強化廢水脫氮處理的研究

強化廢水脫氮處理的研究

0污水生物脫氮工程目前，我國的水環(huán)境污染氮逐漸上升為主要污染物。大量含氮廢水未經處理或處理完成，導致富營養(yǎng)化水體。因此,氮的去除是當前廢水處理領域中急需解決的難題之一,脫氮技術的研究和應用引起了人們的廣泛關注。近年來,國內外學者對污水生物脫氮工程實踐中暴露出的問題和現象進行了大量理論和試驗研究,并提出了一些新的觀點和方法。人工濕地系統(tǒng)具有建造及運行費用低(僅為傳統(tǒng)2級污水處理廠的1/10~1/2)、維護簡單、處理效果好、適用面廣、對負荷變化的適應能力強等優(yōu)點,因此被廣泛應用于各種廢水的處理。眾多學者對人工濕地的脫氮機理進行了深入研究,取得了許多具有很高使用價值的研究成果。例如,一些專家學者進行改變污水成分來提高短程硝化反硝化速率的研究,如高鹽短程硝化反硝化。但是,影響脫氮效果的因素諸多,如何從脫氮機理出發(fā),優(yōu)化控制這些因素,提高脫氮效果的研究還不多。因此,筆者從脫氮機理出發(fā)論述了影響脫氮效果的各種因素,并提出如何提高強化脫氮效果,以期為縮短脫氮時間、降低脫氮運行費用提供科學理論依據。1濕地自然氮脫氮機1.1水面更新溶解氧人工濕地中的物質傳遞和轉化因含氧差異而有所不同(氧來源于植物根毛的釋放、來自水及水面更新溶解氧)。由于濕地植物光合作用產生的氧氣,通過植物組織和根毛輸送并釋放到濕地基質環(huán)境中,并在根毛周圍形成了一個好氧區(qū)域,而離根毛較遠的區(qū)域氧含量較小,呈現缺氧狀態(tài),更遠的區(qū)域則完全處于厭氧狀態(tài),這樣就形成了連續(xù)的好氧、缺氧及厭氧環(huán)境。1.2人工濕地基質凈化人工濕地中氮的去除機理比較復雜,是濕地植物、填料和微生物通過物理、化學及生物的協同作用(微生物的硝化和反硝化以及氮的揮發(fā))的結果。研究表明,污水中的無機氮可作為植物生長過程中不可缺少的物質而直接被植物攝取,并合成植物蛋白質等有機氮。張政等通過對植物的生長階段的研究發(fā)現,對氮的去除量可以占人工濕地氮總去除量的30%,但在較高的氮負荷的處理系統(tǒng)中,植物吸收氮的絕對量與氮的總去除量相比,所占比例卻很低,因此植物吸收不是人工濕地脫氮的主要方式,而是通過間接途徑影響脫氮效果。尹連慶等研究發(fā)現,人工濕地的脫氮是通過水生植物吸收、微生物的硝化和反硝化以及氮的揮發(fā)等途徑來實現,微生物的硝化與反硝化是主要的脫氮方式。人工濕地基質通過物理(吸附)、化學(絡合作用)作用去除污水中的氮,基質的凈化作用在處理初期效果明顯,但有一定限度,而且基質達到飽和后吸附凈化的污染物容易發(fā)生逆反應重新回到處理水中。因此,基質不能提供長期穩(wěn)定的脫氮效能。人工濕地主要通過微生物的硝化、反硝化來去除污水中的氮。韓耀宗發(fā)現氨氮的去除主要依靠好氧微生物的作用,硝氮的去除則主要依靠反硝化菌的作用。1.3硝化作用作用濕地中的好氧微區(qū)域中,硝酸細菌將氨氮轉化成硝態(tài)氮,降低了溶液中的氨氮濃度,使得土壤溶液中高濃度的氨氮和好氧微區(qū)域中低濃度的氨氮之間形成濃度梯度,氨氮可以持續(xù)地擴散到好氧微區(qū)域進行硝化作用。