高效生物脱氮途径短程硝化——反硝化

本文对短程硝化--反硝化生物脱氮技术的研究和应用进行了简要综述,并指出了该技术的特点和应用价值.     

低碳氮比废水生物脱氮新技术

传统的除氨氮工艺需要消耗较多的氧气,且对于低碳氮(C/N)比的废水,需外加有机碳源才能进行反硝化。详细阐述了同步硝化反硝化、短程硝化反硝化、厌氧氨氧化和全程自养脱氮等生物脱氮新技术的特点,应用前景以及存在的问题。提出了今后的研究方向。     

温度和DO对MBBR系统硝化和反硝化的影响

在缺氧/好氧/好氧串联运行的移动床生物膜反应器（MBBR）系统中考察了温度和好氧反应器中溶解氧（DO）水平对生物膜硝化和反硝化过程氮素去除的影响,并通过高通量测序技术探究温度和DO的变化造成的MBBR系统中脱氮功能菌群结构的差异,从而在微观水平解释硝化和反硝化受温度和DO影响的生物学机理.结果表明,系统温度的升高可以同时强化生物膜硝化和反硝化过程,且好氧反应器中DO水平的提高对硝化过程有利,从而提高系统的脱氮效果.本研究中,在系统连续运行阶段,当系统温度和好氧O₁反应器的DO浓度为本研究范围内的最高水平时（即温度=20~22℃、DO=5~8mg O₂/L）,比硝化负荷可达1.60g NH₄⁺-N/（m²·d）以上,而相同温度范围内比反硝化负荷可高达2.84g NO₃^--N/（m²·d）,从而使MBBR系统在该工况条件下获得了最佳的NH₄⁺-N和TN去除率（分别达到了98.7%和85.7%）.温度和DO影响硝化和反硝化的根本原因是温度和DO变化引起了脱氮功能菌群数量和群落结构的改变：当好氧反应器的DO水平下降时,硝化功能细菌的OTUs比例显著降低,尤其是异养硝化细菌的生长受到了严重的抑制;而温度的变化对反硝化细菌的影响主要体现在群落结构的变化.     

A2/O短程硝化耦合厌氧氨氧化系统构建与脱氮特性

针对现有城市污水处理厂普遍面临进水碳源不足影响脱氮效率的问题,通过调控A²/O系统曝气分区比例、溶解氧(DO)浓度和污泥龄(SRT)构建短程硝化耦合厌氧氨氧化系统,以研究不同工况下该系统的脱氮性能、脱氮途径和微生物种群结构的变化情况.研究结果表明在低C/N进水(C/N=5)情况下,该系统具有稳定优良的脱氮性能.在140 d试验过程中,反应器经历了氨氧化细菌(AOB)、亚硝酸盐氧化细菌(NOB)共培养阶段(阶段Ⅰ)、AOB筛分阶段(阶段Ⅱ～Ⅲ)与厌氧氨氧化细菌(AnAOB)富集阶段(阶段Ⅳ),系统的脱氮途径也由初始的全程硝化反硝化逐步转化为短程硝化耦合厌氧氨氧化脱氮;系统的脱氮效率在阶段Ⅳ达到最佳状态,此时该系统出水NH⁺₄-N和TN的平均浓度分别为1.20 mg·L^-1和7.03mg·L^-1,其对应的去除率分别为97.69%和87.83%;Illumina MiSeq测序结果表明,短程硝化耦合厌氧氨氧化的系统中Nitrosomonas和Nitrosospira这两类AOB的富集...     

