術(shù)主要有短程硝化反硝化 工藝(Single reactor for high activity ammonia removal over  nitrite，SHARON)、厭氧氨氧化工藝(Anaerobic ammonium oxidation，ANA  MMOX)、限氧自養(yǎng)型硝化反硝化工藝(Oxygen limited autotrophic nitrification denitrification， O L  A N D)以及同步硝化反硝化 工藝(S i m u l t a n e o u snitrification denitrification，SND)，其雖較傳統(tǒng)生物脫氮工藝具有經(jīng)濟(jì)性能好、脫氮效率高等明顯優(yōu)勢，但仍存在一定的應(yīng)用瓶頸.

SHARON中長久穩(wěn)定地維持NO2-積累的途徑還有待探索;ANAMMOX啟動較慢，厭氧氨氧化菌(Anammox，AMX)對水質(zhì)條件敏感;OLAND面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)是自養(yǎng)型亞硝酸細(xì)菌的活性較低;SND由于生物絮體微缺氧區(qū)的形成往往不穩(wěn)定，難保證出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo).

近 20年來，好氧顆粒污泥因其致密的結(jié)構(gòu)、良好的沉降性能、耐沖擊負(fù)荷能力和多功能菌群成為廢水生物處理的新興技術(shù)[7]，研究者對好氧顆粒污泥形成機(jī)制、影響因素、菌群結(jié)構(gòu)等開展了大量研究[8-10].  此外，好氧顆粒污泥與上述生物脫氮新技術(shù)的結(jié)合在廢水生物處理中也呈現(xiàn)出明顯的技術(shù)優(yōu)勢和良好的應(yīng)用前景.

針對目前城鎮(zhèn)污水等碳氮比低、出水總氮達(dá)標(biāo)壓力大等突出問題，本文綜述基于好氧顆粒污泥的全自養(yǎng)、同步硝化反硝化、短程硝化反硝化、短程硝化-厭氧氨氧化、異養(yǎng)硝化-好氧反硝化等強(qiáng)化脫氮工藝，介紹其脫氮機(jī)制及技術(shù)優(yōu)勢，同時分析進(jìn)水基質(zhì)組成、運行條件(溶解氧濃度、溫度和pH)、運行模式等對好氧顆粒污泥工藝強(qiáng)化脫氮與穩(wěn)定運行的影響，最后對好氧顆粒污泥強(qiáng)化脫氮工藝研發(fā)與技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行展望，為好氧顆粒污泥脫氮工藝性能優(yōu)化及微生物菌群功能與機(jī)理研究提供參考.

1 好氧顆粒污泥強(qiáng)化脫氮工藝

1.1 全自養(yǎng)硝化顆粒污泥工藝

硝化細(xì)菌生長速率緩慢、生物產(chǎn)量低且對環(huán)境條件極為敏感，很難長期大量持留在反應(yīng)體系內(nèi)，這使得硝化反應(yīng)成為生物脫氮的限制性步驟.  自養(yǎng)硝化顆粒污泥的形成使硝化微生物以聚集體的形式持留在反應(yīng)器內(nèi)，提高體系內(nèi)硝化污泥濃度，進(jìn)而促進(jìn)硝化反應(yīng)進(jìn)程，在處理高氨無機(jī)廢水方面具有良好的應(yīng)用前景.

然而，由于自養(yǎng)型的硝化細(xì)菌生長緩慢且胞外多糖產(chǎn)量低，細(xì)胞間的黏附作用差，較難形成生物聚集體，國內(nèi)外學(xué)者在強(qiáng)化自養(yǎng)硝化污泥顆粒化方面進(jìn)行了大量研究.  縮短硝化顆粒污泥培養(yǎng)時間的方式主要分為兩種：一是調(diào)控顆粒培養(yǎng)的運行條件，二是增加促進(jìn)細(xì)胞間粘附的外部因素.

