工业水处理, 2021, 41(9): 37-42 doi: 10.19965/j.cnki.iwt.2020-0757

专论与综述

好氧颗粒污泥的脱氮途径研究进展

黄思浓,, 林树涛, 易名儒, 龙焙,

江西理工大学土木与测绘工程学院, 江西赣州 341000

Advance of denitrification pathway of aerobic granular sludge

Huang Sinong,, Lin Shutao, Yi Mingru, Long Bei,

School of Civil and Surveying&Mapping Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China

通讯作者: 龙焙, 博士, 副教授。E-mail: 17770132146@189.cn

收稿日期: 2021-07-3  

基金资助: 国家自然科学基金项目.  52060007
江西省教育厅科技项目.  GJJ190502
2019年江西理工大学创业实践项目.  DC2019-013
江西省自然科学基金青年基金项目.  20181BAB216026

Received: 2021-07-3  

作者简介 About authors

黄思浓(1999-),本科E-mail:1838747275@qq.com , E-mail:1838747275@qq.com

Abstract

The unique spatial structure of aerobic granular sludge(AGS) can form a radial oxygen mass transfer gradient, which provides necessary habitats for colonization of different functional bacteria, thus achieving single-stage denitrification. The main denitrification pathways in AGS include simultaneous nitrification and denitrification, anammox, heterotrophic denitrification, and coupling denitrification of algae and bacteria. The denitrification efficiency of AGS by different pathways were reviewed, and their advantages, disadvantages and application scope were summarized. The problems existing in existing studies were analyzed, and corresponding suggestions were proposed.

Keywords: aerobic granular sludge ; simultaneous nitrification and denitrification ; anammox ; heterotrophic denitrification ; coupling denitrification of algae and bacteria

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本文引用格式

黄思浓, 林树涛, 易名儒, 龙焙. 好氧颗粒污泥的脱氮途径研究进展. 工业水处理[J], 2021, 41(9): 37-42 doi:10.19965/j.cnki.iwt.2020-0757

Huang Sinong. Advance of denitrification pathway of aerobic granular sludge. Industrial Water Treatment[J], 2021, 41(9): 37-42 doi:10.19965/j.cnki.iwt.2020-0757

脱氮是大多数废水生化处理技术需要考虑的问题。经典的污水生化脱氮理论需要在时空上创造出好氧硝化及缺氧反硝化环境,实现水中氮素向氮气的转化。目前,国内外主流生化处理技术是活性污泥法,经过一个多世纪的应用,已形成了一套成熟的设计及运行管理体系。然而,随着水处理标准的提高及水处理行业节能减排工作的推进,现有技术已逐渐难以实现技术与经济的良好统一。在这种形势下,高效废水生物处理技术的研发逐渐受到人们的重视。好氧颗粒污泥(aerobic granular sludge,AGS)是微生物在特殊环境下自凝聚形成的生物聚合体,具有生物密度高、沉降性能良好、耐毒性高、空间分层结构独特等特点1,能同时实现有机物降解及同步脱氮除磷2。近三十年来有关AGS处理各种废水的研究层出不穷。目前,AGS技术已实现工程化应用,国内外实际工程案例数逐步增长。有限的资料3表明这些工程中的AGS不仅具有较好的污染物去除效果,还可显著降低土建及运行成本,因而被认为是极具发展前景的高效污水处理技术。

由于AGS具有单级高效脱氮潜力,其已被用于各类含氮废水的处理研究,甚至能在无机高氨氮废水中运行4。虽然AGS特点鲜明,但普遍认为AGS只是微生物的一种特殊聚集形式2,内部菌群与活性污泥及生物膜并无本质差异。然而,AGS独特的结构可实现不同功能菌(硝化细菌、反硝化细菌、厌氧氨氧化菌等)共存,这些功能菌的耦合明显丰富了单级系统内的脱氮途径,且它们的共生不仅可以提高脱氮效率、还可以降低运行成本。AGS脱氮涉及多种功能菌的代谢5,不同代谢途径的耦合会形成不同的脱氮机理。其中,硝化与反硝化耦合可完成同步硝化反硝化(SND)脱氮,短程硝化与厌氧氨氧化(Anammox)耦合可实现自养脱氮,Anammox与异养反硝化耦合可将生物脱氮进行到底,菌藻颗粒污泥系统能实现能量自持。同时,随着研究的深入,一些新的脱氮机理被补充进来6,为特种AGS的培养及运行奠定了理论基础。

