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水產養殖廢水處理應用同步硝化反硝化脫氮技術

來源: http://www.modanoo.com/    發表日期:2015-07-14    瀏覽:4820

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水產品作為人類攝取蛋白質的重要來源,目前各種水產品的養殖技術已被大力開發并廣泛應用,全球的水產養殖在過去的50年經歷巨大的增長, 從1950年產量不足100萬t,到現在已經超過了5000萬t。與此同時,水產養殖的集約化發展帶來了巨大的環境問題。水產養殖所排放的廢水中包含了高濃度的含氮化合物(氨、亞硝酸鹽和硝酸鹽)、磷和溶解性有機碳,這些物質都會造成環境污染其中氨(NH3)作為魚類呼吸和有機物分解的產物,會提高養殖水體中的氨含量,并主要以NH3和NH4+4存在于水體中,會對水中的生物造成很強的毒性。由于養殖水體中都會有一定的溶解氧以保證魚類的正常生長繁殖,水體中的化能自養的細菌(亞硝化單胞菌和硝化菌屬)便可利用水中的銨(NH4+)氧化成亞硝態氮(N02_)和硝態氮(NCV),而這些含氮化合物富集在水體中會造成水體的富營養化現象,使得藍藻和藍綠藻過度繁殖,發生水華。導致大量藻類在死亡同時也會耗去水中大量的氧,引起魚類死亡,并嚴重破壞水生生態系統因此,對水產養殖廢水進行脫氮處理是一個急需解決的環境問題。


1 同步硝化反硝化技術概述

傳統的廢水脫氮方法有很多,目前普遍被使用的物理法或化學法包括折點加氯法、化學沉淀法、離子交換法、吹脫法、液膜法等,但無論采用化學還是物理方法都有其局限性和不確定性,并且容易對環境造成二次污染因此目前廢水的脫氮處理大多采用生物法,傳統的生物方法有藻類養殖、 生物硝化和反硝化法等。在傳統的生物脫氮過程中,硝化和反硝化作為2個單獨分開的過程,通常在2個不同的反應器內完成,但硝化和反硝化過程都出現亞硝酸鹽(N02-)作為反應中間體。 對高濃度氨氮廢水的處理過程進行觀察發現,在硝化過程中亞硝態氮會逐漸積累, 并由此提出同步硝化反硝化反應的理論。研究表明,硝化和反硝化作用在有氧條件下可以在一個反應容器內進行,這個過程通常被稱為同步硝化和反硝化。因此,同步硝化和反硝化 (SND)是指在有氧條件下,在同一生物反應器內同時發生硝化和反硝化的過程 ,直接把硝化反應控制在亞硝酸階段,阻止亞硝酸的進一步硝化, 然后直接進行反硝化,將水體中的含氮化合物直接 以氮氧化物或氮氣的形式排出去。

2 同步硝化反硝化脫氮的優點

這種同步硝化反硝化處理技術要顯著優于傳統的硝化和反硝化分離過程。第同步硝化反硝化將原先串聯反應的2個反應器合并,將原本2個分開的反應放在一個反應器內進行,中間免去了污泥回流過程,有效減小了反應器體積和占地面積,降低了工藝成本。第二,相比傳統處理技術,同步硝化反硝化工藝可以減少30%污泥使用量,減少了排泥消耗的成本。第三,相比傳統的活性污泥法,可以減少約25%的溶解氧,降低反應能耗。第四,相對于傳統的生物脫氮工藝,短 程反硝化可以節省22% ~40%的碳源,在C/N比相同的情況下提高了脫氮效率。第五,由于硝化反應會產生一定的酸度,而反硝化過程產生堿度,酸堿可以部分中和,所以同步硝化反硝化反應 體系一定程度上可以自行調節pH值,減少堿的投入量,有利于將反應系統中的pH值穩定在一定范圍內。綜上,越來越多的研究者把目光投向了同步硝化反硝化處理技術,希望用這一技術實現廢水的脫氮處理。

3 同步硝化反硝化微生物的發現

在同步硝化反硝化工藝流程中,為保證氨態氮到亞硝態氮的轉化并使反應終止在亞硝態氮狀態下需要對亞硝酸鹽氧化細菌(NOB)實現特定的抑制或去除,并保留氨氧化細菌。最近,一些能夠在有氧條件下進行反硝化的好氧反硝化細菌已經被分離出來并作為潛在應用的微生物,在生物脫氮系統中得到了深入的研究。目前,從水中分離出能夠進行好氧反硝化的細菌,包括了假單胞菌的一種、泛養副球菌和美產堿菌好氧反硝化細菌的發現使得氨化、硝化和反硝化這些過程能夠同時在有氧條件下進行,是同步硝化反硝化脫氮工藝的關鍵技術。