Tay等在SBR中研究了水力選擇壓(SBR運行周期)對硝化顆粒污泥形成的影響，結(jié)果表明采用較長運行周期時間(12  h)的反應(yīng)器由于水力選擇壓較弱無法形成硝化顆粒污泥，而較短的運行周期(3 h)導(dǎo)致硝化污泥被大量洗出，同樣使得硝化污泥顆粒化失敗，周期為6 h和12  h的運行條件下，兩周后成功培養(yǎng)出粒徑0.25 mm、比重1.014的硝化顆粒污泥[11].

合適的水力選擇壓能夠刺激微生物活性、促進(jìn)增強(qiáng)細(xì)胞間粘附性的胞外多糖產(chǎn)生、增加細(xì)胞表面疏水性，進(jìn)而促進(jìn)硝化顆粒污泥的形成.  Tsuneda等亦通過逐步縮短水力停留時間進(jìn)而強(qiáng)化水力選擇壓的方式在連續(xù)流好氧流化床反應(yīng)器內(nèi)成功培養(yǎng)出粒徑350 μm的硝化好氧顆粒污泥[12].

Chen等采取短的初始沉降時間和快速增加氨氮負(fù)荷的方法顯著強(qiáng)化了體系生物選擇壓，實現(xiàn)了硝化顆粒污泥的快速培養(yǎng)，55 d內(nèi)進(jìn)水氨氮濃度從 200 mg/L增加到1  000 mg/L，污泥容積指數(shù)(Sludge volume index，SVI)從92 mL/g下降到15 mL/g，顆粒平均粒徑從106 μm增加到369  μm [3]. 因此，通過調(diào)控反應(yīng)器運行條件來強(qiáng)化體系內(nèi)水力選擇壓和生物選擇壓的方式能夠明顯加快硝化污泥顆粒化進(jìn)程.

為減少自養(yǎng)硝化顆粒污泥反應(yīng)器啟動時間，外部促進(jìn)因素亦是一種強(qiáng)化方式.  Wang等應(yīng)用穩(wěn)恒磁場來促進(jìn)含鐵聚合物的積累進(jìn)而在增強(qiáng)污泥沉降性能同時刺激胞外多聚物的產(chǎn)生，以此來促進(jìn)污泥絮凝團(tuán)聚形成顆粒，反應(yīng)器運行 25  d即獲得致密緊實的硝化顆粒 [13].  Li等向自養(yǎng)硝化污泥體系中投加群體感應(yīng)信號分子N-酰基高氨酸內(nèi)酯，以加快生物量增長速率，促進(jìn)微生物活性和胞外蛋白的產(chǎn)生量，促進(jìn)了硝化細(xì)菌間的吸附和聚集，進(jìn)而實現(xiàn)硝化污泥的快速顆粒化[14].

1.2 同步硝化反硝化顆粒污泥工藝

同步硝化反硝化顆粒污泥工藝是基于顆粒污泥致密結(jié)構(gòu)和較大粒徑所形成的梯級溶氧環(huán)境特征，外部好氧-內(nèi)部缺氧的分層結(jié)構(gòu)使得功能微生物分區(qū)定殖[15]，研究者們應(yīng)用熒光原位雜交技術(shù)(Fluorescence  in situ hybridization，FISH)和微電極等方法對好氧顆粒污泥內(nèi)部菌群分布進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)氨氧化菌(Ammonia oxidizing  bacteria，AOB)、亞硝酸鹽氧化菌(Nitrite oxidizing  bacteria，NOB)可與異養(yǎng)菌共存于好氧顆粒污泥中，其中顆粒外層70-100 μm處主要分布氨氧化菌Nitrosomonas  sp.，其內(nèi)層為亞硝酸鹽氧化菌Nitrobacter sp.和Nitrospira sp.，硝化反應(yīng)主要發(fā)生在顆粒表層300 μm內(nèi)，而距表面800-900  μm處則以兼性菌Rhodocyclaceae bacterium 和Paracccus marcusii以及厭氧菌Bacteroides  sp.為主[16]，顆粒內(nèi)部多樣化菌群可實現(xiàn)功能耦合，完成同步硝化反硝化脫氮。