硝態(tài)氮可以擴散到厭氧區(qū)域進行反硝化作用生成N2排出系統(tǒng),同時也作為植物的營養(yǎng)成分被部分吸收。硝化作用是在好氧條件下,微生物將NH4-N氧化為NO3-N的過程。硝化作用分2步進行:第1步是NH4-N氧化為NO2-N的過程,這一過程由嚴格好氧細菌完成,通過氨氧化作用,好氧細菌從中獲得生長所必需的能量;第2步NO2-N進一步氧化為NO3-N的過程,這一步由兼性化能自養(yǎng)細菌完成。氨化作用和硝化作用只是氮存在形態(tài)的變化,真正的脫氮作用并未發(fā)生。反硝化作用是在厭氧條件下,微生物將NO3-N轉化為氮氣并釋放到大氣中的過程。2影響因素2.1氧調控對濕地的影響溶解氧(DO)對微生物的代謝影響很大,因此會限制硝化/反硝化作用的發(fā)生。植物根系附近好氧區(qū)域的硝化率和DO的大小成正相關性,這是因為植物根系加強了DO的濃度,促進了硝化菌的生物代謝,提高了硝化率。代嫣然等研究發(fā)現,局部充氧可以提高濕地的脫氮能力,特別是對氨氮的去除。陶敏等發(fā)現,夏、冬季時氧調控下,復合垂直流人工濕地有機物降解和硝化能力顯著增強。主要的增氧方式有動力增氧(濕地底部鼓風曝氣),植物復氧等。2.2ph對硝化反應的影響各種硝化反硝化微生物對pH有不同的要求,因此濕地環(huán)境的pH也影響著微生物的代謝,當pH6.5~8.5時,有利于好氧和厭氧微生物對含氮有機物的氨化作用的發(fā)生;pH>8.0,氨氮主要以氨的形式揮發(fā)去除;pH<6.0時,硝化細菌的活性顯著下降;pH<5.0時,硝化作用基本可以忽略。2.3謝影響的作用硝化菌和反硝化菌對溫度較敏感。溫度的變化對微生物的代謝產生很大影響。硝化反硝化最佳溫度為20~25℃。過高或過低對的溫度會使硝化和反硝化微生物的活性顯著下降,同時,溫度對濕地中氧的擴散和植物的生長也有很大的影響。2.4不同濕地對人工濕地脫氮效率的影響在人工濕地中水中,各菌群數量均比基質中低1個數量級,說明人工濕地中微生物主要附著在機制上,而硝化菌、反硝化菌的數量與脫氮效果呈直線相關關系。因此,種植的濕地機制中微生物數量較多,因而脫氮效率也較高。黃娟等發(fā)現,微生物在潛流型人工濕地脫氮中起主導作用,植物的存在則進一步強化了微生物的作用。龍麗珠等研究發(fā)現,各種人工濕地池填料表面微生物數量豐富,組合人工濕地系統(tǒng)形成2個串聯的A/O單元,脫氮效果良好。郭如美等研究發(fā)現,濕地中細菌數量豐富,氮去除效果較好。王泉等研究發(fā)現,硝化/反硝化強度測定結果與細菌計數結果和水質沿程變化趨勢相呼應。2.5沸石礦物的凈化效果人工濕地系統(tǒng)中,植物根莖在基質中的分布影響硝化作用,基質環(huán)境中的枯枝、生物膜碎屑及底質層中可利用的碳源,提供了反硝化條件,有利于各種脫氮微生物的生長。不同的基質床體,形成不同的滲透能力和凈化機理,對濕地的凈化處理效果有明顯影響,如礫石床人工濕地可以通過區(qū)根效應有較快的硝化作用。陳世朋等發(fā)現,沸石對NH3--N的吸附作用是脫氮的重要途徑,硝化和反硝化作用提高了TN的去除率。