亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        厭氧氨氧化技術(shù)現(xiàn)狀、研究進(jìn)展及主要影響因素

        2020-03-26 09:34:40王沙沙譚宇杰甄廣印陸雪琴
        環(huán)境衛(wèi)生工程 2020年1期

        王沙沙,潘 陽,譚宇杰,甄廣印,2,陸雪琴,3

        (1. 華東師范大學(xué) 生態(tài)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,上海市城市化生態(tài)過程與生態(tài)恢復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200241;2.上海污染控制與生態(tài)安全研究院,上海 200092;3.崇明生態(tài)研究院,上海 200062)

        1 引言

        作為典型的廢水之一,高氨氮廢水具有低碳氮比和較差可生化性的特征,傳統(tǒng)的處理方法除氮效率低、效果較差。厭氧氨氧化(Anammox) 技術(shù),不僅可以節(jié)約碳源、減少供氧量和二次污染,而且脫氮效率高,能有效降低污水脫氮處理過程中的運(yùn)行成本,給高氨氮廢水中氨氮的去除提供了一種新的思路,從而得到了更多的關(guān)注。但是,Anammox 技術(shù)也面臨著一些困境和挑戰(zhàn),如厭氧氨氧化菌培養(yǎng)緩慢、啟動(dòng)時(shí)間長、細(xì)胞產(chǎn)率低、對外界環(huán)境敏感性高等,阻礙了其大規(guī)模的推廣應(yīng)用[1]。隨著Anammox 技術(shù)的研究發(fā)展,有必要對其技術(shù)現(xiàn)狀、研究進(jìn)展及其主要影響因素等進(jìn)行詳細(xì)總結(jié)和全面分析,為Anammox 技術(shù)應(yīng)用和未來發(fā)展提供理論和技術(shù)參考。因此,本研究對Anammox 的原理、技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行闡述,并討論了Anammox 技術(shù)的主要影響因素。

        2 原理

        Anammox 是指在厭氧條件下,以亞硝酸鹽作為電子受體,氨作為電子供體,同時(shí)生成氮?dú)獾纳锓磻?yīng),它是目前最為經(jīng)濟(jì)高效的脫氮技術(shù)[1],與傳統(tǒng)的脫氮工藝,即硝化/反硝化相比,該技術(shù)具有非常突出的優(yōu)勢,不同脫氮方式的對比見表1。

        表1 不同脫氮方式的對比

        圖2 Anammox 技術(shù)發(fā)展史

        Anammox 原理示意見圖1,由圖1 可知,硝化是指在有氧的條件下,氨氮經(jīng)亞硝酸細(xì)菌(AOB) 和硝酸細(xì)菌(NOB) 的作用轉(zhuǎn)化為硝酸的過程,反硝化作用是指在缺氧條件下,反硝化菌將硝酸鹽及亞硝酸鹽還原為氮?dú)獾倪^程,其化學(xué)方程式如下所示:

        而Anammox 是厭氧氨氧化菌(AnAOB) 直接利用亞硝氮和氨氮發(fā)生反應(yīng)轉(zhuǎn)化為氮?dú)?,亞硝酸鹽與氨分別位于細(xì)胞膜的細(xì)胞質(zhì)與厭氧氨氧化體兩側(cè)。當(dāng)細(xì)胞質(zhì)一側(cè)的亞硝酸鹽被還原成羥胺時(shí),能夠跨膜的聯(lián)氨水解酶將其轉(zhuǎn)運(yùn)到厭氧氨氧化體一側(cè),然后羥胺在聯(lián)氨水解酶催化作用下與氨縮合形成聯(lián)氨,從而被厭氧氨氧化體一側(cè)的聯(lián)氨還原酶還原為氮?dú)猓?]。

        該技術(shù)可以節(jié)省62.5%的供氧量和100%的外加碳源,在該過程中不需要額外投加酸堿中和劑,N2O 和NO 等溫室氣體的排放量有所減少,污泥產(chǎn)生量也減少了90%[3],因此,Anammox 技術(shù)不僅可以減少二次污染,而且脫氮效果較好,很大程度上減少了污水脫氮處理過程中的運(yùn)行成本。

