豬場廢水生物脫氮技術(shù)研究的國內(nèi)外文獻(xiàn)綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u14470豬場廢水生物脫氮技術(shù)研究的國內(nèi)外文獻(xiàn)綜述 142161.1傳統(tǒng)硝化-反硝化工藝 136921.2短程硝化-反硝化工藝 2290951.3厭氧氨氧化工藝 395741.4兩級短程硝化-厭氧氨氧化工藝 5214481.5自養(yǎng)型同步脫氮工藝 5豬場廢水因其高濃度的有機(jī)和無機(jī)碳、氮、磷而被列為污染最嚴(yán)重的農(nóng)用工業(yè)廢水之一[10]。在厭氧消化以后，氨氮成為豬場廢水中主要的氮素污染物，其可通過各種物理化學(xué)或生物學(xué)的手段從廢水中去除。其中，生物處理法由于其經(jīng)濟(jì)、簡便、不易產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點(diǎn)，在豬場廢水脫氮中得到廣泛應(yīng)用[17,18]。目前常見的豬場廢水生物脫氮技術(shù)主要有：傳統(tǒng)硝化-反硝化工藝(Conventionalnitrification/denitrificationprocess)、短程硝化-反硝化工藝(Partialnitrification/denitrificationprocess)、厭氧氨氧化工藝(Anaerobicammoniumoxidation,Anammox)、短程硝化-厭氧氨氧化(Partialnitrification-Anaerobicammoniumoxidation,PN-Anammox)工藝等。1.1傳統(tǒng)硝化-反硝化工藝硝化-反硝化工藝是廢水生物處理方法中最為傳統(tǒng)且應(yīng)用最廣泛的工藝[19]。傳統(tǒng)的硝化-反硝化工藝由兩個(gè)部分組成，即硝化過程和反硝化過程。硝化作用是在好氧條件下，氨(NH4+)被化能自養(yǎng)微生物氧化為硝酸鹽（NO3-）的過程，而硝化作用又進(jìn)一步分為兩個(gè)步驟：氨氧化為亞硝酸鹽(NH4+→NO2-，氨氧化)和亞硝酸鹽氧化為硝酸鹽(NO2-→NO3-，亞硝酸鹽氧化)（圖1-1)。氨氧化和亞硝酸鹽氧化這兩個(gè)階段一般由不同種類的細(xì)菌完成。氨氧化作用主要由自養(yǎng)型氨氧化微生物(Ammonia-oxidizingmicrobes，AOM)介導(dǎo)發(fā)生，AOM包括氨氧化細(xì)菌(Ammonia-oxidizingbacteria,AOB)和氨氧化古菌(Ammonia-oxidizingarchaea,AOA)兩大類，一般來說在污水生物處理系統(tǒng)中，AOB是其中介導(dǎo)氨氧化的主要功能菌群；而亞硝酸鹽氧化過程主要由亞硝酸鹽氧化細(xì)菌(Nitrite-oxidizingbacteria,NOB)來執(zhí)行。AOM利用氨作為電子供體，分子氧作為電子受體，以二氧化碳為碳源，將NH4+氧化為NO2-；進(jìn)一步地，NOB以NO2-為電子供體，分子氧作為電子受體，將NO2-氧化為NO3-，這就是硝化作用的全過程[18]。反硝化過程(Denitrificationprocess)是異養(yǎng)反硝化菌(Denitrificationbacteria,DB)利用廢水中的各類有機(jī)物作為電子受體，將NO3-還原為NO2-再進(jìn)一步還原為N2的過程(圖1-1)。由于反硝化作用由異養(yǎng)型細(xì)菌完成，因此傳統(tǒng)硝化-反硝化工藝需大量易降解有機(jī)物作為碳源[21]。但是豬場糞污在厭氧消化回收能量后，剩余的豬場厭氧消化液中有機(jī)物含量無法滿足硝化-反硝化工藝的碳源需求，需額外添加碳源，導(dǎo)致傳統(tǒng)硝化-反硝化工藝的脫氮效能低、能耗高[23]。1.2短程硝化-反硝化工藝短程硝化-反硝化工藝是在傳統(tǒng)硝化-反硝化工藝的基礎(chǔ)上進(jìn)行改良而來。由于NO2-是硝化和反硝化過程共同的中間產(chǎn)物[24]，因此，硝化和反硝化作用之間能夠通過NO2-這一中間產(chǎn)物耦合起來，使得硝化過程第二步(NO2-→NO3-）直接省略，反硝化過程直接從NO2-的還原開始進(jìn)行。