亞硝酸型硝化的控制途徑
在簡捷硝化反硝化的兩個主要反應(yīng)步驟中，反硝化技術(shù)容易控制實(shí)現(xiàn)，因此硝化過程中穩(wěn)定持久的獲得NO2-N成為技術(shù)關(guān)鍵，實(shí)現(xiàn)硝化出水NO2-N高比例的控制技術(shù)也成為研究重點(diǎn)。目前能在一定時間內(nèi)控制硝化處于亞硝酸階段的途徑有四種：①亞硝酸細(xì)菌的純種分離與固定化技術(shù)；②控制溫度造成不同增長速率形成“分選壓力”的SHARON途徑；③游離氨抑制硝酸細(xì)菌增長的選擇性抑制途徑；④控制硝化細(xì)菌基質(zhì)造成兩類細(xì)菌增長速率不同的氧缺乏競爭途徑。
1 純種分離與固定化技術(shù)途徑
該途徑的機(jī)理是利用純種分離后富集培養(yǎng)的亞硝酸細(xì)菌固定化，從而維持反應(yīng)器內(nèi)菌群為純亞硝酸細(xì)菌或以亞硝酸細(xì)菌為主體，從而實(shí)現(xiàn)硝化出水中NO2-N的高比例。
利用固定化微生物技術(shù)強(qiáng)化生物脫氮是近10年來生物脫氮領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一，利用固定化載體海藻酸鈉和聚乙烯醇(PVA)等將亞硝酸細(xì)菌包埋后固定化，裝于特別設(shè)計(jì)的反應(yīng)器內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的亞硝酸型硝化，在與反硝化細(xì)菌混合包埋固定化的條件下可以實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化，日本已出現(xiàn)了處理能力為11300m3/d的工業(yè)化裝置。
亞硝酸細(xì)菌純種分離后固定化可以獲得穩(wěn)定的NO2-N積累，在技術(shù)實(shí)踐中取得了一定成功，但該技術(shù)存在因固定化細(xì)菌退化使硝化能力下降的問題，固定化細(xì)菌反應(yīng)器經(jīng)過一定時間的運(yùn)行后需進(jìn)行固定化細(xì)菌的替換或活化。針對復(fù)雜的廢水體系，解決經(jīng)純種分離后富集培養(yǎng)的亞硝酸細(xì)菌對實(shí)際高氨廢水的適應(yīng)性問題的關(guān)鍵是對采用混合菌還是單一高效菌分級處理進(jìn)行優(yōu)化，同時降低固定化載體的成本并提高其使用壽命。
2 SHARON 工藝途徑
SHARON工藝的理論基礎(chǔ)是在高溫條件下(＞25℃)，亞硝酸細(xì)菌的增長速率高于硝酸細(xì)菌，完全混合反應(yīng)器不進(jìn)行污泥回流，因而污泥停留時間(SRT)等同于水力停 留時間(HRT)，控制HRT大于亞硝酸細(xì)菌的世代時間，小于硝酸細(xì)菌的世代時間，實(shí)現(xiàn)硝酸細(xì)菌的“淘洗”，使反應(yīng)器內(nèi)主要為亞硝酸細(xì)菌。該工藝的本質(zhì)是通過控制環(huán)境溫度造成兩類細(xì)菌不同的增長速率，利用該動力學(xué)參數(shù)的不同造成“分選壓力”。此外，文獻(xiàn)中也強(qiáng)調(diào)了pH值對兩類細(xì)菌競爭的影響，認(rèn)為除了溫度外，pH值對于亞硝酸細(xì)菌與硝酸細(xì)菌的競爭 以及獲得出水中較低的NH4+-N濃度也非常重要。
SHARON工藝的成功在于：①利用了溫度這一重要因素，提高了亞硝酸細(xì)菌的競爭能力；②利用完全混合反應(yīng)器在無污泥回流條件下SRT與HRT的同一性，控制HRT實(shí)現(xiàn)硝酸細(xì)菌的“淘洗”；③實(shí)現(xiàn)對pH值的成功控制，較高的pH值不僅抑制了硝酸細(xì)菌，也消除了自由亞硝酸(FNA)對亞硝酸細(xì)菌的抑制。該工藝的成功運(yùn)行表明，亞硝酸型硝化控制因子的探討是一個系統(tǒng)工程，任何一個控制因子的確定除了要明確它本身會對兩類硝化細(xì)菌的動力學(xué)特性產(chǎn)生何種影響外，還要將其他影響因素控制在有利于亞硝酸細(xì)菌的范圍內(nèi)。如考察溫度的影響時應(yīng)同時考慮因溫度變化導(dǎo)致的游離氨濃度與pH值的變化對亞硝酸型硝化的影響。