虽然AGS拥有多种脱氮途径,但各途径有各自的优缺点,且它们的适用条件各不相同。因此,笔者梳理了AGS中的脱氮方式,总结了现有研究存在的不足,以期为AGS处理含氮废水的节能降耗提供理论支持。

1 AGS的微观结构及脱氮功能菌分布

1.1 AGS的微观结构

通过现代分析检测技术(荧光原位杂交、激光共聚焦、高通量测序等)发现AGS内部具有丰富的生物相5,具体微生物有球菌7、长短不一的杆菌8、丝状真菌9、原生动物10等。具体的种群分布与颗粒的结构及使用基质密切相关。受传质影响,AGS内微生物呈现出特殊的空间分层结构。普遍认为胞外聚合物(EPS)等惰性物质构成了颗粒的骨架,大量微生物包裹在它们周围,颗粒外层由异养菌及好氧氨氧化细菌(AOB)组成11-12,AOB主要分布在AGS表面以下70~100 μm的区域内13;AGS内部主要由亚硝酸氧化菌(NOB)、兼性细菌、厌氧菌、死细胞及无机物组成,厌氧菌主要分布在颗粒表面以下800~ 900 μm的区域14-15。AGS的分层结构主要源于自身的传质阻力。N. Kishida等16发现当液相溶解氧(DO)为5.5 mg/L时AGS内DO的渗透深度为100 μm,梁东博等17检测到液相DO为6 mg/L时AGS内DO的最大渗透深度为600~700 μm。这表明粒径和DO作用下AGS内可以形成好氧、缺氧及厌氧微环境,为单级脱氮提供必要的空间条件。

1.2 AGS内脱氮功能菌类型

废水生物脱氮并非一步反应即可实现,需要多种功能菌的协作完成2。AGS独特的结构可实现不同脱氮功能菌的共存,其他生化系统中涉及的菌种几乎均在AGS内被检测到5。研究表明AGS中AOB的优势属为NitrosomonasNitrosospira18,NOB的优势属为NitrospiraNitrobacter19。AGS中已检测到的反硝化菌属较多,如ZoogloeaThaueraDevosiaComamonadaceaeRhodocyclaceaeXanthomonadaceaeHyphomicrobiaceaeMethylobacteriaceaeMeganemaStenotrophomonas等,并且发现它们多会分泌EPS5,从而有利于细胞的凝聚。此外,AGS中亦检测到了厌氧氨氧化菌属(如Brocadiaceae20Candidatus Brocadia21等)、异养硝化菌属(如Klebsiellaquasipneumoniae22)、反硝化聚磷菌属(如CompetibacterAccumulibacter23XanthomonadalesTetrasphaera24等)、好氧反硝化菌属(如Pseudomonaspsychrophila25),甚至固氮菌属(如MesorhizobiumRhodoplanes26)等。总之,AGS内丰富的生物相为高效脱氮奠定了必要的生物基础。

2 AGS的脱氮途径

2.1 SND脱氮

目前,绝大多数的AGS研究都是在单级序批式反应器(SBR)中开展的27,因而SND是AGS最主要的脱氮方式。根据反硝化电子受体的不同,AGS的SND可分为全程SND及短程SND。与全程SND相比,短程SND减少了硝化过程中NO2-转化为NO3-和反硝化过程中NO3-向NO2-转化两步反应。短程SND在降低曝气能耗及减少碳源消耗上均更具优势。由于反硝化需要有机碳源,因此这种脱氮模式的处理对象主要为中低浓度有机废水。影响AGS的SND效果的因素较多,DO被认为是影响AGS的SND效果的重要因素之一。张朝升等28通过限氧曝气(DO为0.5~1 mg/L)使AGS对总氮的去除率为82%~85%,脱氮方式为短程SND。于鲁冀等29发现将反应器内DO控制在0~4 mg/L(曝气量为4.17 L/min)时AGS对味精废水的SND效果最佳,过大(6.33、8.33 L/min)或过小(1.67 L/min)的曝气量都不利于SND的进行。高景峰等30培养出的AGS在连续曝气(表观上升气速约0.52 cm/s)下通过短程SND对垃圾渗滤液的总氮去除率约为70%。吴远远等31控制中试SBR的DO为1~2 mg/L,AGS对总氮的去除率逐渐增大至71.3%。P. Bucci等6培养出的AGS在贫营养期(DO约7.5 mg/L)内通过SND对总氮的去除率达到了52%,系统内检测到了具有异养硝化及好氧反硝化功能的菌属(Diaphorobacter)。可见,为创造AGS反硝化所需的缺氧环境,反应器内的DO不宜过高,否则容易造成亚硝态氮或硝态氮的积累6, 32。然而,AGS的稳定性维持需要较大的水力剪切力33,否则颗粒结构会变得松散、甚至发生丝状菌膨胀34。因此,SND所需的低DO与AGS偏爱的高水力剪切力是一对矛盾体。