不同填充率短程硝化泥膜MBBR微生物特征分析

移动床生物膜反应器（MBBR）被广泛应用于污水厂的提标改造,而短程硝化是当前众多新型脱氮工艺的关键环节,研究短程硝化泥膜混合MBBR系统可为污水厂脱氮工艺的升级奠定基础。填充率作为MBBR的重要工艺参数,极大地影响系统的运行效能。试验在4个MBBR泥膜混合系统中（填充率分别为100%、75%、45%、15%）,开展了长达224 d的短程硝化运行研究。结果表明：在填充率为45%的系统中,亚硝酸盐积累率较为稳定达到99.42%,平均氨氧化速率较高为16.62 mg/(L·h)。微生物特征分析显示,在门水平,变形菌门、惰杆菌门和绿弯菌门等在各个系统中为优势菌门。在属水平,好氧氨氧化菌的优势菌属为Nitrosomonas,其在填充率为45%的反应器内占比最高,在絮状污泥和生物膜上分别占比24.67%、30.73%。研究检测出亚硝酸氧化菌的优势菌属为Nitrospira,其在各反应器中占比较低,说明亚硝酸氧化菌被有效抑制。     

温度对城市污水厂尾水反硝化MBBR深度脱氮的影响

为解决城市污水厂尾水再生利用时ρ(TN)高的问题,采用反硝化MBBR(移动床生物膜反应器)对城市污水厂尾水进行反硝化脱氮,并重点研究不同温度下分别以聚乙烯和聚丙烯为填料的反硝化MBBR的运行效果. 结果表明:在HRT(水力停留时间)为12 h、温度分别为13、19、25和30 ℃时,NO₃--N去除率和反硝化能力变化不大,聚乙烯和聚丙烯反硝化MBBR的NO₃--N去除率分别为80.1%～85.0%和78.2%～84.0%,二者的反硝化能力分别为6.7～7.1和6.5～7.0 mg/(L·h);较长的HRT弥补了低温时反硝化速率低的不足;随温度增加,生物量逐渐增加,但COD_Cr和DOM(溶解性有机物)的去除率变化不明显. 三维荧光图谱表明,出水中主要的DOM(溶解性有机质)为类色氨酸和类富里酸,聚乙烯和聚丙烯反硝化MBBR对DOM总荧光强度的去除率分别为47.6%～52.5%和24.1%～35.8%. 填料上的微生物以杆菌、丝状菌和球菌为主. 综合考虑脱氮效能和有机物污染物去除效能,聚乙烯和聚丙烯反硝化MBBR深度脱氮的最佳温度均为25 ℃.      

Fe3+对同步硝化反硝化过程氮元素迁移转化及N2O释放的影响

采用SBR反应器,研究了不同浓度的Fe3+对同步硝化反硝化(simultaneous nitrification denitrification,SND)过程中氮元素迁移转化去除和N2O释放的影响.结果表明,在同步硝化反硝化过程中,系统中Fe3+浓度为20 mg·L-1时可以提高系统对氮的去除率,而60 mg·L-1的Fe3+则会对其产生抑制效果.并且,高浓度的Fe3+会刺激SND过程中N2O的释放,N2O转化率也有所提高.这主要是因为:1高浓度的Fe3+会导致污泥脱氢酶活性降低,使得NO-2在好氧阶段大量累积;2高浓度的Fe3+减少了SND过程前置厌氧阶段胞内聚合物(polyhydroxybutyrate,PHB)的含量,使得后续反硝化过程碳源减少.Fe3+对SND过程中总磷的去除有促进作用,并且Fe3+浓度越高,总磷去除率越高,这主要是因为Fe3+的存在使系统中发生了化学除磷作用.     

MBBR厌氧氨氧化工艺污水脱氮的研究进展

基于移动床生物膜反应器(moving bed biofilm reactor,MBBR)的研究现状,探讨了厌氧氨氧化工艺的特征与反应机理,分析了基质浓度、有机物、温度、溶解氧等因素对工艺稳定性的影响,结合工程应用实例展望了应用前景。分析表明:低浓度COD和适量NH₄⁺-N/NO₂^--N比有利于厌氧氨氧化反应;在实际应用中,需保持低温厌氧氨氧化菌(anaerobic ammonia oxidation bacteria,AAOB)活性;溶解氧和填料流化状态的精准控制可以促进AAOB在MBBR生物膜中富集,从而促进厌氧氨氧化工艺稳定脱氮。     

