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废水生物脱氮技术

2021-09-06 16:32:53
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1、水体中氮元素的危害

  近几年以来,人类的生产活动一直不断的向水体排放大量的含氮化合物,给地球水环境造成了极大的污染。含氮污染物分为无机氮以及有机氮。无机氮:NH4+-N、NO3--N和NO2--N,主要来自城市生活污水经污水处理厂的常规工艺处理之后排放的废水、冶金工业排放的焦化废水以及制肥厂产生的工业废水。有机氮:有机碱、尿素、蛋白质等,主要来自食品饮料加工行业、印染工业、制革工业及农业生产过程中农药的流失以及牲畜的排泄物。氮污染的危害如下:

  1.1 水体富营养化

  植物和藻类的生长离不开营养物质。在自然水体中,它们的生长经?;崾艿降睾土自氐南拗?。当氮元素随着污水的排入而不断进入水体,就会引起水体的富营养,导致水生植物以及藻类过度繁殖,然后因此产生一系列的不良后果。

  (1)一方面,某些藻类自身带的腥味就能使水质变恶劣并使水体腥臭难闻;另一方面,某些藻类本身含有的蛋白质毒素就会在水生物体内积累,并经过食物链危害人类的健康,更甚导致人中毒。

  (2)水生植物以及藻类大量的繁殖,覆盖水体,从而极大的影响江河湖泊的观赏价值。

  (3)如果以富营养化的水体作为水源,藻类就会堵塞住自来水厂的滤池影响生产;其含有的毒素和气味物质会使饮用水的质量受到影响。

  根据资料,2011年我国地表水污染势态严重,NH4+-N是黄河水系、长江水系、珠江水系、辽河水系主要污染指标的其中之一,主要的湖泊、水库等富营养化问题非常严重。因为富营养化后水体溶氧量会减少,藻类会加速繁殖,导致水体变黑发臭,致使水体中鱼、虾等水产的正常繁殖和生长遭受影响,就会降低江河湖泊等的观赏性和利用价值。

  1.2 威胁人类和水生动物的健康

  水体中氮污染会给人类和水生生物的健康产生危害。一方面,因为水体中的亚硝酸盐会与人和动物血液中具有氧气传送功能的血红蛋白反应,将血红蛋白分子中的Fe2+氧化成Fe3+,抑制了氧的传输能力,导致组织缺氧、神经麻痹乃至窒息死亡。水体里的硝酸盐如果由于硝酸盐还原菌的作用生成亚硝酸盐或与胺、酚氨、氰胺等物质产生共同作用从而形成高度“三致”(致癌、致畸变、致突变)物质,对人类的健康造成严重影响。另一方面,富营养化导致藻类急剧繁殖,某些藻类自身的毒素在水产体内富集后,会经过食物链导致人类中毒。

  1.3 增加水处理成本

  如果用Cl2来处理水体中的NH4+-N,NH4+-N每增加1g,Cl2量则需增加8~10g。若利用其他化学法处理,必然会增加相应化学试剂的投加量。若果氨与含铜成分的设备相接触,会与铜表面的纯化层形成铜氨络离子,从而加快设备的腐烛速度,造成经济上的损失。

  2、生物脱氮技术概述

  自上世纪60年代起,陆陆续续产生了许多有效的污水脱氮的方法,其中有化学中和法、化学沉淀法、氨空气吹脱法、蒸汽汽提法、选择性离子交换法、折点氯化法等的物化法和生物硝化反硝化脱氮的生物脱氮法。物化脱氮法工艺繁复、资金投入大,以至于很难推广投产,生物脱氮技术的适用范围最广,成本及运转投入最低,操作简便也不会产生再次污染,污水达标排放可能性强,所以更加受到青睐。目前,生物脱氮技术主要有:

  2.1 硝化反硝化脱氮工艺

  传统的硝化反硝化脱氮工艺通过硝化过程使氨氮转化为NO3--N,然后通过反硝化过程使NO3--N还原为N2,以达到降低处理水质中总氮质量浓度的目的。

  硝化反应的亚硝酸化和硝酸化两个阶段是由不同的微生物来完成的,硝化反应的亚硝酸化阶段主要是由氨氧化菌完成,主要有Nitrosomonas、Nitrosospira、Nitrosococcu等,发生的亚硝化反应为:

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  硝化反应的硝酸化阶段主要是由亚硝酸氧化菌完成,主要有Nitrobacter、Nitrospira等,发生的硝酸化反应为:

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  而如果是短程硝化反硝化,氮的转化过程为:NH4+→HNO2→N2。NO2-不再转化为NO3-而直接转化为N2,从而实现对污水中氮的去除。然而在实际应用或已有研究中发现NO2-很容易被氧化变成NO3-,这就难以实现短程硝化反硝化。

