重慶純水設備解讀：水體中氨氮的去除成為水處理領域研究的重點與熱點
【重慶水處理設備網http://xqccscq.com/】隨著我國社會經濟的不斷發展，工業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域的焦點和熱點。 沸石是一種具有獨特多孔結構的天然材料。其三維骨架中大量的孔隙和孔洞決定了沸石具有很強的吸附和離子交換能力。沸石因其價廉易得，常被用作氨氮吸附劑，廣泛應用于污水處理領域。 研究表明，沸石可以與活性污泥等生物處理工藝相結合，從而提高系統的脫氮效率，富集功能菌。因此，沸石作為一種天然材料，在強化生物脫氮過程中具有很大的應用前景。 1號沸石對反硝化微生物的影響 傳統的生物脫氮主要由好氧環境中的氨氧化菌(AOB)、硝化菌(NOB)和反硝化菌(DNB)來完成。厭氧氨氧化細菌(Anammox細菌)可以在厭氧條件下直接將亞硝酸鹽氮與氨氮反應生成氮氣。在沸石和微生物聯合反硝化工藝中，投加沸石會改變反硝化功能菌的豐度，如表1所示。 沸石組合生物技術在廢水脫氮領域的最新研究進展 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)反應器的填料。長期運行結果表明，反應器中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%。 徐鵬等人發現，以沸石為基質的人工濕地系統中NOB的豐度高于其他材料構建的濕地系統。該沸石應用于序批式反應器，并運行了很長時間。結果表明，沸石促進了反硝化細菌數量的增加。 韓振峰等使用沸石作為人工濕地的基質填料，檢測結果顯示陶氏菌和不動桿菌的豐度明顯增加。 子松等采用沸石復合聚氨酯海綿作為移動床生物膜反應器反硝化過程的填料。結果表明，與單一的聚氨酯海綿填料系統相比，沸石復合填料系統中反硝化細菌Thermomonas、Thauera、Brevundimonas和黃桿菌的數量明顯增加。 盛遠裴等發現，以沸石為填料的人工濕地系統中厭氧氨氧化反應得到強化；重慶實驗室純水設備進一步檢測表明，厭氧氨氧化細菌的豐度高于其他填料系統。沸石組合厭氧氨氧化工藝的長期運行結果表明，厭氧氨氧化系統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行后，硝化螺菌和硝化細菌的豐度下降。 沸石2在生物脫氮過程中的作用機理 沸石在生物脫氮過程中的作用機理包括以下幾種方式:重慶純水設備 (1)沸石作為離子交換劑，可以與氨氮發生離子交換反應； (2)沸石的多孔結構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+取代自身結構中的Na+，形成局部富氨微環境，為硝化細菌提供反應底物。系統中的硝化細菌氧化沸石表面的氨氮，促使沸石形成新的吸附位點，完成沸石的生物再生，最終實現硝化細菌的富集。與天然沸石相比，在序批式反應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是短程硝化的主要原因。通過控制沸石系統進水中的氨氮負荷，改變沸石與氨氮之間的動態平衡，使系統中FA濃度始終處于NOB的抑制范圍內，可以實現短程硝化工藝的穩定運行。 Gyuan Yang等人的研究證實，沸石曝氣生物濾池中FA的質量濃度始終高于0.1 mg/L，長期運行會導致NOB豐度下降。 沸石易附著微生物是沸石強化脫氮的另一個主要原因。由于沸石的疏松多孔結構，沸石結合微生物工藝系統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，達到了強化生物脫氮的目的。 沸石反應條件的改善有利于提高脫氮效率。在沸石系統中，沸石對重金屬離子等有害物質的吸附可以降低重金屬離子等有害物質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條件，降低FA對硝化菌的抑制作用，提高系統的反硝化性能。 3號沸石在傳統硝化反硝化工藝中的應用 3.1沸石在硝化過程中的應用 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速率。魏云等人在序批式反應器中投加粉狀沸石，活性污泥附著在沸石表面形成沸石生物絮體，使反應器中亞硝酸氮和硝酸氮的產生速率由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、鮑爾環和礫石作為滴濾介質處理氨氮廢水。實驗結果表明，沸石滴濾塔的氨氮去除效果最好，氨氮去除率可達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的硝化性能。保氮分析表明，沸石介質中氨氮的去除有離子交換、硝化和細胞合成等不同方式，以沸石為填料的曝氣生物濾池系統脫氮性能最好。 B.HUNTER等在用不同填料構建硝化滴濾塔的實驗中發現，沸石填料的反硝化性能最好。隨著系統的運行，沸石滴濾床出水的硝態氮濃度高于其他材料，證明添加沸石有利于強化硝化作用。 投加沸石后，系統的污泥濃度增加。蒙自王等在生物反應器中加入沸石，發現系統的懸浮生物量增加；系統中污泥質量濃度可達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，沸石復合聚氨酯海綿填料的系統生物量更高，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。 徐等在硝化細菌溶液中添加沸石制備生物沸石。實驗結果表明，硝化細菌可以在沸石表面富集，沸石作為生物載體在富集硝化細菌方面表現出優越的性能。 3.2沸石在脫氮工藝中的應用 投加沸石可以提高反硝化系統的污泥濃度。S. MONTALVO等人發現沸石可以提高反硝化系統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器的脫氮率提高，運行穩定性增強。 S. J. PARK等人的研究證實，投加沸石粉可以提高缺氧活性污泥系統混合液中懸浮固體(MLVSS)的濃度。即使在低碳氮比條件下，有機物的自溶也會使反應器擁有大量潛在的反硝化碳源，反硝化細菌可以有效利用。 子松等將沸石粉與聚氨酯海綿復合物應用于同步硝化反硝化工藝，研究了復合物對系統反硝化性能的影響。