短程硝化-反硝化生物滤池脱氮机制研究

研究了短程硝化生物滤池的调控因素以及短程硝化-反硝化生物滤池的脱氮机制.结果表明,针对城市污水处理厂二级出水中的氨氮和总氮,在水温为(30±1)℃的条件下,提高进水pH值有助于硝化生物滤池中亚硝酸盐的积累,较好地实现短程硝化过程,当进水pH值平均为8.5时,亚硝酸盐的积累达到最大.沿硝化生物滤池水流方向,pH和DO的变化呈相反趋势,亚硝酸盐的积累呈增加趋势,在反应器出水口较好地实现了亚硝酸盐的积累.短程硝化-反硝化生物滤池对NH4+-N有较好的去除效率(90%以上);当反硝化生物滤池进水COD/TN为3.0时,出水TN的浓度降低到8～9 mg.L-1的范围,去除率稳定在79%～81%.     

溶解氧对Biolak型A2O工艺脱氮除磷性能的影响

通过对Biolak型A2O工艺处理生活污水工程应用的研究,考察了好氧段溶解氧(DO)浓度对该工艺脱氮除磷的影响.试验结果表明,DO浓度变化对系统COD、NH+4-N处理效果的影响不大,而对系统总氮及总磷的去除效果影响显著.当DO浓度控制在0.80~1.50 mg·L-1之间时,系统总氮去除效果最佳,可以达到69.5%,系统好氧段可实现同步硝化反硝化除氮.通过对系统氮进行物料衡算发现,23.7%的总氮通过好氧段多级A/O反硝化脱氮去除.当DO浓度为1.00~3.00 mg·L-1时,总磷(TP)去除率较高,可以达到74.0%.DO浓度控制在1.00~1.50 mg·L-1之间时,系统脱氮除磷效果最佳,此时TN、TP的去除率分别为68.9%、73.7%,二级生化处理段出水TN、TP分别为12.02、0.95 mg·L-1.     

三价铁对有机物存在下厌氧氨氧化脱氮的影响

考察了三价铁(2.24～7.84mg/L)存在下厌氧氨氧化系统对有机物的耐受性能,并通过16SrRNA高通量测序技术和定量PCR探究其机理.结果表明,进水COD浓度为50和100mg/L时,4个反应器的氨氮和总氮去除率均较高(＞90％),三价铁的强化作用不明显;进水COD浓度继续升高(150和200mg/L),厌氧氨氧...     

UV/Fenton体系中Fe2+/Fe3+的相互转化规律

为了控制UV/Fentan方法中铁元素的用量,合理利用溶解态铁的催化反应过程并提高其降解效率,研究以难生物降解性染料罗丹明B为目标物,通过正交实验和单因素实验确定了UV/Fenton体系的最佳反应条件,并利用一元线性方程模拟了罗丹明B退色反应的的动力学方程.结果显示,当体系的最初pH为3.00,溶液中[Fe2+]=0.180 mmol·L-1、[H2O2]=124.022 mmol·L-1时,UV/Fenton氧化罗丹明B退色符合一级反应动力学方程.研究了总铁含量维持在0.180mmol·L-1、保持紫外光照射、4次向同一UV/Fenton体系中添加1.7mLH2O2,每次反应后Fe2+/Fe3+的循环转化规律和溶液的脱色效果.研究结果表明,每次反应结束阶段(30 min),Fe2+浓度均高于Fe3+浓度,残余液仍具有较强的催化能力,溶液的脱色率达到99.9%;退色反应速率常数始终维持在较高水平,最后一次循环反应结束后,反应速率常数达到0.2547,相对于初始反应速率常数只下降了17%左右.     

