重慶純水設(shè)備解讀：水體中氨氮的去除成為水處理領(lǐng)域研究的重點(diǎn)與熱點(diǎn)
【重慶水處理設(shè)備網(wǎng)http://xqccscq.com/】隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，工業(yè)廢水和生活污水量逐年增加。由于氨氮是水中的主要污染物之一，水中氨氮的去除已成為水處理領(lǐng)域的焦點(diǎn)和熱點(diǎn)。 沸石是一種具有獨(dú)特多孔結(jié)構(gòu)的天然材料。其三維骨架中大量的孔隙和孔洞決定了沸石具有很強(qiáng)的吸附和離子交換能力。沸石因其價(jià)廉易得，常被用作氨氮吸附劑，廣泛應(yīng)用于污水處理領(lǐng)域。 研究表明，沸石可以與活性污泥等生物處理工藝相結(jié)合，從而提高系統(tǒng)的脫氮效率，富集功能菌。因此，沸石作為一種天然材料，在強(qiáng)化生物脫氮過程中具有很大的應(yīng)用前景。 1號沸石對反硝化微生物的影響 傳統(tǒng)的生物脫氮主要由好氧環(huán)境中的氨氧化菌(AOB)、硝化菌(NOB)和反硝化菌(DNB)來完成。厭氧氨氧化細(xì)菌(Anammox細(xì)菌)可以在厭氧條件下直接將亞硝酸鹽氮與氨氮反應(yīng)生成氮?dú)狻Ｔ诜惺臀⑸锫?lián)合反硝化工藝中，投加沸石會改變反硝化功能菌的豐度，如表1所示。 沸石組合生物技術(shù)在廢水脫氮領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展 注:“+”表示菌株豐度增加，“-”表示菌株豐度減少。 楊永元等采用沸石作為曝氣生物濾池(BAF)反應(yīng)器的填料。長期運(yùn)行結(jié)果表明，反應(yīng)器中AOB的富集效果顯著，亞硝化菌科(科級)豐度由1.5%提高到61.6%。 徐鵬等人發(fā)現(xiàn)，以沸石為基質(zhì)的人工濕地系統(tǒng)中NOB的豐度高于其他材料構(gòu)建的濕地系統(tǒng)。該沸石應(yīng)用于序批式反應(yīng)器，并運(yùn)行了很長時(shí)間。結(jié)果表明，沸石促進(jìn)了反硝化細(xì)菌數(shù)量的增加。 韓振峰等使用沸石作為人工濕地的基質(zhì)填料，檢測結(jié)果顯示陶氏菌和不動桿菌的豐度明顯增加。 子松等采用沸石復(fù)合聚氨酯海綿作為移動床生物膜反應(yīng)器反硝化過程的填料。結(jié)果表明，與單一的聚氨酯海綿填料系統(tǒng)相比，沸石復(fù)合填料系統(tǒng)中反硝化細(xì)菌Thermomonas、Thauera、Brevundimonas和黃桿菌的數(shù)量明顯增加。 盛遠(yuǎn)裴等發(fā)現(xiàn)，以沸石為填料的人工濕地系統(tǒng)中厭氧氨氧化反應(yīng)得到強(qiáng)化；重慶實(shí)驗(yàn)室純水設(shè)備進(jìn)一步檢測表明，厭氧氨氧化細(xì)菌的豐度高于其他填料系統(tǒng)。沸石組合厭氧氨氧化工藝的長期運(yùn)行結(jié)果表明，厭氧氨氧化系統(tǒng)中富集了浮游菌屬和變形菌屬，在屬的水平上富集了庫恩假絲酵母屬。 沸石對不同屬的微生物會有不同的作用。加入沸石后，部分菌株受到抑制。楊永元等研究表明，以沸石為填料的曝氣生物濾池長期運(yùn)行后，硝化螺菌和硝化細(xì)菌的豐度下降。 沸石2在生物脫氮過程中的作用機(jī)理 沸石在生物脫氮過程中的作用機(jī)理包括以下幾種方式:重慶純水設(shè)備 (1)沸石作為離子交換劑，可以與氨氮發(fā)生離子交換反應(yīng)； (2)沸石的多孔結(jié)構(gòu)使其成為良好的生物載體； (3)沸石可以改善反硝化過程的反應(yīng)條件。 