4 同步硝化反硝化的影響因素

4.1 COD/NH4+N比的影響

在廢水脫氮過程中,有機碳源作為反硝化過程中的電子受體,是該工藝的一個重要反應要素,同時作為細菌代謝必需的物質和能量來源,起著重要作用。已知的研究結果顯示,反應體系中的碳源濃度過高會使得異養細菌活動旺盛,硝化反應受到抑制,而硝化反應進程受阻必然會影響反硝化,但若碳源缺乏,不能滿足反硝化所需,也會導致反硝化過程受阻。有研究發現,當C0D/NH/4比例達到11:1時,通過同步硝化反硝化反應,所有的有機碳和NH4+4可以被完全降解,不會有中間副產物如N024的積累。而當保持碳含量不變時,逐漸增加NH-4含量,氮素的去除效率會隨之降低。因此,在一定程度上,水中碳氮比越高,出水總氮越低,其去除率也相應越高,同步硝化反硝化現象也越明顯。

4.2 污泥齡的影響

有研究顯示污泥齡對同步硝化反硝化脫氮有著重要的影響。由于氨氮硝化速率比亞硝態氮的氧化速率快,同時亞硝酸菌的世代周期比硝酸菌短,且繁殖速率更快。因此選取合適的污泥齡,有利于獲得良好的同步硝化反硝化現象。實要現亞硝態氮積累,需要讓污泥齡介于亞硝酸菌和硝酸菌的最小世代之間。

4.3 溫度的影響

通常硝化和反硝化反應的適宜溫度為20~ 30°C,當低于15°C時,反應速度下降,到5°C時 反應幾乎完全停止。研究結果顯示,當溫度在20~ 30°C時,水中總氮和氨氮的去除率隨溫度升高而升高,當溫度到達30°C時,總氮和氨氮的去除率達到最高,分別為99.8%和95.7%這是因為當溫度升高,細胞內化學反應和酶反應加快,因此代謝活力增強。但也有新的好氧反硝化細菌被發現,可以在很低的溫度下(< 10°C)依然保持較高的脫氮活性,這將有利于增加該工藝的適應性,有利于同步硝化反硝化技術在廢水脫氮領域的廣泛應用。

4.4 溶解氧的影響

溶解氧是同步硝化反硝化過程的關鍵因素。若溶解氧濃度過高,會導致氧的穿透能力變強,使得污泥絮體內難以形成缺氧區,同時,溶解氧濃度的升高容易造成異養好氧型細菌活性增強,加快有機物的氧化,使反硝化菌因無碳源或碳源不足而活力減弱。根據目前對已知的好氧反硝化菌株的研究,當溶解氧濃度低于3 mg ?L-1,好氧反硝化細菌具有反硝化活性,但也有個別菌種的溶解氧耐受性較強,在溶解氧濃度為4 mg ? L-1時仍具有活性,當溶解氧低于2 mg ? L-1時, 其反硝化活性反而減弱,甚至在一個較低的溶解氧濃度范圍時(<0.5 mg ? L-1),硝化速率仍然能約等于反硝化速率,使得同步硝化反硝化反應完全,保證了較高的脫氮效率。

5 小結

隨著環境污染和水資源短缺的問題日益嚴峻,水產養殖采用封閉式循環水養殖模式勢在必行。因此水產養殖廢水的綜合利用和無害化排放有著極大的開發價值和廣泛的應用前景。而同步硝化反硝化脫氮技術實現了在同一空間內同時除碳、硝化和反硝化,其脫氮歷程節約了碳源,降低了動能消耗和處理費用,這必將成為未來生物脫氮的重要途徑之一。但由于目前同步硝化反硝化的具體作用機理和控制參數尚存疑問,因而還需要在以下諸多方面對同步硝化反硝化進行深入的研究:首先,需要通過對同步硝化反硝化機理的深入研究,特別需要展開對于好氧反硝化菌的各種生長特性和脫氮生物學機理的探索,建立同步硝化和反硝化的動力學模型。

其次,由于同步硝化反硝化是一個復雜的過程,受到很多因素的影響,因此如何根據脫氮處理的主要控制因素,并結合水產養殖廢水的特點,確立能夠在各個養殖條件下普遍適用的穩定高效的方法,還需要進一步的研究和探索。最后,由于污泥絮凝體缺氧區往往不夠穩定,會導致脫氮效果出現波動,

因而需要進一步研究活性污泥的培養方法,穩定污泥控制手段,為同步硝化反硝化脫氮技術的推廣提供完善合理的技術。

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