由于AGS的内部存在着明显的氧传质阻力16-17,这意味着不同粒径AGS内好氧区及缺氧区的分布会有差异,进而影响SND效率。王景峰等35发现不同粒径污泥的硝化效率相差不大,但AGS的反硝化效果随着粒径的增大而增大,絮状污泥几乎没有反硝化能力。王良杰等36发现相同运行条件下,粒径大的AGS的脱氮效果明显优于粒径小的AGS。G. D. Bella等37发现粒径大于1.5 mm的AGS在高DO(7~8 mg/L)下对总氮的去除率亦可高于90%。目前,如何协调DO及颗粒粒径获得AGS的最佳SND效果仍缺乏系统研究。

为节约曝气能耗并创造明显的好氧/缺氧环境,研究者们研究了非恒定曝气模式对AGS脱氮效果的影响。李冬等38发现阶梯曝气过程中AGS通过SND对总氮去除的贡献率可达77%。王文啸等39发现低曝气量(DO为2~3 mg/L)曝气后增大曝气量(DO为7~7.5 mg/L)的运行模式下AGS对总氮的去除率最高可达70%。M. Layer等32通过模拟发现交替曝气和两阶段曝气可将总氮去除率由恒定曝气量时的13%提高至65%。

虽然同步硝化反硝化可节省反硝化所需碳源及曝气能耗,但在进水氨氮浓度较高或C/N较低时,AGS能去除的总氮绝对值却十分有限26, 32, 40

2.2 Anammox脱氮

Anammox工艺是近年来开发成功的新型脱氮技术,在低C/N有机污水及无机高氨氮废水处理方面具有显著优势,被认为是一种可持续的脱氮工艺。通常高DO下,AGS内的Anammox菌丰度较低,所能贡献的总氮去除率几乎可以忽略41。Anammox反应的前提是稳定的短程硝化,因而该自养脱氮系统主要采用限氧曝气+厌氧反应实现总氮的去除。通过限氧曝气,研究者们已经成功实现了AGS内短程硝化与Anammox的耦合。齐泽坤等42培养出的CANON颗粒污泥(好氧区DO为0.8~1.5 mg/L,缺氧区DO为0.2~0.6 mg/L)对总氮和COD的去除率分别达85%和80%左右。张姚等43发现DO为0.46 mg/L时,CANON颗粒污泥的脱氮速率最大〔50.88 kg/(L·h)〕,但当DO大于0.46 mg/L时系统脱氮性能持续降低。谢璐琳等44培养出的自养脱氮颗粒污泥在DO为1.0~1.1 mg/L时对无机高氨氮废水〔氨氮容积负荷为3.36 kg/(m3·d)〕的总氮去除率为69%。氨氧化细菌(AOB)为好氧菌,而Anammox菌为厌氧菌,为实现二者的高效耦合需要严格控制DO。事实上其他研究中的自养脱氮系统中DO常在1 mg/L以下,培养出的颗粒污泥大多应归属为厌氧颗粒污泥。虽然Anammox反应无需有机碳源,但反应条件十分苛刻,且Anammox颗粒污泥形成十分缓慢,动辄耗时3个月以上45-47

2.3 异养反硝化脱氮

在活性污泥法诞生的一百多年里,异养反硝化被证实是目前最为可靠的废水生物脱氮技术,对各类含氮废水均具有良好的适应性。传统连续流生物反应器主要通过硝化液回流并利用进水中有机物实现反硝化脱氮。由于绝大多数AGS采用的是单级SBR运行模式,所以通过异养反硝化强化脱氮还十分少见。Bei Long等48在利用AGS处理低C/N污泥深度脱水液时发现明显的硝态氮积累,通过高DO环境下(表观上升气速为1.2~2 cm/s)外投乙酸钠可将总氮去除率提高到90%以上。张杰等49发现多次进水—厌氧—好氧运行模式下的AGS的反硝化效率比一次进水—曝气运行方式更高,二者出水平均总氮分别为8.9 mg/L和11.2 mg/L。反硝化细菌通过自凝聚亦可形成反硝化颗粒污泥(denitrifying granular sludge,DGS),文献〔50-53〕表明它们的培养及运行方式与厌氧颗粒污泥相似,不同的是其形成时间多在2个月以内,通过反硝化产气实现颗粒污泥床膨胀等。同时,这些研究亦表明DGS具有良好的反硝化脱氮性能,但由于对进水NOx及C/N的要求苛刻,受到的关注度并不高。