Fe2+和Fe3+对厌氧氨氧化污泥活性的影响

通过接种厌氧氨氧化污泥研究了Fe离子浓度及价态变化对厌氧氨氧化污泥活性的影响.短期浓度影响结果表明,当进水铁离子浓度由0升高到5 mg·L-1时,厌氧氨氧化污泥活性因受刺激而逐渐增强;当进水铁离子浓度大于5 mg·L-1时,因厌氧氨氧化反应产碱,铁离子形成氢氧化物沉淀,生物活性未受到影响.不同价态铁离子浓度变化对厌氧氨氧化污泥活性的影响无明显区别.长期价态影响结果表明,经过71个周期培养,含Fe2+进水的厌氧氨氧化反应器R1脱氮效能(以氮计)由0.28 kg·(m3·d)-1升高到0.65 kg·(m3·d)-1,是含Fe3+进水反应器R2的1.28倍.因此Fe2+更适合厌氧氨氧化菌生长的需求.实验结果进一步表明,Fe3+易导致厌氧氨氧化反应器R2内氨氮过量转化,亚硝氮与氨氮转化比(1.17)明显低于含Fe2+进水的反应器R1内亚硝氮与氨氮转化比(1.24).     

Fe2+和Fe3+在4-氯酚光化学反应中性质的相似性

研究在光照条件下,２０ｍｇ／ｌ４－氯酚＋１ｍｇ／ＬＦｅ＾２＋（体系Ａ）和２０ｇ／Ｌ４－氯酚＋１ｍｇＦｅ＾３＋（体系Ｂ）中Ｆｅ＾２＋和Ｆｅ＾３＋的浓度变化,通过离子色谱手段,在体系Ａ中能够同时检测出Ｆｅ＾２＋,在体系Ｂ中亦能够同时检测到Ｆｅ＾２＋,故Ｆｅ＾２＋和Ｆｅ＾２＋在４－氯酚光化学反应中的性质,表现出相似性。     

Effects of La3+, Ce3+ on nitrogen removal in sequencing batch reactor

Batch experiments were conducted to study the short-term biological effects of rare earth ions (La³⁺, Ce³⁺) and their mixture on the nitrogen removal in a sequencing batch reactor (SBR). The data showed that higher NH₄ ⁺-N removal rate, total inorganic nitrogen removal efficiency, and denitrification efficiency were achieved at lower concentrations of rare earth elements (REEs) (<1 mg/L). In the first hour of the aeration stage of SBR, the presence of REEs increased the total inorganic nitrogen removal efficiency and NH₄ ⁺-N removal efficiency by 15.7% and 10%–15%, respectively. When the concentrations of REEs were higher than 1 mg/L, the total inorganic nitrogen removal efficiency decreased, and nitrate was found to accumulate in the effluent. When the concentrations of REEs was up to 50.0 mg/L, the total inorganic nitrogen removal efficiency was less than 30% of the control efficiency with a high level of nitrate. Lower concentrations of REEs were found to accelerate the nitrogen conversion and removal in SBR.     

HSO3-强化Fe3+/S2O82-降解水中双氯芬酸

采用HSO₃^-强化Fe³⁺/S₂O₈^2-降解水中双氯芬酸（DCF）,考察了溶液初始pH值,Fe³⁺、HSO₃^-和S₂O₈^2-用量,溶解氧对HSO₃^-/Fe³⁺/S₂O₈^2-体系降解DCF的影响;通过自由基淬灭实验,识别了体系中主要的活性物种;最后,探讨了DCF在该体系中的降解产物和转化路径.结果表明：HSO₃^-可以明显促进Fe³⁺/S₂O₈^2-对DCF的降解,初始pH 4.0时,DCF降解效果最佳.DCF的降解速率随Fe³⁺或S₂O₈^2-浓度的增大而增大;适量增加HSO₃^-浓度可提高DCF的降解,而过量的HSO₃^-对DCF降解有一定抑制作用.在通入氮气条件下,DCF去除率仅下降10.4%,无明显的抑制作用.自由基抑制实验表明,该体系含有SO₄^·-、HO^·和SO₅^·-3种活性自由基,其对DCF降解的贡献率分别为83.0%、12.8%和4.3%.在HSO₃^-/Fe³⁺/S₂O₈^2-降解DCF的反应中共检测出4种产物,据此提出DCF可能的转化路径为：羟基化、脱羧基、脱水和甲酰化反应.     

