【《猪场废水生物脱氮技术研究的国内外文献综述》3300字】

猪场废水生物脱氮技术研究的国内外文献综述目录TOC\o"1-3"\h\u14470猪场废水生物脱氮技术研究的国内外文献综述 142161.1传统硝化-反硝化工艺 136921.2短程硝化-反硝化工艺 2290951.3厌氧氨氧化工艺 395741.4两级短程硝化-厌氧氨氧化工艺 5214481.5自养型同步脱氮工艺 5猪场废水因其高浓度的有机和无机碳、氮、磷而被列为污染最严重的农用工业废水之一[10]。在厌氧消化以后，氨氮成为猪场废水中主要的氮素污染物，其可通过各种物理化学或生物学的手段从废水中去除。其中，生物处理法由于其经济、简便、不易产生二次污染等优点，在猪场废水脱氮中得到广泛应用[17,18]。目前常见的猪场废水生物脱氮技术主要有：传统硝化-反硝化工艺(Conventionalnitrification/denitrificationprocess)、短程硝化-反硝化工艺(Partialnitrification/denitrificationprocess)、厌氧氨氧化工艺(Anaerobicammoniumoxidation,Anammox)、短程硝化-厌氧氨氧化(Partialnitrification-Anaerobicammoniumoxidation,PN-Anammox)工艺等。1.1传统硝化-反硝化工艺硝化-反硝化工艺是废水生物处理方法中最为传统且应用最广泛的工艺[19]。传统的硝化-反硝化工艺由两个部分组成，即硝化过程和反硝化过程。硝化作用是在好氧条件下，氨(NH4+)被化能自养微生物氧化为硝酸盐（NO3-）的过程，而硝化作用又进一步分为两个步骤：氨氧化为亚硝酸盐(NH4+→NO2-，氨氧化)和亚硝酸盐氧化为硝酸盐(NO2-→NO3-，亚硝酸盐氧化)（图1-1)。氨氧化和亚硝酸盐氧化这两个阶段一般由不同种类的细菌完成。氨氧化作用主要由自养型氨氧化微生物(Ammonia-oxidizingmicrobes，AOM)介导发生，AOM包括氨氧化细菌(Ammonia-oxidizingbacteria,AOB)和氨氧化古菌(Ammonia-oxidizingarchaea,AOA)两大类，一般来说在污水生物处理系统中，AOB是其中介导氨氧化的主要功能菌群；而亚硝酸盐氧化过程主要由亚硝酸盐氧化细菌(Nitrite-oxidizingbacteria,NOB)来执行。AOM利用氨作为电子供体，分子氧作为电子受体，以二氧化碳为碳源，将NH4+氧化为NO2-；进一步地，NOB以NO2-为电子供体，分子氧作为电子受体，将NO2-氧化为NO3-，这就是硝化作用的全过程[18]。反硝化过程(Denitrificationprocess)是异养反硝化菌(Denitrificationbacteria,DB)利用废水中的各类有机物作为电子受体，将NO3-还原为NO2-再进一步还原为N2的过程(图1-1)。由于反硝化作用由异养型细菌完成，因此传统硝化-反硝化工艺需大量易降解有机物作为碳源[21]。但是猪场粪污在厌氧消化回收能量后，剩余的猪场厌氧消化液中有机物含量无法满足硝化-反硝化工艺的碳源需求，需额外添加碳源，导致传统硝化-反硝化工艺的脱氮效能低、能耗高[23]。1.2短程硝化-反硝化工艺短程硝化-反硝化工艺是在传统硝化-反硝化工艺的基础上进行改良而来。由于NO2-是硝化和反硝化过程共同的中间产物[24]，因此，硝化和反硝化作用之间能够通过NO2-这一中间产物耦合起来，使得硝化过程第二步(NO2-→NO3-）直接省略，反硝化过程直接从NO2-的还原开始进行。和传统的硝化-反硝化工艺相比，短程硝化-反硝化工艺免去了亚硝酸盐进一步氧化为硝酸盐的过程，能够有效减少25%的氧气供应、40%的有机物(用于反硝化)添加、50%的反应器体积[25]；将反硝化过程的速度提高1.5~2倍，大大缩短反硝化阶段的时间[26]；还能够在硝化过程中和反硝化过程中分别降低35%和55%污泥产量[27](图1-2)。因为上述优点，短程硝化-反硝化工艺特别适合处理低C/N比废水，但此工艺在实际工程中应用实例不多。究其原因，是短程硝化-反硝化工艺易受环境因素影响。通常来说，亚硝酸盐的氧化速度比氨氧化的速度快，因此亚硝酸盐很少在环境中累积[29]。因此如何在高效脱氮的前提下，调控运行参数实现有效短程硝化是该工艺的关键技术问题。迄今为止，国内外学者们针对如何有效调控短程硝化这一过程做了大量的研究。目前已知控制部分运行参数可抑制亚硝酸盐氧化过程，如提高游离氨浓度[30]、pH值[31]、温度[32]、游离羟胺浓度[33]，降低DO浓度[34]、污泥停留时间(Sludgeretentiontime,SRT)等，目前也有研究表明添加化学抑制剂也能达到抑制亚硝酸盐氧化过程实现短程硝化的目的[35]。虽然可以通过以上操作来实现短程硝化，但这些方法依然不能解决短程硝化-反硝化过程中存在的约束复杂、启动周期长、长期过程性能不稳定等缺点。综上所述，通过这些控制手段在实际工程应用中实现长期稳定的短程硝化仍然具有一定的难度。