純水設備分析廢水脫氮工藝中生物法除氨對水溫的要求
【純水設備www.zzdsjc.com】廢水脫氮是近年來企業(yè)需要更大的污水處理服務,廢水中的氮排放水直接導致水體的富營養(yǎng)化,而現在所有的企業(yè)廢水生物脫氮的主要用于多數,在廢水生物脫氮環(huán)境更為敏感,溫度控制不好不能實現廢水脫氮的有效治療純水設備。安豐環(huán)境保護過程中去除廢水中氮,厭氧氨氧化過程的主要用途,這種方法主要是耗氧量低,運行成本低,不需要額外的碳源和其他優(yōu)勢,這個過程是被大多數客戶。
在廢水反硝化過程中，采用生物法對水體溫度的控制尤為重要。一般微生物的生長條件為20~35℃，低溫會影響微生物的酶細胞活性。安豐環(huán)保技術工程師表示，在一定溫度范圍內，每降低10℃，微生物活性就會增加一倍，從而降低污水處理效果。該工藝投入生產后，由于季節(jié)的交替和地理位置的影響，沒有人工控制，很難保持適宜的溫度。溫度調節(jié)要消耗很多能量。解決這一問題的最佳途徑是發(fā)展高效穩(wěn)定的低溫生物處理技術。
今天，安豐環(huán)保有限公司對低溫條件下產生的生物脫氮技術進行了一些探討。
1. 低溫對脫氮過程的影響
溫度是影響細菌生長和代謝的重要環(huán)境條件。大多數微生物的正常生長溫度為20~35℃。溫度主要通過影響微生物細胞中某些酶的活性來影響微生物的生長和代謝速率，進而影響污泥產量、污染物去除效率和速率。溫度還會影響污染物的降解途徑，中間產物的形成和各種物質在溶液中的溶解度，實驗室純水設備以及氣體的產生和組成。低溫降低了微生物細胞質的流動性，從而影響物質運輸等代謝過程，一般認為低溫會導致活性污泥吸附沉降減少，微生物群落發(fā)生變化。與高溫的破壞作用不同，低溫對微生物活性的抑制作用通常是可逆的。
1.1硝化過程
生物硝化可在4~45℃范圍內進行。AOB和NOB的最佳生長溫度為25~30℃。溫度不僅影響硝化細菌的生長，而且影響硝化細菌的活性。研究表明，硝化細菌的最佳生長溫度為25~30℃。當溫度低于15℃時，硝化速率顯著降低純水設備，硝化細菌活性也顯著降低。當溫度低于5℃時，硝化細菌的生命活動幾乎停止。大量研究表明，溫度對硝化反應的影響很大，尤其是溫度沖擊。由于冬季溫度較低，硝化過程往往無法實現穩(wěn)定運行。U。Sudarno等研究了溫度變化對硝化作用的影響，結果表明，當溫度從12.5℃上升到40℃時，氨氧化速率增加，而當溫度下降到6℃時，硝化細菌活性非常低�！ �
隨著脫氮工藝的不斷發(fā)展，人們對硝化工藝提出了更高的要求，希望將硝化作用的反應產物控制在亞硝酸鹽階段，作為反硝化或者厭氧氨氧化的前處理技術，可以節(jié)約曝氣能耗和添加堿量。通過對兩類硝化細菌(AOB、NOB)的更多認識，出現了短程硝化工藝。該工藝的核心是選擇性地富集AOB，先抑制再限制最后沖洗出NOB，使得AOB具有較高的數量而淘汰NOB，從而維持穩(wěn)定的亞硝酸鹽積累。短程硝化過程通常由控制溫度、溶解氧、pH來實現。溫度控制短程硝化的基礎在于兩類硝化細菌對溫度的敏感性不同，25℃以上時，AOB的最大比生長速率大于NOB的最大比生長速率。據此提出了世界上第一個工業(yè)化應用的短程硝化工藝——SHARON工藝(溫度設置為30~40℃)。因此，在低溫下實現短程硝化頗具挑戰(zhàn)。
1.2反硝化工藝
低溫對于反硝化有顯著的抑制作用，JichengZhong等研究了太湖沉積物中的反硝化作用，經過數月的實驗分析發(fā)現反硝化速率呈現季節(jié)性變化。U.Welander等考察了低溫條件下(3~20℃)反硝化工藝的運行性能，研究表明在3℃下反應器的反硝化速率僅為15℃下的55%。相對于傳統(tǒng)的缺氧反硝化，溫度對好氧反硝化的脫氮效率影響不顯著，王弘宇等篩選出的一株好氧反硝化菌，在25~35℃下都能達到大于78%的脫氮效率。表1概括了不同溫度下的反硝化速率�！ �
1.3厭氧氨氧化工藝
有學者的研究表明，能夠進行厭氧氨氧化反應的溫度范圍為6~43℃，最佳溫度為28~40℃。在廢水生物處理中，活化能的取值范圍通常為8.37~83.68kJ/mol，而厭氧氨氧化的活化能為70kJ/mol。因此，厭氧氨氧化屬于對溫度變化比較敏感的反應類型，溫度的降低對其抑制作用明顯。
