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廢水生物脫氮技術

2021-09-06 16:32:53
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1、水體中氮元素的危害

  近幾年以來,人類的生產活動一直不斷的向水體排放大量的含氮化合物,給地球水環境造成了極大的污染。含氮污染物分為無機氮以及有機氮。無機氮:NH4+-N、NO3--N和NO2--N,主要來自城市生活污水經污水處理廠的常規工藝處理之后排放的廢水、冶金工業排放的焦化廢水以及制肥廠產生的工業廢水。有機氮:有機堿、尿素、蛋白質等,主要來自食品飲料加工行業、印染工業、制革工業及農業生產過程中農藥的流失以及牲畜的排泄物。氮污染的危害如下:

  1.1 水體富營養化

  植物和藻類的生長離不開營養物質。在自然水體中,它們的生長經常會受到氮元素和磷元素的限制。當氮元素隨著污水的排入而不斷進入水體,就會引起水體的富營養,導致水生植物以及藻類過度繁殖,然后因此產生一系列的不良后果。

  (1)一方面,某些藻類自身帶的腥味就能使水質變惡劣并使水體腥臭難聞;另一方面,某些藻類本身含有的蛋白質毒素就會在水生物體內積累,并經過食物鏈危害人類的健康,更甚導致人中毒。

  (2)水生植物以及藻類大量的繁殖,覆蓋水體,從而極大的影響江河湖泊的觀賞價值。

  (3)如果以富營養化的水體作為水源,藻類就會堵塞住自來水廠的濾池影響生產;其含有的毒素和氣味物質會使飲用水的質量受到影響。

  根據資料,2011年我國地表水污染勢態嚴重,NH4+-N是黃河水系、長江水系、珠江水系、遼河水系主要污染指標的其中之一,主要的湖泊、水庫等富營養化問題非常嚴重。因為富營養化后水體溶氧量會減少,藻類會加速繁殖,導致水體變黑發臭,致使水體中魚、蝦等水產的正常繁殖和生長遭受影響,就會降低江河湖泊等的觀賞性和利用價值。

  1.2 威脅人類和水生動物的健康

  水體中氮污染會給人類和水生生物的健康產生危害。一方面,因為水體中的亞硝酸鹽會與人和動物血液中具有氧氣傳送功能的血紅蛋白反應,將血紅蛋白分子中的Fe2+氧化成Fe3+,抑制了氧的傳輸能力,導致組織缺氧、神經麻痹乃至窒息死亡。水體里的硝酸鹽如果由于硝酸鹽還原菌的作用生成亞硝酸鹽或與胺、酚氨、氰胺等物質產生共同作用從而形成高度“三致”(致癌、致畸變、致突變)物質,對人類的健康造成嚴重影響。另一方面,富營養化導致藻類急劇繁殖,某些藻類自身的毒素在水產體內富集后,會經過食物鏈導致人類中毒。

  1.3 增加水處理成本

  如果用Cl2來處理水體中的NH4+-N,NH4+-N每增加1g,Cl2量則需增加8~10g。若利用其他化學法處理,必然會增加相應化學試劑的投加量。若果氨與含銅成分的設備相接觸,會與銅表面的純化層形成銅氨絡離子,從而加快設備的腐燭速度,造成經濟上的損失。

  2、生物脫氮技術概述

  自上世紀60年代起,陸陸續續產生了許多有效的污水脫氮的方法,其中有化學中和法、化學沉淀法、氨空氣吹脫法、蒸汽汽提法、選擇性離子交換法、折點氯化法等的物化法和生物硝化反硝化脫氮的生物脫氮法。物化脫氮法工藝繁復、資金投入大,以至于很難推廣投產,生物脫氮技術的適用范圍最廣,成本及運轉投入最低,操作簡便也不會產生再次污染,污水達標排放可能性強,所以更加受到青睞。目前,生物脫氮技術主要有:

  2.1 硝化反硝化脫氮工藝

  傳統的硝化反硝化脫氮工藝通過硝化過程使氨氮轉化為NO3--N,然后通過反硝化過程使NO3--N還原為N2,以達到降低處理水質中總氮質量濃度的目的。

  硝化反應的亞硝酸化和硝酸化兩個階段是由不同的微生物來完成的,硝化反應的亞硝酸化階段主要是由氨氧化菌完成,主要有Nitrosomonas、Nitrosospira、Nitrosococcu等,發生的亞硝化反應為:

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  硝化反應的硝酸化階段主要是由亞硝酸氧化菌完成,主要有Nitrobacter、Nitrospira等,發生的硝酸化反應為:

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  而如果是短程硝化反硝化,氮的轉化過程為:NH4+→HNO2→N2。NO2-不再轉化為NO3-而直接轉化為N2,從而實現對污水中氮的去除。然而在實際應用或已有研究中發現NO2-很容易被氧化變成NO3-,這就難以實現短程硝化反硝化。