沸石作為離子交換劑，具有儲存氨氮的特性。在低濃度氨氮條件下，沸石可以用水中的NH4+取代自身結(jié)構(gòu)中的Na+，形成局部富氨微環(huán)境，為硝化細(xì)菌提供反應(yīng)底物。系統(tǒng)中的硝化細(xì)菌氧化沸石表面的氨氮，促使沸石形成新的吸附位點(diǎn)，完成沸石的生物再生，最終實(shí)現(xiàn)硝化細(xì)菌的富集。與天然沸石相比，在序批式反應(yīng)器中使用單位氨氮吸附量更高的改性沸石作為填料，會使亞硝化單胞菌的豐度更高(從15.04%提高到18.26%)，這也證明了沸石吸附氨氮形成的富氨環(huán)境是沸石富集AOB和NOB的重要條件。 沸石與氨氮之間的離子交換反應(yīng)是短程硝化的主要原因。通過控制沸石系統(tǒng)進(jìn)水中的氨氮負(fù)荷，改變沸石與氨氮之間的動態(tài)平衡，使系統(tǒng)中FA濃度始終處于NOB的抑制范圍內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)短程硝化工藝的穩(wěn)定運(yùn)行。 Gyuan Yang等人的研究證實(shí)，沸石曝氣生物濾池中FA的質(zhì)量濃度始終高于0.1 mg/L，長期運(yùn)行會導(dǎo)致NOB豐度下降。 沸石易附著微生物是沸石強(qiáng)化脫氮的另一個主要原因。由于沸石的疏松多孔結(jié)構(gòu)，沸石結(jié)合微生物工藝系統(tǒng)的污泥濃度大大提高，極大地解決了由于水流和氣流造成的反硝化功能菌流失問題，達(dá)到了強(qiáng)化生物脫氮的目的。 沸石反應(yīng)條件的改善有利于提高脫氮效率。在沸石系統(tǒng)中，沸石對重金屬離子等有害物質(zhì)的吸附可以降低重金屬離子等有害物質(zhì)對反硝化功能菌的毒性。沸石具有儲存氨氮的特性，可以改善硝化菌在高氨氮水中的反應(yīng)條件，降低FA對硝化菌的抑制作用，提高系統(tǒng)的反硝化性能。 3號沸石在傳統(tǒng)硝化反硝化工藝中的應(yīng)用 3.1沸石在硝化過程中的應(yīng)用 在活性污泥中加入沸石可以使活性污泥具有更高的硝化反應(yīng)速率。魏云等人在序批式反應(yīng)器中投加粉狀沸石，活性污泥附著在沸石表面形成沸石生物絮體，使反應(yīng)器中亞硝酸氮和硝酸氮的產(chǎn)生速率由10.0mg/(l·h)提高到13.5mg/(l·h)。厭氧階段沸石快速吸附氨氮，好氧階段污泥絮體氧化沸石富集的氨氮是系統(tǒng)具有較高硝化速率的原因。 沸石可以提高生物硝化的性能。A. A. FORBIS-STOKES等人分別采用生物炭、活性炭、沸石、鮑爾環(huán)和礫石作為滴濾介質(zhì)處理氨氮廢水。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，沸石滴濾塔的氨氮去除效果最好，氨氮去除率可達(dá)85%。 W.S. CHANG等人研究了以沸石、砂和活性炭為填料的曝氣生物濾池系統(tǒng)的硝化性能。保氮分析表明，沸石介質(zhì)中氨氮的去除有離子交換、硝化和細(xì)胞合成等不同方式，以沸石為填料的曝氣生物濾池系統(tǒng)脫氮性能最好。 B.HUNTER等在用不同填料構(gòu)建硝化滴濾塔的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，沸石填料的反硝化性能最好。