城市垃圾填埋場(chǎng)滲濾液生物脫氮新技術(shù)研究進(jìn)展
現(xiàn)行的城市垃圾處理方式主要有三種：衛(wèi)生填埋、焚燒和堆肥。衛(wèi)生填埋是目前國(guó)內(nèi)外普遍應(yīng)用的主要垃圾處理方法，如美國(guó)的垃圾填埋率為75%，英國(guó)為88%[1-2]，我國(guó)城市垃圾填埋處理量約占全部處理量的70%以上。
滲濾液是垃圾填埋場(chǎng)微生態(tài)系統(tǒng)的主要輸出，它是一種高濃度污水，有機(jī)污染物和無機(jī)污染污的含量均很高[3]，而且隨著石化、食品和制藥等工業(yè)的發(fā)展，以及人民生活水平的不斷提高，城市污水和垃圾滲濾液中氨氮化合物的含量急劇上升，因此，如何去除廢水中的氨氮已成為環(huán)境工作者研究的熱點(diǎn)之一。廢水中氨氮的去除方法有物理法、化學(xué)法和生物法三種，其中生物法脫氮又被公認(rèn)為是一種經(jīng)濟(jì)、有效和最有發(fā)展前途的方法之一。廢水生物脫氮技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展無論是在理論認(rèn)識(shí)上還是在工程實(shí)踐方面，都取得了很大進(jìn)步，并且走向成熟，但在實(shí)踐中仍表現(xiàn)出許多不足，人們?nèi)栽诓粩嘀铝τ诟痈咝、低耗的新生物脫氮技術(shù)的開發(fā)和研究，關(guān)于這方面的技術(shù)研究不斷有新的成果報(bào)道[4-10]。
一、傳統(tǒng)的生物脫氮工藝
傳統(tǒng)生物脫氮途徑一般包括硝化和反硝化兩個(gè)階段，硝化和反硝化反應(yīng)分別由硝化菌和反硝化菌作用完成，由于兩菌對(duì)環(huán)境條件的要求不同，這兩個(gè)過程不能同時(shí)發(fā)生，而只能序列式進(jìn)行，即硝化反應(yīng)在好氧條件下，反硝化反應(yīng)在缺氧或厭氧條件下[11]。由此而發(fā)展起來的生物脫氮工藝大多將缺氧區(qū)和好氧區(qū)分開，形成分級(jí)硝化和反硝化工藝，或在兩個(gè)分離的反應(yīng)器中進(jìn)行，或在時(shí)間上成交替缺氧和好氧環(huán)境的同一個(gè)反應(yīng)器中進(jìn)行，以便硝化和反硝化能夠獨(dú)立進(jìn)行。典型的分容器分級(jí)硝化反硝化工藝[12]充分發(fā)揮了各自的優(yōu)勢(shì)，在廢水脫氮方面起了相當(dāng)重要的作用。
二、生物脫氮技術(shù)的新進(jìn)展
一些現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)突破了傳統(tǒng)理論的認(rèn)識(shí)，為水處理工作者研究新技術(shù)提供了新的理論和思路。近年來的許多研究表明[13-23]：硝化反應(yīng)不僅由自氧菌完成，某些異氧菌也可以進(jìn)行硝化作用；反硝化不只在厭氧條件下進(jìn)行，某些細(xì)菌也可以在好氧條件下進(jìn)行反硝化；而且，許多好氧反硝化菌同時(shí)也是異養(yǎng)硝化菌(如Thiosphaera pantot ropha 菌)，并能把NH4+ 氧化成NO2- 后直接進(jìn)行反硝化反應(yīng)。目前研究較熱的生物脫氮技術(shù)主要有:短程硝化反硝化(shortcut nitrification-denitrification)、同時(shí)硝化反硝化(simultaneous nitrification-denitrification-SND) 和厭氧氨氧化(Anaerobic Ammonium Oxidation-ANAMMOX)。
1.短程硝化反硝化