1.3厌氧氨氧化工艺自从20世纪90年代初厌氧氨氧化过程发现以来[36]，厌氧氨氧化因其具有去除效率高、能耗低、不需要外源有机物和污泥产率低等优点而受到广泛关注，是一种极具前景的生物脱氮工艺。厌氧氨氧化(Anaerobicammoniumoxidation,Anammox)工艺主要利用厌氧氨氧化菌介导的厌氧氨氧化反应来进行废水脱氮。厌氧氨氧化菌是化能自养型细菌，无需提供有机物为碳源，因此在处理猪场厌氧消化液等低C/N比废水方面优势显著。Anammox反应的化学方程式为：NH→1.02N虽然厌氧氨氧化工艺是一项很有前景的生物脱氮技术，但是目前在全世界范围内并没有得到广泛的大规模应用。目前，限制厌氧氨氧化工艺在实际废水处理中广泛应用的核心问题是:厌氧氨氧化细菌生长速率低、细菌对环境变化的抵抗力弱以及仍然会产生部分硝酸盐等问题[37,38]。首先，厌氧氨氧化菌生长缓慢。Lotti等人富集了高纯度的厌氧氨氧化细胞培养物，研究了悬浮状态下厌氧氨氧化细胞生长速率，表明在最适宜条件下，厌氧氨氧化细胞的比生长速率达0.21d-1，对应倍增时间为3.3天[39]。厌氧氨氧化悬浮细胞生长速度比以往文献报导都要快，尽管如此，厌氧氨氧化细菌生长速率仍低于其他主要脱氮微生物。据Guven等人的研究，典型AOB细菌Nitrosomonaseuropaea在连续培养中的倍增时间为13h[40]；而Wang等发现反硝化菌Pseudomonasstutzeri的比生长速率为0.154h-1，倍增时间为4.5h[41]。因此在一般的污水处理系统中，厌氧氨氧化细菌很难占据主要优势。其次，厌氧氨氧化菌对外界环境比较敏感，容易受温度、pH、DO等因素影响，导致厌氧氨氧化工艺最终在实际应用中受限。硝化作用是需氧过程，DO一般控制在1~4mg/L[42]。而厌氧氨氧化工艺是厌氧过程，当进水DO大于2.5mg/L时对厌氧氨氧化过程产生可逆抑制[43]。厌氧氨氧化工艺最佳的运行温度在30℃到40℃之间，而大多数国家的平均温度难以达到此标准；厌氧氨氧化细菌的最适生长pH在6~9之间，但废水的pH值受其中游离氨和游离亚硝酸盐浓度变化影响，难以维持长期稳定[44]。最后，由式(1)可知，厌氧氨氧化菌需要NH4+和NO2−作为底物，在废水环境中需要由一定浓度的氨氮和亚硝氮才能发生厌氧氨氧化反应，因此难以利用单一的厌氧氨氧化工艺来处理猪场废水厌氧消化液。亚硝酸盐是厌氧氨氧化细菌的主要底物之一，但是在大量废水中含量均较低，包括猪场废水。因此为了在不额外添加亚硝酸盐的情况下处理厌氧消化出水并获得较高的脱氮效率，厌氧氨氧化工艺通常需要与短程硝化(PN)、反硝化(DN)等工艺相结合为PN-anammox和DN-anammox[45-47]。1.4两级短程硝化-厌氧氨氧化工艺短程硝化-厌氧氨氧化工艺(Partialnitritation(PN)-anaerobicammoniumoxidation(anammox)，PN-Anammox)，顾名思义，由短程硝化(Partialnitrification，PN)过程和厌氧氨氧化过程(Anammox)两部分组成。比起单一的厌氧氨氧化工艺，前置了一个短程硝化过程，能够给后续厌氧氨氧化过程提供所需的亚硝酸盐底物。PN-Anammox工艺产生的污泥量很低，并且能够降低50%的碱度消耗和62.5%的曝气量[48,49]，目前全世界已有100余个拟建或者正在建设的PN-Anammox的中试或者工程用于处理高氨氮废水，其中包括垃圾填埋场渗滤液、炼油废水和污泥消化废水等工业废水，但尚无畜禽废水[50,51]。两级PN-Anammox分别在两个反应装置内进行短程硝化过程和厌氧氨氧化过程。PN过程的出水进入厌氧氨氧化阶段，为其提供充足的氨氮和亚硝酸盐底物。两级PN-Anammox对PN和Anammox两个过程分别调控，可保持两过程分别处于最适宜状态，降低了厌氧氨氧化细菌被异养微生物过度生长抑制[52]或被过高溶解氧抑制的风险。但是由于PN与Anammox两过程分别发生在两个反应装置中，一方面在推广应用中设备占地成本和装置成本激增，另一方面PN过程为酸化过程易导致酸抑制，且NOB会产生低溶氧耐受，难以长期稳定实现短程硝化。1.5自养型同步脱氮工艺自养型同步脱氮工艺是一种单级的PN-Anammox工艺。自养型同步脱氮(AutotrophicNitrogenRemoval,ANR)工艺以自养型好氧氨氧化菌(Ammonia-oxidizingmicroorganisms,AOM，包括氨氧化细菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA))[53]和自养型厌氧氨氧化菌(Anammox菌)[21]为主要功能微生物，利用AOM将部分氨氮转化为亚硝氮(NH3+1.5O2→NO2-+H2O+H+)，再利用Anammox菌将剩下的氨氮和亚硝氮同时转化为氮气(NH4++NO2-→N2+2H2O)，在一个反应器内完成自养同步脱氮(NH4+→N2)[54]。与两级PN-Anammox相比，其免去了两反应器基质转换和微生