隨著系統(tǒng)的運(yùn)行，沸石滴濾床出水的硝態(tài)氮濃度高于其他材料，證明添加沸石有利于強(qiáng)化硝化作用。 投加沸石后，系統(tǒng)的污泥濃度增加。蒙自王等在生物反應(yīng)器中加入沸石，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的懸浮生物量增加；系統(tǒng)中污泥質(zhì)量濃度可達(dá)1 577.2 mg/L，提高了34.2%。 子松等研究表明，與單一聚氨酯海綿相比，沸石復(fù)合聚氨酯海綿填料的系統(tǒng)生物量更高，能更好地防止接種期污泥絮體被沖刷。而且沸石粉提高了復(fù)合生物載體的比表面積，有利于污泥絮體的固定。 徐等在硝化細(xì)菌溶液中添加沸石制備生物沸石。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，硝化細(xì)菌可以在沸石表面富集，沸石作為生物載體在富集硝化細(xì)菌方面表現(xiàn)出優(yōu)越的性能。 3.2沸石在脫氮工藝中的應(yīng)用 投加沸石可以提高反硝化系統(tǒng)的污泥濃度。S. MONTALVO等人發(fā)現(xiàn)沸石可以提高反硝化系統(tǒng)的微生物多樣性和污泥濃度。投加沸石后，上流式厭氧污泥床反應(yīng)器的脫氮率提高，運(yùn)行穩(wěn)定性增強(qiáng)。 S. J. PARK等人的研究證實(shí)，投加沸石粉可以提高缺氧活性污泥系統(tǒng)混合液中懸浮固體(MLVSS)的濃度。即使在低碳氮比條件下，有機(jī)物的自溶也會使反應(yīng)器擁有大量潛在的反硝化碳源，反硝化細(xì)菌可以有效利用。 子松等將沸石粉與聚氨酯海綿復(fù)合物應(yīng)用于同步硝化反硝化工藝，研究了復(fù)合物對系統(tǒng)反硝化性能的影響。結(jié)果表明，沸石的加入增加了聚氨酯海綿的比表面積，重慶純水設(shè)備使反硝化細(xì)菌更容易附著在復(fù)合材料表面。沸石堵塞了聚氨酯海綿的通道，生物膜厚度的增加阻礙了溶解氧的擴(kuò)散，而不斷增大的氧濃度梯度最終促進(jìn)了反硝化菌的快速增殖。由于復(fù)合填料系統(tǒng)中懸浮生物量更多，反硝化細(xì)菌在復(fù)合填料系統(tǒng)中的代謝速率比傳統(tǒng)海綿載體更快，最終提高了脫氮性能。 沸石良好的微生物載體功能及其生物可再生特性實(shí)現(xiàn)了同步硝化反硝化，其反應(yīng)機(jī)理如圖1所示。由于氧氣不能完全穿透沸石形成的生物膜系統(tǒng)，膜內(nèi)反硝化細(xì)菌利用反硝化多糖細(xì)胞內(nèi)儲存的有機(jī)碳來脫氮。 沸石組合生物技術(shù)在廢水脫氮領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展 沸石可以改善脫氮反應(yīng)條件。S. MONTALVO等人將沸石與升流式厭氧污泥床反應(yīng)器組合起來處理含氮廢水，并研究了反應(yīng)器中自養(yǎng)反硝化過程的啟動。結(jié)果表明，與未加沸石的反應(yīng)器相比，相同條件下加沸石的反應(yīng)器不存在亞硝酸鹽氮積累的反應(yīng)環(huán)境，降低了亞硝酸鹽氮對反硝化菌的抑制，從而提高了反硝化系統(tǒng)的啟動速率和反硝化速率。 4沸石正在進(jìn)行短程硝化？厭氧氨氧化工藝的應(yīng)用 4.1沸石在短程硝化工藝中的應(yīng)用 硝化作用可以通過抑制NOB和用AOB氧化氨氮來積累亞硝酸鹽氮。短程硝化是低能耗低碳源完成污水脫氮的關(guān)鍵步驟。 