生物脫氨氮需經(jīng)過硝化和反硝化兩個(gè)過程。當(dāng)反硝化反應(yīng)以NO3-為電子受體時(shí)，生物脫氮過程經(jīng)過NO3-途徑；當(dāng)反硝化反應(yīng)以NO2-為電子受體時(shí)，生物脫氮過程則經(jīng)過NO2-途徑[24-25]。前者可稱為全程硝化反硝化，后者可稱為短程硝化反硝化。過去人們一直認(rèn)為HNO2具有一定耗氧性及毒性，影響受納水體的溶解氧且對(duì)受納水體和人是不安全的，所以應(yīng)盡量避免HNO2的出現(xiàn)，這樣要實(shí)現(xiàn)污水生物脫氮就必須使氨氯經(jīng)歷典型的硝化和反硝化過程。
早在1975年，Voets等[26] 就進(jìn)行了經(jīng)NO2-途徑處理高濃度氨氮廢水的研究，發(fā)現(xiàn)了硝化過程中NO2-積累的現(xiàn)象，并首次提出了短程硝化反硝化生物脫氮的概念。實(shí)現(xiàn)短程硝化反硝化的關(guān)鍵在于將NH4+氧化控制在NO2-階段，阻止NO2-的進(jìn)一步氧化，然后直接進(jìn)行反硝化。因此，如何持久穩(wěn)定地維持較高濃度NO2-的積累及影響 NO2-積累的因素便成為研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)所在。影響NO2-積累的主要因素有溫度、pH、游離氨(FA)、溶解氧(DO)、游離羥胺(FH)以及水力負(fù)荷、有害物質(zhì)和污泥泥齡等，國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者在這些方面做過很好的研究[27～33]。很顯然，與全程硝化反硝化相比，短程硝化反硝化具有如下的優(yōu)點(diǎn) [34.28，31] 。①硝化階段可減少25 %左右的需氧量，降低了能耗。 ②反硝化階段可減少40%左右的有機(jī)碳源，降低了運(yùn)行費(fèi)用。③反應(yīng)時(shí)間縮短，反應(yīng)器容積可減小30%～40%左右。④具有較高的反硝化速率(NO2-的反硝化速率通常比NO3-的高63%左右)。⑤污泥產(chǎn)量降低(硝化過程可少產(chǎn)污泥33%～35%左右，反硝化過程中可少產(chǎn)污泥55 %左右)。⑥減少了投堿量等。因此，對(duì)許多低COD/ NH4+比廢水(如焦化和石化廢水及垃圾填埋滲濾水等) 的生物脫氮處理，短程硝化反硝化顯然具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。老齡垃圾填埋場(chǎng)垃圾滲濾液成分極其復(fù)雜，氨氮濃度高達(dá)幾千，但是可被反硝化細(xì)菌利用的碳源卻很少。所以這么高的氨氮濃度如果要用傳統(tǒng)的硝化反硝化工藝，就要加大量的碳源,這在經(jīng)濟(jì)上是不合算的，短程硝化—反硝化則解決了這個(gè)難題。
2.同時(shí)硝化反硝化
近幾十年來，盡管生物脫氮技術(shù)有了很大的發(fā)展，但是硝化和反硝化兩個(gè)過程仍然需要在兩個(gè)隔離的反應(yīng)器中進(jìn)行，或者在時(shí)間或空間上造成交替缺氧和好氧環(huán)境的同一個(gè)反應(yīng)器中進(jìn)行。傳統(tǒng)的生物脫氮工藝，主要有前置反硝化和后置反硝化兩種。前置反硝化能夠利用廢水中部分快速易降解有機(jī)物作碳源，雖然可節(jié)約反硝化階段外加碳源的費(fèi)用，但是，前置反硝化工藝對(duì)氮的去除不完全，廢水和污泥循環(huán)比也較高，若想獲得較高的氮去除率，則必須加大循環(huán)比，能耗相應(yīng)也增加。而后置反硝化則有賴于外加快速易降解有機(jī)碳源的投加，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生大量污泥，并且出水中的COD 和低水平的DO 也影響出水水質(zhì)[13 ] 。