3 游離氨的選擇性抑制途徑
抑制途徑的機(jī)理是利用特定的抑制因子抑制硝酸細(xì)菌而對亞硝酸細(xì)菌不抑制或抑制作用較輕，從而使反應(yīng)器內(nèi)亞硝酸細(xì)菌占優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)出水NO2-N高比例。選擇性抑制途徑從根本上 講是硝化基質(zhì)(FA)濃度超過硝酸細(xì)菌的轉(zhuǎn)化利用閾值，而低于亞硝酸細(xì)菌的轉(zhuǎn)化利用閾值。其代表性理論是Anthonisen的選擇性抑制學(xué)說。
Anthonisen及后來國內(nèi)外許多亞硝酸鹽氮積累研究者發(fā)現(xiàn)：游離氨對兩類硝化細(xì)菌的抑制作用(毒性)不同，硝酸細(xì)菌對游離氨的敏感性要高于亞硝酸細(xì)菌，并就FA對兩類細(xì)菌的抑制濃度閾值進(jìn)行了研究，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)0.6mg/L的FA幾乎就可以全部抑制硝酸菌的活性，從而使NO2-N的氧化受阻，出現(xiàn)NO2-N積累；而對亞硝酸菌只有當(dāng)FA濃度＞5mg/L時才會對其活性產(chǎn)生影響，達(dá)到40mg/L才會嚴(yán)重抑制亞硝酸氮的形成。從這個結(jié)果出發(fā)的抑制選擇性學(xué)說認(rèn)為，通過調(diào)整pH值控制反應(yīng)器內(nèi)FA的濃度在抑制硝酸細(xì) 菌而不抑制亞硝酸細(xì)菌的閾值內(nèi)，可以抑制硝酸細(xì)菌的增長而使亞硝酸細(xì)菌成為反應(yīng)器內(nèi)硝化反應(yīng)主體，實(shí)現(xiàn)亞硝酸型硝化。
為了闡明FA抑制的機(jī)理，Turk與Mavinic精心設(shè)計(jì)了一套試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由5個串聯(lián)的完全混合反應(yīng)器構(gòu)成以使系統(tǒng)內(nèi)形成推流流態(tài)。第一個反應(yīng)器的控制處于反硝化運(yùn)行，pH值較高，F(xiàn)A濃度控制在抑制硝酸細(xì)菌而不抑制亞硝酸細(xì)菌的范圍內(nèi)；通過第一個反應(yīng)器的活性污泥，其中硝酸細(xì)菌被認(rèn)為受到抑制，因此在后續(xù)的反應(yīng)器內(nèi)應(yīng)出現(xiàn)亞硝酸氮積累，試驗(yàn)結(jié)果卻表明亞硝酸氮的積累并不穩(wěn)定，分析原因是由于硝酸細(xì)菌能夠逐漸適應(yīng)不斷升高的FA造成的。Alleman等也在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了試驗(yàn)時間超過150d后出現(xiàn)硝化出水中NO2-N比例下降的問題。
由于對FA抑制選擇學(xué)說的機(jī)理比較清楚，目前比較統(tǒng)一的認(rèn)識是，對于高FA濃度，于變異與適應(yīng)性的原因，硝酸細(xì)菌會逐漸適應(yīng)高濃度FA，因而許多研究者在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)出水中NO2-N比例不穩(wěn)定的情況，而這是作為控制因素必須避免的。
4 Bernet的基質(zhì)缺乏競爭途徑