沸石能成功實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)短程硝化。Gyuanyang等人采用沸石作為曝氣生物濾池的填料，成功實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的短程硝化。沸石顆粒與NH4+發(fā)生離子交換反應(yīng)，重慶實(shí)驗(yàn)室純水設(shè)備解決了由于反應(yīng)曝氣階段吹脫效應(yīng)和AOB氧化氨氮導(dǎo)致FA濃度難以控制的問題。通過沸石對溶液中FA的動態(tài)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了對NOB的抑制和短程硝化的穩(wěn)定運(yùn)行。 以沸石為填料，系統(tǒng)更容易形成短程硝化。陳振國等研究表明，沸石作為生物固定床填料，在低濃度氨氮條件下仍能形成短程硝化反應(yīng)。沸石吸附氨氮提供的富氨微環(huán)境和沸石的生物再生特性是短程硝化系統(tǒng)快速啟動和穩(wěn)定運(yùn)行的主要原因。 具有強(qiáng)離子交換能力的沸石可以改善反應(yīng)條件，從而強(qiáng)化短程硝化反應(yīng)。李強(qiáng)等人用5% NaCl溶液對沸石進(jìn)行改性，并將其作為曝氣生物濾池的填料用于含氮廢水的處理。發(fā)現(xiàn)生物膜上的AOB占菌落總數(shù)的47.9%，亞硝化單胞菌在AOB和菌落總數(shù)中占優(yōu)勢，亞硝酸鹽氮的積累速率進(jìn)一步提高。陳靜等人利用粉煤灰合成沸石，增強(qiáng)了沸石對氨氮的吸附能力。在抑制NOB濃度的條件下，合成沸石通過降低水中FA濃度為AOB提供了更好的反應(yīng)條件。 對一些研究者的研究成果進(jìn)行了總結(jié)和比較，如表2所示。 沸石組合生物技術(shù)在廢水脫氮領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展 4.2沸石在厭氧氨氧化工藝中的應(yīng)用 厭氧氨氧化(ANAMMOX)是一種新型的脫氮工藝，它利用亞硝酸鹽氮作為電子受體，在厭氧條件下將氨氧化成氮?dú)狻?沸石通過離子交換與NH4+反應(yīng)，結(jié)合生物反應(yīng)，使出水亞硝酸鹽氮與氨氮的化學(xué)計(jì)量比穩(wěn)定在1.15，從而實(shí)現(xiàn)厭氧氨氧化工藝的穩(wěn)定運(yùn)行。采用沸石-厭氧氨氧化系統(tǒng)處理污水處理廠二級出水。沸石對氨氮的吸附和氨氮生物氧化的循環(huán)效應(yīng)為系統(tǒng)提供了自我再生能力，從而實(shí)現(xiàn)了厭氧氨氧化工藝的長期運(yùn)行。 沸石作為一種良好的生物載體，可以富集厭氧氨氧化細(xì)菌。R. COLLISON等人選用沸石作為滴濾塔的填料去除水中的氨氮。第6周滴濾塔內(nèi)出現(xiàn)厭氧氨氧化，說明沸石有利于反硝化過程中厭氧氨氧化菌的富集。 沸石可以優(yōu)化厭氧氨氧化過程的反應(yīng)條件。馮興輝等。為了提高厭氧氨氧化工藝對廢水的處理效果，設(shè)置曝氣沸石床，并將其置于整個自養(yǎng)反硝化系統(tǒng)中。當(dāng)進(jìn)水溶解氧濃度為6.5 mg/L時(shí)，通過曝氣生物濾池的硝化作用，系統(tǒng)內(nèi)仍發(fā)生厭氧氨氧化反應(yīng)，沸石和微生物組合系統(tǒng)的吸附-解吸作用形成有效的銨緩沖系統(tǒng)，降低了高濃度氨氮和高強(qiáng)度曝氣對厭氧氨氧化菌的沖擊。 