有此可見，傳統(tǒng)生物脫氮工藝存在不少問題[35] 。①工藝流程較長(zhǎng)，占地面積大，基建投資高。②由于硝化菌群增殖速度慢且難以維持較高的生物濃度，特別是在低溫冬季，造成系統(tǒng)的HRT較長(zhǎng)，需要較大的曝氣池，增加了投資和運(yùn)行費(fèi)用。③系統(tǒng)為維持較高的生物濃度及獲得良好的脫氮效果，必須同時(shí)進(jìn)行污泥和硝化液回流，增加了動(dòng)力消耗和運(yùn)行費(fèi)用。④系統(tǒng)抗沖擊能力較弱，高濃度NH3—N和NO2-廢水會(huì)抑制硝化菌生長(zhǎng)。⑤硝化過程中產(chǎn)生的酸度需要投加堿中和，不僅增加了處理費(fèi)用，而且還有可能造成二次污染等等。然而，近年來發(fā)展的同時(shí)硝化反硝化(SND)工藝就有可能克服上述一些缺點(diǎn)，是一種新型的生物脫氮工藝。
傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為硝化與反硝化反應(yīng)不能同時(shí)發(fā)生，而近年來的新發(fā)現(xiàn)[13-23]卻突破了這一認(rèn)識(shí)，使得同時(shí)硝化反硝化成為可能。近年來好氧反硝化菌和異養(yǎng)硝化菌的發(fā)現(xiàn)以及好氧反硝化、異養(yǎng)硝化和自養(yǎng)反硝化等研究的進(jìn)展，奠定了SND生物脫氮的理論基礎(chǔ)。在SND工藝中，硝化與反硝化反應(yīng)在同一個(gè)反應(yīng)器中同時(shí)完成，所以，與傳統(tǒng)生物脫氮工藝相比，SND 工藝具有明顯的優(yōu)越性，主要表現(xiàn)在: ①節(jié)省反應(yīng)器體積。②縮短反應(yīng)時(shí)間。③無需酸堿中和(微生物硝化過程中好氧、耗堿度、無需COD，而反硝化過程這則與之相反并互補(bǔ)：厭氧、產(chǎn)生堿度、需消耗大量的COD)。其技術(shù)的關(guān)鍵就是硝化與反硝化的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)平衡控制。
目前，對(duì)同時(shí)硝化反硝化生物脫氮的機(jī)理雖然還需有待進(jìn)一步的了解與認(rèn)識(shí)，但縱觀如今的各大觀點(diǎn)，可以從物理學(xué)(微環(huán)境理論)、微生物學(xué)(異養(yǎng)硝化和好氧反硝化菌種理論)兩方面予以闡述和解釋。
微環(huán)境理論主要考慮了活性污泥和生物膜微環(huán)境中各種物質(zhì)(如溶解氧、有機(jī)物等)的傳遞與變化、各類微生物的代謝活動(dòng)及其相互作用，以及微環(huán)境的物理、化學(xué)和生物條件或狀態(tài)的改變等，該理論認(rèn)[36.23，33]：微生物個(gè)體形態(tài)非常微小(一般屬μm級(jí))，因此影響其生存的環(huán)境也很微小，由于外部氧的大量消耗及氧擴(kuò)散的限制，在微生物絮體及生物膜內(nèi)產(chǎn)生溶解氧梯度，絮體或膜的外表面溶解氧較高，以好氧硝化菌為主，深入絮體或膜的內(nèi)部，氧傳遞受阻產(chǎn)生缺氧區(qū)，反硝化菌占優(yōu)勢(shì)，從而導(dǎo)致微環(huán)境的SND。
異養(yǎng)硝化和好氧反硝化菌種的發(fā)現(xiàn)，打破了認(rèn)為硝化反應(yīng)只能由自養(yǎng)菌完成、反硝化只能在厭氧條件下進(jìn)行的傳統(tǒng)觀點(diǎn)，為同時(shí)硝化反硝化提供了微生物的理論依據(jù)。因許多好氧反硝化菌同時(shí)也是異養(yǎng)硝化菌，能直接把NH4+轉(zhuǎn)化為最終氣態(tài)產(chǎn)物而逸出，使同時(shí)硝化反硝化生物脫氮技術(shù)成為可能。
3.厭氧氨氧化
厭氧氨氧化(ANMMOX)是指在厭氧條件下，微生物直接以NH4+為電子供體，以NO3-或NO2-為電子受體，將NH4+、NO3-或NO2-轉(zhuǎn)變成N2的生物氧化過程[21,37,38 ] 。
