同时产甲烷反硝化技术去除废水中碳、氮污染物研究

何清明，叶香琴

(泰州学院 医药与化学化工学院,江苏 泰州 225300)

微生物厌氧技术常以能耗低、占地空间小及能源可回收等优势备受国内外学者关注。然而，传统厌氧技术往往以脱C为首要任务，厌氧发酵后发酵液中N元素大量累计，同时有机氮与无机氮的转换，对后续的好氧脱氮造成一定的影响，在一定程度上阻碍的厌氧技术的实际推广应用。针对此问题，国内外学者提出将产甲烷和反硝化有机结合，即产甲烷反硝化技术(SMD)，来实现有机废水中碳、氮的同时去除。因此研究开发厌氧同时反硝化/产甲烷工艺对于高含氮有机废水脱氮而言，对工程开发应用具有重要意义。

1 同时产甲烷反硝化技术原理

在常规厌氧发酵技术中，反硝化技术脱氮和厌氧产沼技术往往分别置于不同独立的反应罐体中，并分别由对应的几乎完全不同的微生物独立代谢，反硝化是有反硝化细菌在废水中对NO2-或NO3-的还原脱氮的过程，传统观点认为反硝化与产甲烷不能很好的共存，主要原因有以下四点：一是反硝化过程中过量的NO2-或NO3-会对产甲烷细菌产生毒害、抑制作用；二是反硝化过程的的产能系数比产甲烷要高，当硝酸盐氮存在时，产甲烷过程往往滞后于反硝化过程，直接导致硝酸盐细菌的繁殖并成为优势菌种，从而淘汰产甲烷微生物；三是快速的反硝化过程也会对发酵罐中的pH产生影响，pH波动也会对产甲烷细菌的活性造成一定的影响。四是二是NO2-或NO3-的存在的存在使发酵过程中氧化还原电位(ORP)升高，对体系中甲烷微生物活性产生抑制。为了避免或使产甲烷反硝化有机共存，关键是如何减少NO2-或NO3-对甲烷菌的抑制。通过对颗粒污泥的培养可使发酵过程中的产CH4和硝酸盐脱氮反硝化细菌较好的共存。采用厌氧颗粒污泥驯化实现C、N(NO2-或NO3-)同时去除，颗粒污泥表面区域存在活性强反硝化微生物，反硝化微生物可在颗粒污泥表面对硝酸盐进行反硝化，从而消除NO2-或NO3-对颗粒污泥内部甲烷微生物菌属的抑制，同时，由于产甲烷菌属处于颗粒污泥内部，因此有利于其稳定代谢繁殖，从而达到理想的同时产甲烷反硝化颗粒模型(见图1)。

图1 颗粒污泥产甲烷反硝化模型

2 同时反硝化-产甲烷技术(SMD)应用

近年来，部分学者已成功在一个反应罐中实现了SMD，并应用于实际的工业污染物的处理。该工艺于反应器中发生反硝化作用产生的碱度可有效避免发酵罐酸化，还可以节省C源，不仅可回收有机质能源，还可减轻后续好氧过程的脱氮压力。

He[3]利用同时产甲烷反硝化技术处理高浓度畜禽粪水，氨氮去除率主要为 95%，亚硝氮积累率在 70%～90%之间；系统对 COD 去除率在 94%以上，对NH4+-N去除率最高可达到 99%，系统运行效果颇好。

祖波等人[4]利用膨胀颗粒污泥床(EGSB)启动颗粒污泥，在EGSB反应器耦合富集了甲烷化、反硝化和厌氧氨氧化污泥。重点研究了其动力学特性，及亚硝酸盐对甲烷化、反硝化和厌氧氨氧化的动力学影响研究。课题是联合BAF-EGSB反应器协同处理废水,实现短程硝化反应器和EGSB反应器一同除氮。CODCr,氨氮,亚硝态氮和总氮去除率分别为85%，35%，99.9%和67%。

釜山国立大学Im Jeong-hoon等[5]，利用上流式厌氧生物膜反应器(有体积占70%填料)﹣好氧硝化联合反应器进行同时产甲烷反硝化﹣硝化脱除有机质和氮素，利用自配有机碳源作为反硝化的碳源。产生的沼气量 0.33 m3/kgCOD，CH4，CO2，N2含量分别为66%～75%，22%～32%，2%～3%。有机物去除率为15.2 kgCOD/ m3·d-1，NH4+-N去除率为0.84 kgNH4+-N/ m3·d-1，最大反硝化速率为0.5 kgNO3-N/ m3·d-1。

Corral等人[6]采用SMD处理低C/N比养殖业废水，通过向USBF反应器投加NOx--N来培养反硝化颗粒污泥，初期COD去除率达到80%，增加NOx--N比例，发酵反应器中产气量下降。

Eiora等[7]以甲醛为碳源，于上流式厌氧污泥床反应器中接种活性污泥，投加硝酸盐同等浓度的尿素，成功地培养出了SMD颗粒污泥，在0.4～3.0 kgCOD·m-3·d-1和0.06～0.44 kgNO3--N·m-3·d-1负荷下,甲醛和硝酸盐二者去除率几乎达到100%。

3 结论

总体来说，同时产甲烷反硝化菌的相关研究还较少[8]，处理废水的碳氮浓度也较低，还有很多问题还未解决。①产甲烷污泥和反硝化污泥的稳定耦合富集条件有待研究；②从机理上通过对各项工艺参数的控制研究，特别包括颗粒污泥微观性状的研究，力求寻找最优的产甲烷反硝化工艺条件或脱氮条件。