和傳統(tǒng)的硝化-反硝化工藝相比，短程硝化-反硝化工藝免去了亞硝酸鹽進(jìn)一步氧化為硝酸鹽的過程，能夠有效減少25%的氧氣供應(yīng)、40%的有機(jī)物(用于反硝化)添加、50%的反應(yīng)器體積[25]；將反硝化過程的速度提高1.5~2倍，大大縮短反硝化階段的時(shí)間[26]；還能夠在硝化過程中和反硝化過程中分別降低35%和55%污泥產(chǎn)量[27](圖1-2)。因?yàn)樯鲜鰞?yōu)點(diǎn)，短程硝化-反硝化工藝特別適合處理低C/N比廢水，但此工藝在實(shí)際工程中應(yīng)用實(shí)例不多。究其原因，是短程硝化-反硝化工藝易受環(huán)境因素影響。通常來說，亞硝酸鹽的氧化速度比氨氧化的速度快，因此亞硝酸鹽很少在環(huán)境中累積[29]。因此如何在高效脫氮的前提下，調(diào)控運(yùn)行參數(shù)實(shí)現(xiàn)有效短程硝化是該工藝的關(guān)鍵技術(shù)問題。迄今為止，國內(nèi)外學(xué)者們針對如何有效調(diào)控短程硝化這一過程做了大量的研究。目前已知控制部分運(yùn)行參數(shù)可抑制亞硝酸鹽氧化過程，如提高游離氨濃度[30]、pH值[31]、溫度[32]、游離羥胺濃度[33]，降低DO濃度[34]、污泥停留時(shí)間(Sludgeretentiontime,SRT)等，目前也有研究表明添加化學(xué)抑制劑也能達(dá)到抑制亞硝酸鹽氧化過程實(shí)現(xiàn)短程硝化的目的[35]。雖然可以通過以上操作來實(shí)現(xiàn)短程硝化，但這些方法依然不能解決短程硝化-反硝化過程中存在的約束復(fù)雜、啟動(dòng)周期長、長期過程性能不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。綜上所述，通過這些控制手段在實(shí)際工程應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)長期穩(wěn)定的短程硝化仍然具有一定的難度。1.3厭氧氨氧化工藝自從20世紀(jì)90年代初厭氧氨氧化過程發(fā)現(xiàn)以來[36]，厭氧氨氧化因其具有去除效率高、能耗低、不需要外源有機(jī)物和污泥產(chǎn)率低等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注，是一種極具前景的生物脫氮工藝。厭氧氨氧化(Anaerobicammoniumoxidation,Anammox)工藝主要利用厭氧氨氧化菌介導(dǎo)的厭氧氨氧化反應(yīng)來進(jìn)行廢水脫氮。厭氧氨氧化菌是化能自養(yǎng)型細(xì)菌，無需提供有機(jī)物為碳源，因此在處理豬場厭氧消化液等低C/N比廢水方面優(yōu)勢顯著。Anammox反應(yīng)的化學(xué)方程式為：NH→1.02N雖然厭氧氨氧化工藝是一項(xiàng)很有前景的生物脫氮技術(shù)，但是目前在全世界范圍內(nèi)并沒有得到廣泛的大規(guī)模應(yīng)用。目前，限制厭氧氨氧化工藝在實(shí)際廢水處理中廣泛應(yīng)用的核心問題是:厭氧氨氧化細(xì)菌生長速率低、細(xì)菌對環(huán)境變化的抵抗力弱以及仍然會產(chǎn)生部分硝酸鹽等問題[37,38]。首先，厭氧氨氧化菌生長緩慢。Lotti等人富集了高純度的厭氧氨氧化細(xì)胞培養(yǎng)物，研究了懸浮狀態(tài)下厭氧氨氧化細(xì)胞生長速率，表明在最適宜條件下，厭氧氨氧化細(xì)胞的比生長速率達(dá)0.21d-1，對應(yīng)倍增時(shí)間為3.3天[39]。厭氧氨氧化懸浮細(xì)胞生長速度比以往文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)都要快，盡管如此，厭氧氨氧化細(xì)菌生長速率仍低于其他主要脫氮微生物。據(jù)Guven等人的研究，典型AOB細(xì)菌Nitrosomonaseuropaea在連續(xù)培養(yǎng)中的倍增時(shí)間為13h[40]；而Wang等發(fā)現(xiàn)反硝化菌Pseudomonasstutzeri的比生長速率為0.154h-1，倍增時(shí)間為4.5h[41]。因此在一般的污水處理系統(tǒng)中，厭氧氨氧化細(xì)菌很難占據(jù)主要優(yōu)勢。