Kuai、Hanaki、王志盈等在研究中發(fā)現(xiàn)了在低DO的條件下反應(yīng)器出水中NO2-N濃度上升的現(xiàn)象。許多研究者進(jìn)行了利用控制DO實(shí)現(xiàn)亞硝酸型硝化的研究。Bernet提出了基質(zhì)缺乏競爭學(xué)說，該學(xué)說的理論基礎(chǔ)是兩類硝化細(xì)菌對氧的親和力不同，從亞硝酸細(xì)菌氧飽和常數(shù)低于硝酸細(xì)菌這一假設(shè)出發(fā)，證明了降低DO尤其是在DO＜1.0mg/L條件下對提高亞硝酸細(xì)菌的競爭力有利；受DO下降的影響，亞硝酸細(xì)菌與硝酸細(xì)菌的增長速率均下降，然而硝酸細(xì)菌的下降比亞硝酸細(xì)菌要快，導(dǎo)致亞硝酸細(xì)菌的增長速率超過硝酸細(xì)菌，使生物膜上的細(xì)菌以亞硝酸細(xì)菌為主體，出現(xiàn)亞硝酸鹽氮積累。
為了證明所提學(xué)說的正確性和DO作為亞硝酸型硝化控制因素的可行性，Bernet利用生物膜反應(yīng)器進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)過程分為完全硝化掛膜、一次降低DO、提高DO濃度、二次降低DO濃度等步驟，證明了在DO＜0.5mg/L條件下可以實(shí)現(xiàn)亞硝酸型硝化，出水中NO2-N的比例在90%以上；并且在受到?jīng)_擊后(DO濃度升高)能迅速恢復(fù)，但應(yīng)該注意的是，試驗(yàn)系統(tǒng)在經(jīng)過DO濃度升高沖擊后，出水中NO2-N比例下降了10% 。
低DO條件下亞硝酸型硝化的機(jī)理目前研究尚不十分透徹，因而存在不同觀點(diǎn)，多數(shù)研究人員認(rèn)為DO可以作為亞硝酸型硝化的控制因素，然而亞硝酸細(xì)菌和硝酸細(xì)菌的不同屬在 氧親和力即氧飽和常數(shù)方面是有交叉的，亞硝酸細(xì)菌的氧飽和常數(shù)為0.6～3.6，硝酸細(xì)菌的氧飽和常數(shù)為0.3～1.7，不同條件下可能出現(xiàn)不同屬的硝化細(xì)菌占優(yōu)勢，因而Bernet進(jìn)行理 論推導(dǎo)的假設(shè)是需要探討的。另外，在經(jīng)過一次DO升高沖擊后出水中NO2-N的比例下降了10%，這是否是硝酸細(xì)菌對低DO適應(yīng)性增強(qiáng)造成的(因?yàn)檠躏柡统?shù)較低的硝酸細(xì)菌在反應(yīng)器內(nèi)也是存在的)?其下降的原因需要進(jìn)一步研究。
5 結(jié)語
在工程實(shí)踐中，由于廢水的復(fù)雜性以及兩類細(xì)菌在各方面的相似性，亞硝酸細(xì)菌與硝酸細(xì)菌會同時存在于反應(yīng)器內(nèi)；由于微生物的變異性，采用抑制途徑實(shí)現(xiàn)亞硝酸型硝化必然會導(dǎo)致微生物對不良環(huán)境的適應(yīng)性，致使系統(tǒng)在運(yùn)行過程中不耐沖擊負(fù)荷，并且每次沖擊都會使硝酸細(xì)菌因適應(yīng)性增強(qiáng)而競爭性增強(qiáng)，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行失效。
SHARON工藝的成功運(yùn)行表明，亞硝酸型硝化的穩(wěn)定運(yùn)行是各個影響因素共同作用的結(jié)果，控制因素的確定應(yīng)從兩類細(xì)菌不同的動力學(xué)特性出發(fā)并結(jié)合工程控制來實(shí)現(xiàn)；控制因素的確定應(yīng)在考慮該因素對亞硝酸型硝化影響的同時，考察該因素變化對其他影響因素的影響以及這些影響因素的變化對亞硝酸型硝化的影響。
對于亞硝酸型硝化的影響因素應(yīng)進(jìn)行深入研究，特別是弄清楚其影響機(jī)理;同時研究不同的反應(yīng)器形式與控制因素的合理結(jié)合，通過控制并輔以有利的反應(yīng)器形式或運(yùn)行方式實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的亞硝酸型硝化。
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