自养反硝化技术在工业污水处理厂的应用

邱伟

摘 要：由于人类活动的影响，如生活污水和畜禽粪便的不当排放、化肥农药的滥用和流失等，因此水体中硝酸盐污染已成为重大环境问题。有报道称，水体中硝酸盐浓度过高可能导致包括高铁血红蛋白血症和癌症等严重的人类健康问题，以及水体富营养化等生态环境问题，因此，如何有效去除硝酸鹽一直是水处理领域的研究重点。

关键词：自养反硝化;深度脱氮;污水处理

引言

目前，城镇生活水平的提高增大了污水厂的处理负荷，污水厂的二级出水和工业生产等硝酸盐浓度也较高，与此同时，排放标准也在不断提升完善。国家对城镇污水中的总氮（totalnitrogen，TN）排放量控制在15mg/L（GB18918—2002），同时地方标准对氮的排放也有更明确的要求。面对日益提高的排放标准，传统的硝化反硝化工艺需增加曝气量和碳源量来达到标准，这不仅增加能耗，还增加运行成本。故需要探寻能耗更低的工艺来满足更高要求的氮排放标准。

1硫自养反硝化技术中的微生物群落

微生物群落是反应系统中微生物种群的集合，通常用相对丰度表示。群落结构决定了整个反应系统的生态功能和特性，其稳定性也是保证反应效果和抗水质变化能力的关键因素。对比了以硫化钠和硫代硫酸钠为电子供体的硫自养反硝化污泥系统中的造粒过程，并通过高通量焦磷酸测序分析了其微生物群落的差别，结果表明，在以硫化钠驱动的体系中，主要菌种为Halomonas和Lysobacter，相对丰度分别为17.19%和18.05%，在以硫代硫酸盐驱动的反硝化体系中，主要菌种为Thiobacillus和Sulfurimonas，相对丰度分别占15.01%和15.26%。建立了一种从城市污水厂厌氧污泥中富集硫自养反硝化菌的高效、经济的方式，通过以硫代硫酸盐为电子供体，在温度为30℃的厌氧条件下培养28d后，Thiobacillus菌种的相对丰度达到55%，表明从厌氧污泥成功富集了硫基自养反硝化菌群。以天然硫铁矿为基质的人工湿地系统中的微生物群落，发现系统中相对丰度最高的五大菌属分别为Anaeromyxobacter（4.9%）、Ramlibacter（4.8%）、Defluviicoccus（4.2%）、Azoarcus（3.7%）、Geobacter（3.4%），而硫自养反硝化菌Thiobacillus的相对丰度仅为0.12%。通过宏基因组学得到了反硝化硫转化相关强化生物除磷（DS-EBPR）反应器内11类菌种近乎完整的代谢通路，揭示并描述了各类菌种的相互作用和碳（C）、氮（N）、磷（P）、硫（S）元素的循环模式，不仅为硫自养反硝化技术的优化提供了理论依据，也拓宽了人们对不同元素在生物地球化学循环中的认识。

2耦合系统的不同菌属的协同作用

在PD/A系统中，通过控制C/N、pH等条件，NO-3-N在短程反硝化细菌的作用下还原至NO-2-N态，而ANAMMOX菌则是将短程反硝化的出水与NH+4-N进行氮的转化。在硫酸盐还原、反硝化、厌氧氨氧化和短程硝化工艺对有机废水进行处理时，在硫化物的条件下，检测到了CandidatusBrocadia菌，证实了厌氧氨氧化菌和反硝化菌能够共存。PD/A系统启动初期异养菌为系统的优势菌属，但反应一段时间后，厌氧氨氧化菌和短程反硝化菌逐渐增加;富集阶段，短程反硝化菌和厌氧氨氧化菌为系统的优势菌种，短程反硝化的主导菌为Thauera和Flavobacterium，ANAMMOX的主导菌为CandidatusBrocadia。膜内积累的NO-2-N虽抑制了完全反硝化的进行，但对ANAMMOX菌的富集培养起促进作用;此外，反硝化菌在低温环境下活性较低。对细菌进行测量分析发现，Thauera菌为短程反硝化的优势菌属，低温环境下Flavobacterium菌的占比较大，CandidatusBrocadia菌是膜内唯一的厌氧菌。在PD/A+PN/A耦合工艺中也发现Thauera菌属为短程反硝化的主导菌属，CandidatusKuenenia为ANAMMOX的主导菌属。

3地下水修复应用

自20世纪70年代以来，集约化的农业生产导致地下水硝酸盐污染成为一个全球性的环境问题。研究表明，在有机碳含量有限的地下含水层，自然发生的自养反硝化作用普遍占主导地位。采用同位素分析证实了在荷兰奥斯特拉姆的一个硝酸盐严重污染的硫铁矿砂质含水层中，硫铁矿是反硝化反应主要的电子供体，同时产生大量硫酸盐，以及硫单质、亚硫酸盐的一些中间产物。搭建了以硫单质和无烟煤为填料的硫自养反硝化柱，探究实际地下水的硫自养反硝化动力学过程，同时考察温度对动力学的影响，结果表明，该反应符合1/2级动力学模型，且反硝化效果受温度影响十分明显。以磁黄铁矿、硫单质和石灰石为填料，搭建了升流式的厌氧填充柱，考察了硫自养反硝化菌对模拟地下水中硝酸盐和砷的去除效果，研究发现，在停留时间为6h时，硫自养反硝化菌可同步并有效去除砷、硝酸盐和磷酸盐。采用烧杯进行实验，考察了酸洗硫铁矿的预处理方式对地下水中反硝化效率和硫酸盐产量的影响，结果表明，在不添加pH缓冲剂的条件下，酸洗硫铁矿可提高约8%的反硝化速率，并大幅降低硫酸盐的初始浓度。

结束语

基于污水处理厂对废水深度脱氮的需求，采用硫铁自养反硝化技术进行废水深度脱氮处理.小试结果表明硫铁自养反硝化的脱氮效率受运行温度与HRT的影响较大，反硝化的系统温度不宜低于20℃，HRT不宜低于0.6h.通过2000m3/d的中试试验考察了自养反硝化技术在工业污水处理厂实际应用时的脱氮性能及运行效果，为工业污水处理厂尾水的深度脱氮提供一定的理论基础及实用经验.开发了针对硫铁自养反硝化的PLC自控系统，基本实现全自动化控制，可以更及时有效地控制系统负荷，降低运行风险，提高运行效率.与传统的异养反硝化相比，该技术脱氮效果稳定，无需额外投加碳源，无出水COD超标的风险;但自养反硝化受低温影响较大，因此冬季时需要注意控制反硝化系统的运行温度与脱氮负荷.

参考文献

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