但是,在某些系統(tǒng)中,由于厭氧環(huán)境的存在使一些被填料截留的含氮有機物發(fā)生分解,又重新回到處理水中,使出水的氨氮濃度增大。劉慎坦等發(fā)現,基質類型對人工濕地中硝化細菌和反硝化細菌的數量和空間分布有較大影響,并且易形成上層以硝化菌為主的硝化反應區(qū)和下層以反硝化菌為主的反硝化區(qū)。楊曉忠發(fā)現,沸石具有巨大的比表面積,對銨態(tài)氮具有極強的選擇吸附性,可快速截留污水中的氨氮。但吸附并不能作為氨氮去除的最終途徑。2.6濕地系統(tǒng)的組成付融冰等研究發(fā)現,植物吸收、存儲僅占濕地總氮去除量的10%左右。Vymazal等研究表明,種有植物的水平潛流濕地處理效果要好于沒有種植植物的濕地系統(tǒng)。王偉濤等研究顯示,水生植物塘在生長旺季,氨氮去除率為80%~98%。陳慶昌等發(fā)現,石菖蒲人工濕地和白鶴芋人工濕地對氨氮都有較好的去除效果,而對TN的去除率則較差。謝龍等發(fā)現,花葉蘆竹人工濕地具有很好的硝化反硝化能力。王全金等分別以不同的植物植被構建潛流人工濕地(植物床),對TN的去除滿足1級反應動力學方程,且相關性顯著。Singer等也研究發(fā)現,氮的去除可由季節(jié)性的牧草來去除,不同的牧草去除氮效果不一樣。2.7潛流濕地對tn的去除效果由于人工濕地的脫氮機理是基于生物代謝過程,因此濕地中脫氮水力停留時間(HRT)較長。張榮社等研究發(fā)現,潛流濕地氮去除效率和水力停留時間呈正相關關系。延長HRT有利于提高人工濕地的脫氮效率。有研究指出,濕地中NH4+-N和TKN的濃度隨HRT的延長呈指數下降,其去除率是HRT的二次函數,且與進水中的濃度無關,一般8~20天最為理想。Huett研究發(fā)現,水力停留時間為3.5~7.0天的效果較好。水力負荷較小時,污水在濕地系統(tǒng)內的停留時間比較長,系統(tǒng)處于厭氧狀態(tài),從而抑制硝化作用,當水力負荷過大時,水里停留時間較短,無法達到硝化菌的世代時間,同時部分硝化菌會隨水流帶出系統(tǒng)。陳慶昌等實驗發(fā)現,水力負荷以0.15~0.20m3/(m2·d)之間時獲得較好的處理效果。張榮社等認為,HRT為22~30天時,系統(tǒng)總氮去除率較好。陳秀榮等發(fā)現,表面流濕地內植物對氨氮吸收/吸附和硝化過程為主要氮轉化途徑,潛流濕地內直接反硝化過程為主要脫氮途徑。王偉濤研究發(fā)現,水平潛流濕地對有機物降解、硝化反應、反硝化反應、TN去除率具有沿程同步性,種植植物有利于TN去除。于軍亭研究發(fā)現,采用往復流有助于形成脫氮的環(huán)境,具有濃密和較長根系的濕地植物如蘆葦、香蒲等有利于提高脫氮效率,沸石床去除氨氮效果更為明顯。3人工濕地的tn面積負荷去除率人工濕地對BOD、COD、SS及污染細菌的去除率可達90%以上,但對氮的去除率較低且不穩(wěn)定,在有預處理設施和處理面積足夠大(>50m2/(m3·d))的條件下,其總氮的去除可達90%以上。李旭東等研究表明,在相同進水水質和水力停留時間為1天的運行條件下,沸石潛流濕地脫氮效果最佳。付融冰等研究表明,濕地進水TN負荷與出水TN負荷去除之間有較好的線性關系,隨著水力停留時間的延長TN去除率也升高。