結果表明，沸石的加入增加了聚氨酯海綿的比表面積，重慶純水設備使反硝化細菌更容易附著在復合材料表面。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散，而不斷增大的氧濃度梯度最終促進了反硝化菌的快速增殖。由于復合填料系統中懸浮生物量更多，反硝化細菌在復合填料系統中的代謝速率比傳統海綿載體更快，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現了同步硝化反硝化，其反應機理如圖1所示。由于氧氣不能完全穿透沸石形成的生物膜系統，膜內反硝化細菌利用反硝化多糖細胞內儲存的有機碳來脫氮。 沸石組合生物技術在廢水脫氮領域的最新研究進展 沸石可以改善脫氮反應條件。S. MONTALVO等人將沸石與升流式厭氧污泥床反應器組合起來處理含氮廢水，并研究了反應器中自養反硝化過程的啟動。結果表明，與未加沸石的反應器相比，相同條件下加沸石的反應器不存在亞硝酸鹽氮積累的反應環境，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的啟動速率和反硝化速率。 4沸石正在進行短程硝化？厭氧氨氧化工藝的應用 4.1沸石在短程硝化工藝中的應用 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鍵步驟。 沸石能成功實現系統短程硝化。Gyuanyang等人采用沸石作為曝氣生物濾池的填料，成功實現了系統的短程硝化。沸石顆粒與NH4+發生離子交換反應，重慶實驗室純水設備解決了由于反應曝氣階段吹脫效應和AOB氧化氨氮導致FA濃度難以控制的問題。通過沸石對溶液中FA的動態調節，實現了對NOB的抑制和短程硝化的穩定運行。 以沸石為填料，系統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。沸石吸附氨氮提供的富氨微環境和沸石的生物再生特性是短程硝化系統快速啟動和穩定運行的主要原因。 具有強離子交換能力的沸石可以改善反應條件，從而強化短程硝化反應。李強等人用5% NaCl溶液對沸石進行改性，并將其作為曝氣生物濾池的填料用于含氮廢水的處理。發現生物膜上的AOB占菌落總數的47.9%，亞硝化單胞菌在AOB和菌落總數中占優勢，亞硝酸鹽氮的積累速率進一步提高。陳靜等人利用粉煤灰合成沸石，增強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提供了更好的反應條件。 對一些研究者的研究成果進行了總結和比較，如表2所示。 沸石組合生物技術在廢水脫氮領域的最新研究進展 4.2沸石在厭氧氨氧化工藝中的應用 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氣。 沸石通過離子交換與NH4+反應，結合生物反應，使出水亞硝酸鹽氮與氨氮的化學計量比穩定在1.15，從而實現厭氧氨氧化工藝的穩定運行。采用沸石-厭氧氨氧化系統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效應為系統提供了自我再生能力，從而實現了厭氧氨氧化工藝的長期運行。 沸石作為一種良好的生物載體，可以富集厭氧氨氧化細菌。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周滴濾塔內出現厭氧氨氧化，說明沸石有利于反硝化過程中厭氧氨氧化菌的富集。 沸石可以優化厭氧氨氧化過程的反應條件。馮興輝等。為了提高厭氧氨氧化工藝對廢水的處理效果，設置曝氣沸石床，并將其置于整個自養反硝化系統中。當進水溶解氧濃度為6.5 mg/L時，通過曝氣生物濾池的硝化作用，系統內仍發生厭氧氨氧化反應，沸石和微生物組合系統的吸附-解吸作用形成有效的銨緩沖系統，降低了高濃度氨氮和高強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合的應用 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。 沸石組合生物技術在廢水脫氮領域的最新研究進展 組合沸石微生物系統在處理高濃度有機廢水時可以實現穩定的反硝化。陳振國等采用沸石曝氣生物濾池處理高COD的垃圾滲濾液。結果表明，沸石填料能很好地緩沖進水氨氮，重慶純水設備有效維持適宜的FA范圍，實現系統穩定脫氮。 朱曉標等采用沸石生物濾池和膜生物反應器組合工藝處理焦化廢水，其穩定的氨氮去除率表明沸石提高了系統抗氨氮負荷的能力；第58天和第389天的取樣試驗結果表明，AOB和NOB均有積累，說明沸石生物濾池在處理高濃度有機廢水時仍能穩定脫氨。 組合沸石微生物系統可以在低濃度氨氮條件下提高反應器的脫氮效率。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。結果表明，當進水氨氮為3 mg/L時，以沸石為載體的反應器氨氮去除率可達(63.38±4.08)%，以聚丙烯為載體的反應器氨氮去除率為(3.79±3.13)%，且未發現硝酸鹽氮。 利用沸石耦合微生物系統可以增強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，沸石填料生物濾池對氨氮的去除率可達81.06%，高于膨潤土填料生物濾池的去除率(65.42%)。 在反應器長期穩定運行的條件下，沸石可以提高系統中微生物抵抗進水氨氮沖擊負荷的能力。蒙自王等人的研究表明，沸石組合微生物工藝系統在系統長期穩定運行后，通過改變進水氨氮濃度，可以迅速恢復到原來的運行性能。去除沸石的系統抗氨氮沖擊負荷能力仍高于未添加沸石的對照系統。 結論與展望 沸石的多孔結構和生物相容性可以實現生物反應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境是增加生物反應系統中硝化細菌豐度的重要原因。通過調節沸石系統中游離氨的濃度，可以保證短程硝化工藝的穩定運行，為后續的厭氧氨氧化工藝提供保障。 關于沸石在生物脫氮中的應用，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，開發基于沸石的脫氮新工藝，以更好地促進沸石在污水脫氮中的應用。
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