  2.2 同步硝化反硝化技术

  同步硝化反硝化过程是指在没有特殊单独设置缺氧区的活性污泥法处理系统内TN被大量去除的过程。对该工艺的解释主要有两种:一是装置中DO分布不均理论,该理论认为装置中在不同空间和不同时间点上充氧不平均,混合不匀称,装置内有不同部分的缺氧区以及好氧区,这使得硝化以及反硝化作用能实现一起进行;二是缺氧微环境理论,解释说明了在生物絮体颗粒尺寸足够大的条件下,从絮体表面到它内核的不同层面上,氧的传输得到阻碍,以至于氧的含量分布不平均,微生物絮体的外层氧的含量较高,是因为好氧硝化菌在硝化反应的过程中,里面含量较低而形成缺氧区域,大部分是为反硝化菌进行反硝化反应,这样硝化和反硝化就可以同时进行。

  同步硝化反硝化有如下优点:

  (1)减少反应器体积,投资小;

  (2)pH值处于7左右,所以不用另外投加酸或者碱,此情况对硝化细菌和反硝化细菌发挥作用有帮助。

  2.3 短程硝化-反硝化脱氮技术

  硝化-反硝化生物脱氮技术相较于传统的脱氮方法,本质上的区别是在硝化阶段只将NH4+-N氧化为亚硝酸盐氮,接着就直接进入反硝化阶段,技术重点是必须妥当的维持NO2--N的积累,经短程过很多实验研究,研究人员最终找到了能够通过控制pH实现NO2--N的累积。国内高大文等在28℃的情况中启动装置脱氮,通过调节装置里初始pH到7.8~8.7之间累积NO2--N,不到一个月NO2--N的累积率达到90%左右,成功实现了短程硝化反硝化生物脱氮工艺的正常运转。

  硝化生物脱氮工艺的正常运转。此工艺在曝气过程就能节省1/4因供氧而用掉的能源,在反硝化阶段能够省下40%的有机碳源,同时还有产生污泥少和占地面积小等优势,相较于老旧的生物脱氮工艺有利方面明显,在污水脱氮中得到大量应用。

  2.4 好氧反硝化脱氮技术

  对好氧反硝化生物脱氮的机制研究现在有微环境理论以及生物学理论两种理论。如今,微环境理论得到普遍的认可。微环境理论重点是站在物理学层面进行说明。因为受制于氧扩散作用,在微生物絮体内形成了DO梯度,以至于总体环境为好氧,而絮体内部的小环境为厌氧的反硝化。微生物絮体外层DO浓度偏高,主要是好氧异养菌、好氧硝化菌;深入絮体内层,氧传输受限,同时有机物氧化、硝化作用需要许多氧,絮体内部变成了缺氧区,占优菌种为反硝化菌。恰恰因为微生物絮体内缺氧微环境的形成,所以引起好氧反硝化的进行。把曝气池里DO保持在低水平状态,就有希望能使缺氧或者厌氧微环境比重上升,最终使反硝化作用得以实现。

  2.5 CRI系统脱氮技术

  人工快速渗滤系统(简称CRI系统)是一种新型污水生态治理技术,是建立在快渗系统(RI)的基础上,CRI系统是针对受污染的地表水和小城镇生活污水的污水处理生态工程技术,正成为国内研究和应用的热点。CRI系统根据渗滤介质以及介质上繁殖的微生物对水中污染物质的吸附、截留以及分解,达到污水净化的效果,CRI系统特殊的结构以及进水形式,因此渗滤介质表面的微生物菌相多种多样,根据进水周期的改变,渗滤介质表面兼具好氧、兼氧、厌氧的功能,实现对污水的处理,同时,在处理过程中完全不用添加药剂,也不会用到机械曝气等大耗能设备,很大程度减少处理设施的投资和运行资金,为低耗高效的污水生态处理技术。具有占地面积相对传统土地处理技术较小,工艺过程相对简单,投入资金低,运行成本低等特点,对我国小城镇生活废水和受到污染的地表水处理具有明显优势和重要的应用价值。

  3、生物脱氮技术存在的主要问题及展望

  目前,生物脱氮技术大多相关机理研究还不够深入,大多工艺技术依然处于实验室。在未来的发展过程中,应重点注意以下几个方面:

  (1)传统的硝化反硝化脱氮工艺在实际应用或已有研究中发现NO2-很容易被氧化变成NO3-,这就难以实现短程硝化反硝化。因此,要想实现短程硝化反硝化NO2-直接转化为N2就必须使CRI系统内维持较高浓度的NO2-,如何控制各个因素使NO2-较高浓度的累积成为研究的重点。

  (2)现今在好氧反硝化的应用上,不管是根据宏观环境理论或者是微环境理论来说明,依然无法丢掉传统的好氧厌氧生物脱氮模型,往往所讲的反硝化,本质中依然是缺氧微环境中的反硝化,难以称为绝对意义上的好氧反硝化,无法展现出好氧反硝化工艺的优点。另外,现今筛选出的好氧反硝化菌大多数功效低下,往往只能在DO在2mg/L之下的情况中表现出反硝化活性。在我国,好氧反硝化的研究刚刚起步,但是优势明显,肯定会成为未来污水生物脱氮的研究重点。

  (3)CRI系统脱氮技术对总氮(TN)、总磷(TP)的去除率较低,对TN的去除率为10%~30%,对TP的去除率为30%~55%,不能达标排放。若基于此研究CRI系统的好氧反硝化机理,研究成果能丰富和拓展人工快速渗滤系统生态工程处理污水技术,具有十分重要的学术价值和科学意义。

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