污水处理技术工艺

污水处理技术之低温废水生物脱氮工艺的研究进展

水体中氮的过量积累导致水体富营养化,严重威胁着生态系统的安全。生物法通常用于去除废水中的氮。硝化反硝化是最常见的生物脱氮工艺。在过去十年中,出现了一些新的反硝化过程。厌氧氨氧化工艺是最具代表性的突破之一。该方法利用自养细菌直接将氨氧化成氮,实现反硝化。与传统的硝化反硝化工艺相比,该工艺具有耗氧量低、运行成本低、不需要额外碳源等优点。它是已知过程中最经济的生物反硝化途径之一。

生物反应对环境条件敏感,易受温度变化的影响。大多数微生物的正常生长温度为20~35℃,低温会影响微生物细胞的酶活性。在一定温度范围内,温度降低10℃,微生物活性降低1倍,降低了污水处理效果。该工艺投入运行后,由于四季交替和地理位置的变化,在没有人工控制的情况下很难保持合适的温度。温度调节会消耗大量的能量。解决这一问题的最佳途径是开发一种高效、稳定的低温生物处理工艺。

近年来,国内外对低温废水生物脱氮技术进行了一些研究,并提出了一些新的方法。作者将讨论低温对反硝化过程的影响,比较低温反硝化过程的操作策略,指出低温反硝化过程的研究和发展方向。

1。低温对反硝化过程的影响

温度是影响细菌生长和代谢的重要环境条件。大多数微生物的正常生长温度为20~35℃。温度主要通过影响微生物细胞中某些酶的活性来影响微生物的生长和代谢速率,进而影响污泥的产量、去除率和污染物的去除率。温度也会影响污染物的降解途径、中间产物的形成、各种物质在溶液中的溶解度,以及影响气体产生和组成的可能性。

低温会削弱微生物细胞质的流动性,进而影响物质的转运等代谢过程。一般认为低温会导致活性污泥吸附沉降性能的降解和微生物群落的改变。低温对微生物活性的抑制作用不同于高温对微生物的破坏作用,其抑制作用通常是可恢复的。

1.1硝化工艺

生物硝化反应可在4至45℃的温度下进行。氨氧化细菌(AOB)的最适生长温度为25~30℃,亚硝酸盐氧化细菌(NOB)的最适生长温度为25~30℃。温度不仅影响硝化细菌的生长,还影响硝化细菌的活性。研究表明,硝化细菌的最佳生长温度为25~30°C。当温度低于15℃时,硝化速率显着降低,硝化细菌的活性也大大降低。当温度低于5℃时,硝化细菌的寿命降低。几乎停了下来。

大量的研究表明,硝化作用受到温度的严重影响,尤其是温度冲击。冬季低温导致硝化过程不能稳定运行是常见的。U.Sudano等人研究了温度对硝化反应的影响。结果表明,当温度从12.5℃升高到40℃时,氨的氧化速率增大,而当温度降至6℃时,硝化细菌的活性很低。

随着反硝化工艺的不断发展,对硝化过程提出了更高的要求。希望将硝化反应产物控制在亚硝酸盐阶段,作为反硝化或厌氧氨氧化的预处理技术。可节约曝气能耗和碱添加量。通过对两种硝化细菌(AOB、NOB)的深入了解,出现了短程硝化过程.

该工艺的核心是选择性地丰富AOB,首先抑制再限制,最后冲洗出NOB,使AOB具有较高的数量,消除NOB,从而保持稳定的亚硝酸盐积累。短程硝化过程通常是通过控制温度、溶解氧和pH值来实现的。温度控制短程硝化的基础是两种硝化细菌对温度的敏感性不同,当温度高于25℃时,AOB的最大比生长速率大于NOB的最大比生长速率。

基于此,世界上第一个工业应用的短程硝化工艺,提出了SHARON工艺(温度设定为30~40°C)。因此,在低温下实现短程硝化非常具有挑战性。

1.2反硝化工艺

低温对反硝化有显著的抑制作用。钟继成等.研究了太湖沉积物的反硝化作用。经过几个月的试验分析,发现反硝化速率呈季节性变化。U.Welander等人研究了低温(3-20℃)下反硝化过程的性能。结果表明,反应器在3℃时的反硝化速率在15℃时仅为55%,与传统的缺氧反硝化相比,温度对好氧反硝化的反硝化效率没有显著影响。由王弘宇等筛选出的好氧反硝化细菌,在25-35℃时可达到78%以上的反硝化效率,表1总结了不同温度下的反硝化速率。

1.3厌氧氨氧化工艺

研究表明,厌氧氨氧化反应的温度范围为643℃,最佳温度为2840℃。在废水生物处理中,活化能为8.37~83.68kJ/mol,厌氧氨氧化活化能为70 kJ/mol。因此,厌氧氨氧化反应属于对温度变化敏感的反应类型,温度的降低对其有明显的抑制作用。