廢水脫氮
低溫對厭氧氨氧化的影響很大，受低溫抑制后需要較長時間才能恢復。厭氧氨氧化工藝的運行溫度從18℃降至15℃時，亞硝酸鹽不能被完全去除，導致亞硝酸鹽的積累，對厭氧氨氧化工藝有著顯著的抑制效果，從而引起連鎖效應，使得厭氧氨氧化菌失活。J.Dosta等在研究溫度對厭氧氨氧化工藝的長期影響時，純水設備將試驗溫度由30℃調至15℃，只有氮容積負荷(NLR)從0.3kg/(m3•d)大幅降低至0.04kg/(m3•d)才能保證出水水質。甚至經30d的馴化仍未見好轉，將試驗溫度調回至30℃運行75d后，污泥活性僅為0.02g/(g•d)，處于較低水平。
2脫氮工藝的低溫運行改進方法
2.1菌種流加
菌種流加來源于發(fā)酵工藝的菌種擴大培養(yǎng)技術。菌種擴大培養(yǎng)技術是發(fā)酵工業(yè)中廣泛采用的一種菌種應用技術，在批次發(fā)酵中，一般通過“試管→三角瓶→種子罐→發(fā)酵罐”的多級擴增，使菌量滿足生產需要。在廢水脫氮工藝中，除裝置內菌種自身增殖外，流加菌種有利于加快菌體積累。廢水水質復雜，毒性物質、基質、pH、溫度等因素的不穩(wěn)定，都會對功能菌造成抑制。實驗室純水設備在受抑制條件下，微生物難以生長。因此菌種流加的優(yōu)勢得以體現。
唐崇儉等采用菌種流加式厭氧氨氧化工藝處理制藥廢水，廢水中NH4+-N和NO2--N的質量濃度分別為120~200mg/L和160~240mg/L，菌種流加速率為0.028g/(L•L•d)，容積氮去除負荷(NRR)由0.1kg/(m3•d)提高至7.9kg/(m3•d)。并且認為流加菌種不僅增加了反應器內的污泥濃度和厭氧氨氧化菌所占比例，可能還帶入了一些未知的生長因子，才能在如此低的流加速率下，實現厭氧氨氧化的高效運行。
菌種流加有望成為低溫下運行生物反應器的一種有效對策。何成達的研究表明在低溫期間為保證正常的硝化速率，需要增大反應器的容積。通過向活性污泥系統(tǒng)投加硝化菌的方法可有效解決低溫時期需要延長泥齡和加大反應器容積的問題。
菌種流加的操作靈活，不需要長期的適應調整時間，是一種應對低溫沖擊的快速有效方法，但是不能從根本上解決低溫下反應器運行效率低的問題，僅是增加反應器內功能菌的數量及其在混合污泥的比例，緩解低溫對生物處理的影響，在反應器容積有限時不適合長期采用。
2.2接種耐冷菌
接種物對于低溫條件下厭氧反應器啟動運行具有重要的意。耐冷菌能夠耐受溫度波動，比較適合低溫廢水的處理。如反硝化耐冷菌——熒光假單胞菌能夠在低于10℃的條件下降解苯二甲酸，也有耐冷菌能在低溫下降解甲苯、氯酚等難降解有機物。目前的研究重點關注了接種耐冷菌在低溫產甲烷系統(tǒng)中的意義，如賁岳等為確保寒冷地區(qū)污水生物處理系統(tǒng)的有效運行，接種耐冷微生物，用于生活污水的處理，在6~10℃下，成功地去除污水中86.7%的COD。左劍惡等關注了嗜冷產甲烷菌及其在廢水厭氧處理中的應用，從分離培養(yǎng)及生理生化特性、適冷機制和分子生物學研究等方面，對嗜冷產甲烷菌的研究進展進行了全面的綜述，并指出接種物對于低溫條件下厭氧反應器的啟動很重要。
氨氧化古菌(AOA)是一類能夠在低溫下保持活性的古細菌。如果能將AOA應用到低溫廢水的生物處理中，將會推動生物脫氮工藝的發(fā)展。這可以作為今后研究的一個重要方向。
2.3生物固定化
經固定化處理后，微生物的抗逆性能提高，純水設備能耐受外界環(huán)境的變化，從而保持了較高的活性。此外，微生物經包埋固定后持留能力得以增強，可望實現反應器的快速啟動和高效穩(wěn)定運行。
通過固定化可以削弱溫度變化對硝化作用的影響。張爽等研究了固定化硝化菌在不同溫度下對氨氮的去除效能，采用聚乙烯醇-硼酸包埋法固定常溫富集培養(yǎng)的含耐冷菌的硝化污泥，用于處理常溫和低溫生活污水。結果表明，經過固定化處理的硝化菌群即使在低溫條件下，也表現出了較高的硝化效率(>80%)。也有學者開展了固定化反硝化細菌脫氮的研究，結果表明，經過固定化處理，提高了反硝化細菌對溫度的適應性，固定化反硝化細菌對高濃度的銨離子和低溫的耐受性增加。B.K.Pathak等在低溫厭氧氨氧化的研究中通過接種固定化微生物和厭氧顆粒污泥處理低含氮廢水，在20℃下成功啟動厭氧氨氧化，NRR達到了16.22g/(m3•d)，總氮去除率為92%。L.M.Quan等以聚乙烯醇(PVA)凝膠和1%的藻酸作為厭氧氨氧化菌的包埋材料，在(25±0.5)℃時，厭氧氨氧化工藝的NRR達到了8.0kg/(m3•d)。