其次，厭氧氨氧化菌對外界環(huán)境比較敏感，容易受溫度、pH、DO等因素影響，導(dǎo)致厭氧氨氧化工藝最終在實(shí)際應(yīng)用中受限。硝化作用是需氧過程，DO一般控制在1~4mg/L[42]。而厭氧氨氧化工藝是厭氧過程，當(dāng)進(jìn)水DO大于2.5mg/L時(shí)對厭氧氨氧化過程產(chǎn)生可逆抑制[43]。厭氧氨氧化工藝最佳的運(yùn)行溫度在30℃到40℃之間，而大多數(shù)國家的平均溫度難以達(dá)到此標(biāo)準(zhǔn)；厭氧氨氧化細(xì)菌的最適生長pH在6~9之間，但廢水的pH值受其中游離氨和游離亞硝酸鹽濃度變化影響，難以維持長期穩(wěn)定[44]。最后，由式(1)可知，厭氧氨氧化菌需要NH4+和NO2?作為底物，在廢水環(huán)境中需要由一定濃度的氨氮和亞硝氮才能發(fā)生厭氧氨氧化反應(yīng)，因此難以利用單一的厭氧氨氧化工藝來處理豬場廢水厭氧消化液。亞硝酸鹽是厭氧氨氧化細(xì)菌的主要底物之一，但是在大量廢水中含量均較低，包括豬場廢水。因此為了在不額外添加亞硝酸鹽的情況下處理厭氧消化出水并獲得較高的脫氮效率，厭氧氨氧化工藝通常需要與短程硝化(PN)、反硝化(DN)等工藝相結(jié)合為PN-anammox和DN-anammox[45-47]。1.4兩級短程硝化-厭氧氨氧化工藝短程硝化-厭氧氨氧化工藝(Partialnitritation(PN)-anaerobicammoniumoxidation(anammox)，PN-Anammox)，顧名思義，由短程硝化(Partialnitrification，PN)過程和厭氧氨氧化過程(Anammox)兩部分組成。比起單一的厭氧氨氧化工藝，前置了一個(gè)短程硝化過程，能夠給后續(xù)厭氧氨氧化過程提供所需的亞硝酸鹽底物。PN-Anammox工藝產(chǎn)生的污泥量很低，并且能夠降低50%的堿度消耗和62.5%的曝氣量[48,49]，目前全世界已有100余個(gè)擬建或者正在建設(shè)的PN-Anammox的中試或者工程用于處理高氨氮廢水，其中包括垃圾填埋場滲濾液、煉油廢水和污泥消化廢水等工業(yè)廢水，但尚無畜禽廢水[50,51]。兩級PN-Anammox分別在兩個(gè)反應(yīng)裝置內(nèi)進(jìn)行短程硝化過程和厭氧氨氧化過程。PN過程的出水進(jìn)入?yún)捬醢毖趸A段，為其提供充足的氨氮和亞硝酸鹽底物。兩級PN-Anammox對PN和Anammox兩個(gè)過程分別調(diào)控，可保持兩過程分別處于最適宜狀態(tài)，降低了厭氧氨氧化細(xì)菌被異養(yǎng)微生物過度生長抑制[52]或被過高溶解氧抑制的風(fēng)險(xiǎn)。但是由于PN與Anammox兩過程分別發(fā)生在兩個(gè)反應(yīng)裝置中，一方面在推廣應(yīng)用中設(shè)備占地成本和裝置成本激增，另一方面PN過程為酸化過程易導(dǎo)致酸抑制，且NOB會產(chǎn)生低溶氧耐受，難以長期穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)短程硝化。1.5自養(yǎng)型同步脫氮工藝自養(yǎng)型同步脫氮工藝是一種單級的PN-Anammox工藝。自養(yǎng)型同步脫氮(AutotrophicNitrogenRemoval,ANR)工藝以自養(yǎng)型好氧氨氧化菌(Ammonia-oxidizingmicroorganisms,AOM，包括氨氧化細(xì)菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA))[53]和自養(yǎng)型厭氧氨氧化菌(Anammox菌)[21]為主要功能微生物，利用AOM將部分氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝氮(NH3+1.5O2→NO2-+H2O+H+)，再利用Anammox菌將剩下的氨氮和亞硝氮同時(shí)轉(zhuǎn)化為氮?dú)?NH4++NO2-→N2+2H2O)，在一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)完成自養(yǎng)同步脫氮(NH4+→N2)[54]。與兩級PN-Anammox相比，其免去了兩反應(yīng)器基質(zhì)轉(zhuǎn)換和微生