低温脱氮工艺

低温对厌氧氨氧化的影响很大,被低温抑制后需要很长时间才能恢复。当厌氧氨氧化工艺的运行温度从18℃降至15℃时,亚硝酸根不能完全去除,导致亚硝酸盐的积累,对厌氧氨氧化过程有明显的抑制作用,从而产生连锁效应。为了研究温度对厌氧氨氧化过程的长期影响,J.Dosta等人将试验温度从30℃设定为15℃。只有将氮容积负荷(NLR)从0.3kg/(M3 D)降至0.04kg/(M3 D),才能保证出水水质。即使经过30d的驯化处理,经过75天的驯化处理后,污泥活性仅在0.02g/(Gd)的较低水平上进行,试验温度为30℃时,污泥活性仅为0.02g/(Gd)。

2脱氮工艺的低温操作改进方法

2.1菌种流加

细菌补料分批培养源于发酵技术。细菌扩大培养技术在发酵工业中得到了广泛的应用。在间歇发酵过程中,通过对“试管三角瓶种子罐发酵罐”的多次扩建,可以满足生产需要。在废水反硝化过程中,除了装置内细菌的自增殖外,补料分批有利于加速细菌的积累。废水水质复杂,有毒物质的不稳定性、基质、酸碱度、温度等因素都会抑制功能菌。微生物在抑制条件下很难生长。因此,应变流入的优势可以反映出来。

采用唐崇俭菌流加厌氧氨氧化工艺处理制药废水。废水中NH4+-N和NO2-N的质量浓度分别为12 0~2 0 0mg/L和16 0μg/L,加速速率为0.0 2 8g/(L L D)。容积脱氮负荷(NRR)从0.1kg/(M3 D)增加到7.9kg/(M3 D)。认为不仅提高了反应器中污泥浓度和厌氧氨氧化菌的比例,而且还引入了一些未知的生长因子,使厌氧氨氧化在如此低的流速加速下实现了高效运行。

该菌株的流动有望成为低温运行生物反应器的一种有效途径。何成达的研究表明,反应器的体积在低温下需要增加,以保证正常的硝化速率。在活性污泥系统中加入硝化菌的方法可以有效地解决低温阶段需要延长污泥龄和反应器体积的问题。

该菌株的操作是灵活的,不需要长期适应时间。处理低温冲击是一种快速有效的方法,但它不能从根本上解决低温下反应堆运行效率低的问题,只能增加反应堆内部的功能。为减轻低温对生物处理的影响,混合污泥中的细菌数量及其比例在反应器体积有限时不适合长期使用。

2.2接种耐冷菌

接种物对低温厌氧反应器的启动起着重要作用。耐寒菌能承受温度波动,更适用于低温废水的处理。例如,反硝化耐冷细菌荧光假单胞菌在10℃以下能分解邻苯二甲酸,而耐冷细菌在低温下也能分解甲苯、氯酚等难降解有机化合物。

目前的研究主要集中在低温产甲烷系统中接种耐冷菌,如贲岳,以保证寒冷地区废水生物处理系统的有效运行,接种耐冷微生物处理生活污水,在6~10℃。污水COD去除率为86.7%。"左剑恶"已密切关注激冷产甲烷菌及其在废水厌氧处理中的应用。在分离、培养、生理生化特性、激冷机制和分子生物学等方面综述了激冷甲烷的研究进展。指出接种物在低温下厌氧反应器的启动是非常重要的。

氨氧化古菌(AOA)是一种在低温下保持活性的古菌。如果AOA可以应用于低温废水的生物处理,它将促进生物脱氮过程的发展。这可能是未来研究的重要方向。

2.3生物固定化

固定化后,提高了微生物对应激的抵抗力,使其能够耐受外界环境的变化,从而保持较高的活性。此外,固定化后微生物截留能力增强,有望实现反应器的快速启动和高效稳定运行。

温度变化对硝化作用的影响可以通过固定化来减弱。研究了固定化硝化细菌在不同温度下对氨氮的去除效果。采用聚乙烯醇-硼酸室温包埋法固定和富集含耐冷菌的硝化污泥,在室温和低温下处理生活污水。结果表明,即使在低温下,硝化细菌的硝化效率(>80%)也高于固定化硝化细菌。

一些学者也对固定化反硝化细菌的反硝化作用进行了研究。结果表明,固定化处理提高了反硝化细菌的温度适应性。提高了固定化反硝化细菌对高浓度铵离子和低温的耐受性。在低温厌氧氨氧化研究中,通过接种固定化微生物和厌氧颗粒污泥处理低氮废水。厌氧氨氧化在20℃成功启动。NRR为16.22g/(总氮去除率为3d),为92%.L.M.Quan等。以聚乙烯醇(PVA)凝胶和1%海藻酸钠为包封材料,对厌氧氨氧化菌进行了包封。在(25±0.5)℃时,厌氧氨氧化反应的NRR达到8.0kg/(M3 D)。