杜曉麗等考察發(fā)現,改進型序批式垂直潛流人工濕地(MCBW)的脫氮能力大于序批式垂直潛流人工濕地(CBW)。譚洪新等研究水力停留時間(HRT)為0.4~1.1天條件下,隨HRT、水溫的增加,表面流人工濕地的TN面積負荷去除率線性增加。徐進等發(fā)現,復合型人工濕地的脫氮效果比較明顯。李松等針對人工濕地中溶解氧濃度不足和脫氮率偏低的問題,設計了自動增氧人工濕地,實驗表明對于提高人工濕地脫氮效率是有效的。表面流人工濕地已經廣泛地應用于處理生活、養(yǎng)殖污水,蓄積和凈化暴雨徑流,利用人工濕地控制面源污染,恢復和重建河流、湖泊濕地,在線凈化受污河、湖水等各個方面。Vymazal對世界各國的潛流人工濕地的處理效果進行統(tǒng)計,發(fā)現水平潛流人工濕地對BOD5和TSS以及COD均有較高的去除率,但是氮的去除效果不理想。4人工濕地的制備技術(1)強化硝化作用是濕地脫氮的控制步驟,主要措施是增加溶解氧,如跌水、曝氣、回流、間歇運行等。但是這些手段均會不同程度的增加運行費用,如何降低運行費用提高處理效果將是今后研究的主要方向。(2)強化反硝化作用,增加預處理設施,如表面流濕地和垂直流濕地結合布置。通過增加硝態(tài)氮、添加碳源促進硝化和反硝化過程。此外,要提高植物的脫氮效率,還需定期收割濕地植物。(3)建立完整的脫氮反應動力學模型。一些現有的模型基本為經驗模型,因而無法得到廣泛的應用。黃娟等采用遺傳BP神經網絡對濕地脫氮系統(tǒng)進行模擬、仿真計算以此來確定最佳運行工況,并將水位、水力停留時間等因素,提出可行的強化脫氮措施。(4)強化植物脫氮能力。篩選出脫氮能力強、根系發(fā)達、泌氧能力強的濕地植物,優(yōu)化植物混種方法。采用同位素追蹤技術,對濕地微生物進行動力學研究。也可采用生物基因技術對微生物、植物系統(tǒng)進行基因修飾,提高處理效果。(5)建立系統(tǒng)的人工濕地處理技術以及設計技術參數數據庫,為人工濕地系統(tǒng)的設計,運行提供合理的參數,強化脫氮效果,提高處理效率,降低設計和運行風險。此外,通過調整濕地設計參數、研發(fā)新型基質、改善濕地內部的徽環(huán)境,開發(fā)一些新工藝和組合工藝,如序批式人工濕地、好氧/厭氧多級串聯潛流人工濕地等措施,提高人工濕地系統(tǒng)處理效率,擴大運用范圍。因此,大力開發(fā)。大力開發(fā)、應用人工濕地污水處理技術,對中國水環(huán)境污染的治理和環(huán)境保護具有重大的意義,在中國具有廣闊的發(fā)展前景。5中國、國內外人工濕地脫氮技術的發(fā)展趨勢(1)目前,硝化反硝化脫氮技術影響因素主要有溶解氧、pH、基質、植物、水力負荷等,因此改善并優(yōu)化這些條件是提高脫氮效率的關鍵。鑒于中國現階段主要的濕地類型均為小規(guī)模,建議采用重力跌水充氧,減少運行費用,最佳反應溫度一般為20~25℃,pH6.5~8.5,采用富含鐵、鈣、硅和鋁等氧化物的基質或其他新型基質強化處理效果,優(yōu)化濕地植物,采用最佳水力負荷,提高處理效果。本研究中各種運行參數均是在特定條件下得到,因此在實際應用