二价铁离子对UASB反应器厌氧发酵产氢效能的影响

金属离子Fe2+在生物产氢机制中起着重要作用.以红糖为底物,研究了Fe2+在0～1 650 mg·L-1范围内对UASB发酵产氢效能的影响.结果表明,适当浓度的二价铁离子对产氢具有一定的促进作用.当Fe2+浓度为0～450 mg·L-1时,发酵产气量及其氢气含量都随着Fe2+浓度的增加而增加;且当Fe2+浓度为450 mg·L-1时,获得最大生物气体积为17.72 L,较空白组提高了40.75%,此时氢气含量60.01%.而当外加的Fe2+浓度大于450 mg·L-1时,则开始呈下降趋势.因此,Fe2+可以成为调控发酵制氢的工程措施之一.     

HCO3-浓度对厌氧氨氧化反应器脱氮效能的影响

采用序批式生物膜反应器,通过氮去除速率的测定,研究了HCO3-浓度对厌氧氨氧化反应器脱氮效能的影响.结果表明,当HCO3-与NH4+-N进水浓度比值为0.21时,反应器出水pH值大幅升高,抑制了厌氧氨氧化菌活性,使得氮去除速率大幅下降.当其比值为1.13时,反应器内pH能够降低到厌氧氨氧化菌生长所需要的环境,同时,反应器的氮去除速率开始逐步升高.当过量的HCO3-进入反应器后对厌氧氨氧化反应无影响,说明HCO3-对厌氧氨氧化反应器脱氮效能具有重要的影响,对维持反应器pH值与脱氮效能十分重要.在厌氧氨氧化反应器启动过程中HCO3-与NH4+-N进水浓度最佳比值为1.13.     

外源添加Fe2+对生物沥浸处理制革污泥的影响

利用嗜酸性硫杆菌复合菌群,通过摇瓶试验对制革污泥进行生物沥浸,研究了在以硫粉作为底物的基础上,添加不同量的Fe2+对污泥生物沥浸效果的影响.结果表明,在制革污泥生物沥浸处理中,外源添加Fe2+虽有助于加快生物酸化进程,特别是在pH>2的阶段该作用较为明显,但由于也促进了羟基硫酸高铁沉淀的生成,导致已溶出的Cr3+部分被重新固持,因此,在制革污泥生物沥浸中外源加Fe2+促进Cr溶出的效果并不明显.此外,外源添加Fe2+在较小程度上可降低污泥的比阻值.从而使污泥更易脱水.但Fe2+不同添加量之间差异较小.综合考虑药剂成本和处理效率,在制革污泥生物沥浸中添加Fe2+对大幅度加快Cr溶出速率和显著提高污泥脱水性并没有理想效果.     

Fe3+、Ce3+掺杂TiO2光催化降解气相二苯并呋喃

以气相二苯并呋喃为研究对象,考察了在TiO2、Ce3+/TiO2和Fe3+/TiO2 3种不同光催化剂作用下,反应物初始浓度、湿度、气体循环速率和光强等因素对间歇式光催化反应速率的影响,并建立了估算和测定二苯并呋喃光催化反应常数和Langmuir吸附常数的数学模型和方法.结果表明,Fe3+和Ce3+掺杂修饰TiO2光催化剂后,提高了对二苯并呋喃的光催化降解活性,其中Fe3+/TiO2光催化活性最高;随着二苯并呋喃初始浓度的增大,其光催化降解速率也随之增大;适量的水蒸气存在可以促进二苯并呋喃的降解,但当水蒸气过量后,反而阻碍二苯并呋喃光催化降解;随着气体循环速率加快和光强的增大,二苯并呋喃光催化降解初始速率也随之增大;TiO2、Ce3+/TiO2和Fe3+/TiO2光催化降解二苯并呋喃反应速率常数k分别为34.54×10-5、36.23×10-5和37.95×10-4mg.(min.m2)-1.