5號沸石與微生物組合工藝結(jié)合的應(yīng)用 如表3所示，組合沸石微生物工藝可用于處理各種類型的廢水。 沸石組合生物技術(shù)在廢水脫氮領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展 組合沸石微生物系統(tǒng)在處理高濃度有機(jī)廢水時(shí)可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的反硝化。陳振國等采用沸石曝氣生物濾池處理高COD的垃圾滲濾液。結(jié)果表明，沸石填料能很好地緩沖進(jìn)水氨氮，重慶純水設(shè)備有效維持適宜的FA范圍，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定脫氮。 朱曉標(biāo)等采用沸石生物濾池和膜生物反應(yīng)器組合工藝處理焦化廢水，其穩(wěn)定的氨氮去除率表明沸石提高了系統(tǒng)抗氨氮負(fù)荷的能力；第58天和第389天的取樣試驗(yàn)結(jié)果表明，AOB和NOB均有積累，說明沸石生物濾池在處理高濃度有機(jī)廢水時(shí)仍能穩(wěn)定脫氨。 組合沸石微生物系統(tǒng)可以在低濃度氨氮條件下提高反應(yīng)器的脫氮效率。J. S. KIM等人對比研究了沸石和聚丙烯曝氣生物濾池在低氨氮濃度下的硝化性能。結(jié)果表明，當(dāng)進(jìn)水氨氮為3 mg/L時(shí)，以沸石為載體的反應(yīng)器氨氮去除率可達(dá)(63.38±4.08)%，以聚丙烯為載體的反應(yīng)器氨氮去除率為(3.79±3.13)%，且未發(fā)現(xiàn)硝酸鹽氮。 利用沸石耦合微生物系統(tǒng)可以增強(qiáng)硝化作用對低溫的抵抗力。陳靜的研究表明，在8℃下，采用沸石生物固定床和陶粒生物好氧過濾組合工藝處理氨氮濃度為30~37 mg/L的進(jìn)水，出水氨氮濃度為1.5 ~ 2.5 mg/L，該組合工藝可作為低溫下氨氮廢水的處理工藝。賀勝斌等研究表明，在7~10℃時(shí)，沸石填料生物濾池對氨氮的去除率可達(dá)81.06%，高于膨潤土填料生物濾池的去除率(65.42%)。 在反應(yīng)器長期穩(wěn)定運(yùn)行的條件下，沸石可以提高系統(tǒng)中微生物抵抗進(jìn)水氨氮沖擊負(fù)荷的能力。蒙自王等人的研究表明，沸石組合微生物工藝系統(tǒng)在系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行后，通過改變進(jìn)水氨氮濃度，可以迅速恢復(fù)到原來的運(yùn)行性能。去除沸石的系統(tǒng)抗氨氮沖擊負(fù)荷能力仍高于未添加沸石的對照系統(tǒng)。 結(jié)論與展望 沸石的多孔結(jié)構(gòu)和生物相容性可以實(shí)現(xiàn)生物反應(yīng)體系中微生物的富集，可以很好地解決反硝化功能菌富集難、易流失的問題。沸石表面形成的富氨微環(huán)境是增加生物反應(yīng)系統(tǒng)中硝化細(xì)菌豐度的重要原因。通過調(diào)節(jié)沸石系統(tǒng)中游離氨的濃度，可以保證短程硝化工藝的穩(wěn)定運(yùn)行，為后續(xù)的厭氧氨氧化工藝提供保障。 關(guān)于沸石在生物脫氮中的應(yīng)用，仍需研究沸石與生物膜的相互作用、沸石對功能微生物代謝途徑的影響，開發(fā)基于沸石的脫氮新工藝，以更好地促進(jìn)沸石在污水脫氮中的應(yīng)用。
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