固定化是一种有效的技术手段,但它也会降低微生物的活性。固定后,传质阻力增加,氧的传质抑制特别明显。固定化可以在厌氧条件下进行。它的优点。此外,其成本还需经过技术和经济评估。

2.4驯化

驯化是在特定的环境条件下长期人工处理微生物种群,同时不断地将其转化为后代,以积累和选择合适的自发性突变体的古老育种方法。微生物驯化是低温环境下反硝化技术应用的重要手段,使微生物细胞膜的酶和脂质组成适应低温环境,在低温条件下发挥作用。大量的研究表明,通过适当的驯化策略和一定的驯化时间,低温反硝化工艺可以实现稳定运行。

R.D.Jones等人认为,如果将AOB的工作温度从30℃直接降低到5℃,它就会被灭活。随着操作温度的逐渐降低,AOB可以调节细胞膜中脂肪酸的种类,使其在低温下不易冻结。后来的一些研究得出了相反的结论。因此,一些学者开始探索低温驯化策略。

2.4.1逐步驯化

逐步驯化是将工艺温度从合适的温度逐步降低到目标温度。在当前温度下,驯化微生物的温度降低,并进一步驯化。尚会来等采用驯化方法,每滴1 DEG C后,温度逐渐降低,温度稳定一个多月,半年后不刻意控制温度,冬季经历10℃低温,常温和低温短程硝化反硝化成功稳定,亚硝化率始终保持在77.8%。J.Dosta等人成功启动并稳定了厌氧氨氧化工艺。采用该方法,但当温度降至15度时。C.工艺系统不稳定,认为优化的操作程序应是在最佳温度下积累足够的厌氧氨氧化生物量,使微生物缓慢适应低温条件。

2.4.2直接驯化

直接驯化是指将反应系统直接引导至目标温度以进行驯化。 K. Isaka等人。研究了在厌氧生物过滤器中使用厌氧氨氧化,以在中等低温(20-22°C)下实现有效的氮去除。通过在20至22℃的环境中直接接种接种的污泥,446天后NLR达到8.1kg /(m 3·d)。还在6℃下检测到微生物厌氧氨氧化活性。 NLR从22°C时的2.8 kg /(m3•d)降至6°C时的0.36 kg /(m3•d)。

杨朝晖等。比较了两种驯化策略下厌氧氨氧化工艺的启动时间,以短切硝化-厌氧氨氧化协同为主导反应(温度为31℃)在厌氧序批式生物膜反应器中接种生物膜,在生化培养箱中16℃驯化,在厌氧序批式生物膜反应器中接种生物膜。56天内成功启动低温厌氧氨氧化。首先,接种与前者相同的生物膜。在31℃下放入生化培养箱后,每12天降低3℃的速率逐渐降低到16℃,驯化最慢的时间为70天。驯化结束的标志是氨氮的去除效率在16℃下保持稳定约1周。

以往的研究表明,微生物对温度的逐渐降低具有更强的适应性,如果温度突然降低,很容易引起系统的不稳定;但最近的研究表明,直接将温度降低到目标温度可以缩短驯化时间。实验现象背后的机制仍有待揭示。

3结论

目前,低温废水生物脱氮技术的研究引起了许多学者的兴趣。大量的研究结果表明,温度的降低将导致生物脱氮过程的启动时间显著延长,处理负荷和处理效率将大大降低。通过接种耐冷菌、固定化和驯化细胞等,可以提高低温废水生物脱氮过程的效率和稳定性。根据目前的研究现状,今后低温反硝化过程的研究可以围绕以下几个方面展开:

(1)耐寒细菌的分离和富集。将分子生物学技术应用于耐寒细菌的筛选,选择菌株进行富集和培养,用作接种菌株或补料菌株,建立菌落动态变化指标体系,指导低温条件的调控。温度脱氮系统。

(2)加强考古研究。对太古菌的栽培特性进行了研究。将可培养反硝化古菌用于污水处理,提高系统对低温和极端环境的耐受性。这项研究有望成为未来的热点。

(3)菌株饲养过程的优化与控制。对厌氧氨氧化菌的生长和代谢动力学进行了深入的研究,得到了应变流的定量参数,并采用自动控制技术实现了对厌氧氨氧化菌的自动控制。

(4)多技术耦合。通过多种技术手段的结合,强化了低温生物脱氮工艺.例如,在低温接种低温优势菌启动后,通过应变流对低温生物脱氮工艺进行优化,提高了低温生物脱氮工艺的抗冲击性能。

污水处理技术之低温废水生物脱氮工艺的研究进展

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