早在1977年，Broda[39 ]就作出了自然界應(yīng)該存在反硝化氨氧化
(denitrifying ammonia oxidizers)的預(yù)言。1994年，Kuenen等[13 ]發(fā)現(xiàn)某些細(xì)菌在硝化反硝化反應(yīng)中能用NO2-或NO3-作電子受體將NH4+氧化成N2和氣態(tài)氮化物。1995年，Mulder和Vandegraaf 等[21]用流化床反應(yīng)器研究生物反硝化時(shí)，發(fā)現(xiàn)了氨氮的厭氧生物氧化現(xiàn)象，從而證實(shí)了Broda的預(yù)言。我國(guó)學(xué)者鄭平等[40-42] 對(duì)厭氧氨氧化菌的基質(zhì)特性、厭氧氨氧化的電子受體及流化床反應(yīng)器的性能等進(jìn)行深入的研究。王建龍[35，38]對(duì)厭氧氨氧化反應(yīng)及工藝也給予了較多的關(guān)注和探討。周少奇等[43]從生化反應(yīng)電子流守衡原理出發(fā)，推導(dǎo)了厭氧氨氧化反應(yīng)的生化反應(yīng)計(jì)量程式，從理論上證明并指出: ①厭氧氨氧化需一定量的CO2作碳源，這說明ANAMMOX過程是在自養(yǎng)微生物作用下完成的。②ANAMMOX反應(yīng)以NH4+作為細(xì)胞合成的氮源時(shí)，需要消耗一定量的堿度。 ③所有ANAMMOX反應(yīng)都有H+產(chǎn)生，所以，反應(yīng)過程會(huì)出現(xiàn)pH降低的現(xiàn)象。④微生物可以氨氮或硝態(tài)氮作為細(xì)胞合成的氮源兩種可能。
在厭氧氨氧化反應(yīng)的基礎(chǔ)上，正在開發(fā)的有關(guān)脫氮工藝有ANAMMOX 工藝和OLAND 工藝兩種。與傳統(tǒng)的硝化反硝化工藝或同時(shí)硝化反硝化工藝相比，氨的厭氧氧化具有不少突出的優(yōu)點(diǎn)。主要表現(xiàn)在: ①無需外加有機(jī)物作電子供體，既可節(jié)省費(fèi)用，又可防止二次污染。②硝化反應(yīng)每氧化1molNH4+耗氧2mol，而在厭氧氨氧化反應(yīng)中， 每氧化1molNH4+只需要0.75mol氧，耗氧下降62.5 %(不考慮細(xì)胞合成時(shí))，所以，可使耗氧能耗大為降低。③傳統(tǒng)的硝化反應(yīng)氧化1molNH4+可產(chǎn)生2molH+，反硝化還原1molNO3-將產(chǎn)生 1molOH-，而氨厭氧氧化的生物產(chǎn)酸量大為下降，產(chǎn)堿量降至為零，可以節(jié)省可觀的中和試劑。故厭氧氨氧化及其工藝技術(shù)很有研究?jī)r(jià)值和開發(fā)前景。但因厭氧氨氧化是在高濃度條件下研究開發(fā)的，因此低氨濃度條件下的有待進(jìn)一步研究。
厭氧氨氧化工藝的提出至今已十余年了，但還未能在生物脫氮工程實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用，主要存在以下原因[44]。①厭氧氨氧化菌增殖速度慢且難以維持較高生物濃度，因此造成系統(tǒng)總水力停留時(shí)間較長(zhǎng)，有機(jī)負(fù)荷較低，增加了基建投資和運(yùn)行費(fèi)用。②系統(tǒng)為維持較高生物濃度及獲得良好的脫氮效果，要同時(shí)進(jìn)行硝化液回流，增加了動(dòng)力消耗及運(yùn)行費(fèi)用。③厭氧氨氧化菌對(duì)操作條件的變化敏感抗沖擊能力弱。④在厭氧氨氧化反應(yīng)中，如氨和亞硝酸鹽同時(shí)存在，對(duì)厭氧氨氧化菌具有抑制作用。⑤厭氧氨氧化菌容易被洗出。
參考文獻(xiàn)略
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