AGS的SND脱氮无需外投碳源,但随着进水C/N的降低,脱氮能力会变得十分有限。DGS可实现高效脱氮,但连续外投碳源并不经济。若充分利用二者的优点,它们的耦合对于快速构建AGS的SND系统,并降低外投碳源量或许是个不错的选择。

2.4 菌藻颗粒污泥耦合脱氮

废水生物脱氮可划分为同化脱氮及异化脱氮两类。理论上,污水处理过程中同时存在氮元素的同化作用及异化作用。按细胞干重计算,微生物细胞中氮的质量分数约为12.5%。由此可知,在曝气池中当进水氨氮浓度较高时,同化作用的脱氮贡献率几乎可以忽略,但当系统中含有大量藻类时会发生明显的同化脱氮54。然而,藻类沉降性能差难以实现泥水分离限制了其应用55。近年来,研究者们已成功培养出了菌藻颗粒污泥56。其中,藻类通过光合作用同化水中污染物并产氧,细菌通过好氧代谢为藻类提供二氧化碳,二者的耦合不仅能提高污染物去除效果,亦能大幅减少运行能耗。由于菌藻系统多依赖藻类供氧,无曝气系统,因此处理对象多为低浓度有机废水。A. S. Abouhend等57培养出的好氧光颗粒内含有大量蓝藻,通过明暗交替运行及机械搅拌,总溶解氮的去除率最大可达(55±8)%,脱氮方式以藻类同化作用为主,但亦伴随着细菌的SND作用。Fansheng Meng等58对比了AGS及菌藻颗粒污泥处理1%~4%盐度废水的效果,发现菌藻颗粒污泥在高盐度下具有更好的稳定性,且对总无机氮的去除率(55.1%)要明显高于AGS(44.9%)。同样,Yihao Zhang等56发现在相同条件下菌藻颗粒对总氮的去除率要高于AGS。Bin Zhang等59对比了AGS、高强度光照菌藻颗粒污泥和低强度光照菌藻颗粒污泥的性能,发现三者对总氮的去除率分别为(53.7±1.4)%、(57.5±2.9)%和(60.4±2.3)%。由于技术上可实现密闭环境下系统能量的自我维持,菌藻颗粒污泥逐渐受到研究者们的青睐,但菌藻颗粒污泥的形成机理及稳定性仍需深入探索。

3 现有研究的不足

虽然AGS能利用多种代谢途径脱氮,但这些潜在的脱氮方式均各有优缺点,随着经济的发展及节能环保要求的提高,仅依靠单一途径已逐渐难以实现总氮经济且高效的去除。总结已开展的研究,发现存在的问题有:(1)当涉及到多重脱氮途径(如厌氧氨氧化+异养反硝化脱氮60、菌藻耦合脱氮)时,现有研究多关注于AGS脱氮效果的提升,各种脱氮途径对总氮贡献率的定量分析还比较欠缺,导致如何发挥各脱氮途径的最佳效益缺乏深入研究;(2)自养脱氮对于无机高氨氮废水的治理具有较好的应用潜力,但自养菌(如氨氧化细菌、Anammox菌等)增殖缓慢61,且对环境敏感62,如何实现自养脱氮颗粒污泥的快速培养缺乏系统研究;(3)高效脱氮AGS的研究成果多以实验室内控制严格的模拟污水为处理对象27,它们能否在水质水量波动较大的实际废水中实现稳定性维持仍需探索,且或多或少仍需要外部机械能输入,如何实现绿色脱氮值得深究。

4 结论与建议

AGS具有高效脱氮的应用潜力,不仅能实现良好的脱氮效果,还能显著降低运行成本,具有良好的发展前景。为提高AGS的脱氮稳定性,提出以下建议:(1)加强AGS内不同脱氮方式耦合的脱氮机理研究,定量分析各途径的最佳运行方式及脱氮贡献率;(2)异养AGS已被证实可作为微生物附着生长的载体,以其为载体并投加高效菌种为特种AGS的快速驯化提供了一种新思路;(3)由于AGS内一些脱氮功能菌生长条件相差较大,为减小调控难度,可考虑在反应器内分区或分段运行,为不同功能菌创造最佳的生长环境以增强系统稳定性;(4)目前绝大多数AGS系统或多或少需要电能输入,为实现绿色脱氮,可考虑利用风能、太阳能等一次能源驱动反应器内机械装置。

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