固定化是一種有效的技術手段，實驗室純水設備然而也會使微生物活性有所降低，且固定化后，傳質阻力會增大，氧的傳質阻礙尤為明顯，固定化更能在厭氧條件下發(fā)揮其優(yōu)勢。此外，其成本也有待技術經濟評估。
2.4馴化
馴化就是人為的在某一特定環(huán)境條件長期處理某一微生物群體，同時不斷將它們進行移種傳代，以達到累積和選擇合適的自發(fā)突變體的一種古老育種方法。微生物的馴化是脫氮工藝運用到低溫環(huán)境中的重要措施，使微生物體內的酶和細胞膜的脂類組成能夠適應低溫環(huán)境，并能在低溫條件下發(fā)揮作用。大量研究表明，通過適當的馴化策略，經歷一定的馴化時間，低溫脫氮工藝可以實現穩(wěn)定運行。
R.D.Jones等認為，如果將AOB的運行溫度從30℃直接降至5℃，會導致其失活。逐步降低運行溫度，AOB可調整細胞膜中的脂肪酸類型使其在低溫條件下不易凍結。后來一些研究得到了與此相悖的結論。因此有學者開始探索低溫的馴化策略。
2.4.1逐步馴化
逐步馴化即逐步較緩慢地將工藝溫度由適宜溫度降至目標溫度。在馴化微生物適應當前溫度下再將其溫度降低，進一步馴化。尚會來等采用馴化方式，逐步降低溫度，每降1℃就穩(wěn)定一個多月，半年后不刻意控制溫度，經歷了冬季10℃的低溫，成功地穩(wěn)定了常溫、低溫短程硝化反硝化，亞硝化率始終維持在78.8%以上。J.Dosta等通過該方法在18℃成功啟動并穩(wěn)定運行厭氧氨氧化工藝，但將溫度降至15℃時，工藝系統(tǒng)失穩(wěn);并認為優(yōu)化的操作步驟應為：先在厭氧氨氧化最適溫度下，積累足夠的厭氧氨氧化生物量，然后再緩慢馴化微生物適應低溫條件。
2.4.2直接馴化
直接馴化就是將反應系統(tǒng)直接置于目標溫度下進行馴化。K.Isaka等研究了在適度的低溫(20~22℃)下，厭氧生物濾池中利用厭氧氨氧化實現高效的脫氮。通過直接將接種污泥置于20~22℃的環(huán)境下培養(yǎng)，在經過446d后，NLR達到8.1kg/(m3•d)。還在6℃檢測到了微生物厭氧氨氧化活性。NLR由22℃時的2.8kg/(m3•d)降至6℃的0.36kg/(m3•d)。
楊朝暉等對比了兩種馴化策略下厭氧氨氧化工藝的啟動時間，接種以短程硝化-厭氧氨氧化協(xié)同作用為優(yōu)勢反應的厭氧序批生物膜反應器中的生物膜(溫度為31℃)，置于16℃的生化培養(yǎng)箱中馴化，最快56d成功啟動了低溫厭氧氨氧化;接種與前者相同的生物膜，首先置于31℃的生化培養(yǎng)箱中，實驗室純水設備然后以每12d降低3℃的速度為梯度逐步降溫至16℃，最慢70d馴化結束，其馴化結束的標志是在16℃的環(huán)境溫度下氨氮的去除效率在1周左右維持穩(wěn)定。
以往的研究表明，微生物對溫度的逐步降低較為適應，如若溫度突然降低，則易引起系統(tǒng)的失穩(wěn);但較近的研究表明，直接將溫度降至目標溫度，馴化的時間可能會更短一些。對此尚需系統(tǒng)的研究來論證，試驗現象背后的機理仍有待揭示。
廢水除氮中生物法除氮時，要對水溫進行嚴格的控制。水溫過低會造成生物除氮的處理時間延長、處理的負荷和處理工藝都會受到影響。安峰環(huán)保的工程師們通過菌種流加、接種耐冷菌、細胞固定化和馴化等有效技術手段，有效的解決了生物除氮中水溫對處理效果的影響。此項技術相對比較復雜，純水設備在處理過程中要對耐冷菌的分離富集進行篩選等。
生物法除氮技術的優(yōu)點非常多，目前還有一些問題沒有完全的解決，比較對于菌種的流回過程優(yōu)化和控制，多項技術的結合最終實現強化低溫的生物除氮工藝等，這些除氮技術方面都可以進行優(yōu)化，最終實現最佳的廢水脫氮工藝。
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