  2.2 同步硝化反硝化技術

  同步硝化反硝化過程是指在沒有特殊單獨設置缺氧區的活性污泥法處理系統內TN被大量去除的過程。對該工藝的解釋主要有兩種:一是裝置中DO分布不均理論,該理論認為裝置中在不同空間和不同時間點上充氧不平均,混合不勻稱,裝置內有不同部分的缺氧區以及好氧區,這使得硝化以及反硝化作用能實現一起進行;二是缺氧微環境理論,解釋說明了在生物絮體顆粒尺寸足夠大的條件下,從絮體表面到它內核的不同層面上,氧的傳輸得到阻礙,以至于氧的含量分布不平均,微生物絮體的外層氧的含量較高,是因為好氧硝化菌在硝化反應的過程中,里面含量較低而形成缺氧區域,大部分是為反硝化菌進行反硝化反應,這樣硝化和反硝化就可以同時進行。

  同步硝化反硝化有如下優點:

  (1)減少反應器體積,投資小;

  (2)pH值處于7左右,所以不用另外投加酸或者堿,此情況對硝化細菌和反硝化細菌發揮作用有幫助。

  2.3 短程硝化-反硝化脫氮技術

  硝化-反硝化生物脫氮技術相較于傳統的脫氮方法,本質上的區別是在硝化階段只將NH4+-N氧化為亞硝酸鹽氮,接著就直接進入反硝化階段,技術重點是必須妥當的維持NO2--N的積累,經短程過很多實驗研究,研究人員最終找到了能夠通過控制pH實現NO2--N的累積。國內高大文等在28℃的情況中啟動裝置脫氮,通過調節裝置里初始pH到7.8~8.7之間累積NO2--N,不到一個月NO2--N的累積率達到90%左右,成功實現了短程硝化反硝化生物脫氮工藝的正常運轉。

  硝化生物脫氮工藝的正常運轉。此工藝在曝氣過程就能節省1/4因供氧而用掉的能源,在反硝化階段能夠省下40%的有機碳源,同時還有產生污泥少和占地面積小等優勢,相較于老舊的生物脫氮工藝有利方面明顯,在污水脫氮中得到大量應用。

  2.4 好氧反硝化脫氮技術

  對好氧反硝化生物脫氮的機制研究現在有微環境理論以及生物學理論兩種理論。如今,微環境理論得到普遍的認可。微環境理論重點是站在物理學層面進行說明。因為受制于氧擴散作用,在微生物絮體內形成了DO梯度,以至于總體環境為好氧,而絮體內部的小環境為厭氧的反硝化。微生物絮體外層DO濃度偏高,主要是好氧異養菌、好氧硝化菌;深入絮體內層,氧傳輸受限,同時有機物氧化、硝化作用需要許多氧,絮體內部變成了缺氧區,占優菌種為反硝化菌。恰恰因為微生物絮體內缺氧微環境的形成,所以引起好氧反硝化的進行。把曝氣池里DO保持在低水平狀態,就有希望能使缺氧或者厭氧微環境比重上升,最終使反硝化作用得以實現。

  2.5 CRI系統脫氮技術

  人工快速滲濾系統(簡稱CRI系統)是一種新型污水生態治理技術,是建立在快滲系統(RI)的基礎上,CRI系統是針對受污染的地表水和小城鎮生活污水的污水處理生態工程技術,正成為國內研究和應用的熱點。CRI系統根據滲濾介質以及介質上繁殖的微生物對水中污染物質的吸附、截留以及分解,達到污水凈化的效果,CRI系統特殊的結構以及進水形式,因此滲濾介質表面的微生物菌相多種多樣,根據進水周期的改變,滲濾介質表面兼具好氧、兼氧、厭氧的功能,實現對污水的處理,同時,在處理過程中完全不用添加藥劑,也不會用到機械曝氣等大耗能設備,很大程度減少處理設施的投資和運行資金,為低耗高效的污水生態處理技術。具有占地面積相對傳統土地處理技術較小,工藝過程相對簡單,投入資金低,運行成本低等特點,對我國小城鎮生活廢水和受到污染的地表水處理具有明顯優勢和重要的應用價值。

  3、生物脫氮技術存在的主要問題及展望

  目前,生物脫氮技術大多相關機理研究還不夠深入,大多工藝技術依然處于實驗室。在未來的發展過程中,應重點注意以下幾個方面:

  (1)傳統的硝化反硝化脫氮工藝在實際應用或已有研究中發現NO2-很容易被氧化變成NO3-,這就難以實現短程硝化反硝化。因此,要想實現短程硝化反硝化NO2-直接轉化為N2就必須使CRI系統內維持較高濃度的NO2-,如何控制各個因素使NO2-較高濃度的累積成為研究的重點。

  (2)現今在好氧反硝化的應用上,不管是根據宏觀環境理論或者是微環境理論來說明,依然無法丟掉傳統的好氧厭氧生物脫氮模型,往往所講的反硝化,本質中依然是缺氧微環境中的反硝化,難以稱為絕對意義上的好氧反硝化,無法展現出好氧反硝化工藝的優點。另外,現今篩選出的好氧反硝化菌大多數功效低下,往往只能在DO在2mg/L之下的情況中表現出反硝化活性。在我國,好氧反硝化的研究剛剛起步,但是優勢明顯,肯定會成為未來污水生物脫氮的研究重點。

  (3)CRI系統脫氮技術對總氮(TN)、總磷(TP)的去除率較低,對TN的去除率為10%~30%,對TP的去除率為30%~55%,不能達標排放。若基于此研究CRI系統的好氧反硝化機理,研究成果能豐富和拓展人工快速滲濾系統生態工程處理污水技術,具有十分重要的學術價值和科學意義。

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