        圖1 Anammox 原理示意

        3 技術(shù)現(xiàn)狀

        Anammox 技術(shù)發(fā)展歷史見圖2。

        1995 年,荷蘭Delft 大學(xué)的研究人員在一個(gè)生物脫氮流化床反應(yīng)器中發(fā)現(xiàn)了Anammox 現(xiàn)象[6]。這個(gè)發(fā)現(xiàn)給眾多致力于污水脫氮處理的科研人員帶來了新的研究思路,自此之后,相關(guān)科研人員開始積極探索與開發(fā)應(yīng)用新型的生物脫氮技術(shù),從而早日研發(fā)出可以方便快速、經(jīng)濟(jì)高效去除污水中的氨氮的新技術(shù)。在Anammox 反應(yīng)過程中,發(fā)揮主要作用的就是厭氧氨氧化菌,厭氧氨氧化菌種是該生物反應(yīng)器的核心,該菌廣泛存在于環(huán)境中,如海洋、湖泊和河底土壤生態(tài)系統(tǒng)等[7],但是其在自然環(huán)境中存在的數(shù)量較少。若想要讓接種污泥表現(xiàn)出明顯的Anammox 功能,就需對其進(jìn)行一定時(shí)間的馴化和精心培養(yǎng),只有當(dāng)厭氧氨氧化菌種富集達(dá)到一定的數(shù)量時(shí),才會(huì)表現(xiàn)出較明顯的Anammox 功能,Anammox 是一個(gè)比較緩慢的過程。

        2002 年,在荷蘭鹿特丹污水廠建成并運(yùn)行世界上第1 座生產(chǎn)性的Anammox 反應(yīng)器[8]。隨后,越來越多的科研人員開始進(jìn)行Anammox 的相關(guān)研究,實(shí)驗(yàn)室規(guī)模以及工業(yè)化的Anammox 反應(yīng)器也逐漸發(fā)展起來,在世界范圍內(nèi)Anammox 工程性裝置的數(shù)量也呈現(xiàn)逐年上升的趨勢。有一項(xiàng)調(diào)查指出,全世界已經(jīng)有了110 多個(gè)全規(guī)模的Anammox裝置[9],見圖3。目前,該工藝在處理污泥消化液的領(lǐng)域已經(jīng)逐漸成熟[10],其在發(fā)酵工業(yè)廢水、垃圾滲濾液、養(yǎng)殖廢水等高氨氮廢水處理領(lǐng)域的推廣也在逐漸開展。但受科研水平以及自然條件等因素的限制,該技術(shù)在我國起步較晚。由于我國大部分地區(qū)的氣溫并不適合Anammox,使得Anammox 反應(yīng)器的工業(yè)化應(yīng)用在我國的開展比較困難。

        圖3 全規(guī)模厭氧氨氧化廠的地理分布

        4 影響因素

        目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的厭氧氨氧化菌有6 個(gè)屬,包括Candidatus“Brocadia”、Candidatus“Anammoxoglobus”、Candidatus“Jettenia”、Candidatus“Kuenenia”、Candidatus“Anammoximicrobium”和Candidatus“Scalindua”。其中,前5 個(gè)屬是淡水厭氧氨氧化菌,最后1 個(gè)屬是海水厭氧氨氧化菌[11]。由于菌體內(nèi)含有大量的血紅素[12],成熟的Anammox 污泥呈現(xiàn)出深紅色的顆粒狀。想要利用Anammox 高效地處理廢水,就需要保證Anammox反應(yīng)能夠高效穩(wěn)定地運(yùn)行,同時(shí)要保證足夠的厭氧氨氧化菌的數(shù)量,防止其流失,這也是將其投入工程化應(yīng)用的主要目標(biāo)。但由于厭氧氨氧化菌生長非常緩慢、倍增時(shí)間較長、對環(huán)境要求高,使得該反應(yīng)在啟動(dòng)和穩(wěn)定運(yùn)行方面面臨著諸多困難。Anammox 工藝處理污水過程中存在著廢水中NH4+/NO2-失衡、厭氧氨氧化菌對生活污水等復(fù)雜水質(zhì)的適應(yīng)能力差、反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)間長和對環(huán)境變化敏感等問題[13],所以不僅要求反應(yīng)器要能夠富集微生物、保證微生物盡量不流失,而且要嚴(yán)格控制環(huán)境條件,縮短Anammox 的啟動(dòng)時(shí)間,維持短程硝化的長期穩(wěn)定。目前,Anammox 技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用急需解決的問題主要有2 個(gè)方面:①縮短Anammox 的啟動(dòng)時(shí)間;②保證Anammox 反應(yīng)的長期穩(wěn)定[14]。影響Anammox 反應(yīng)的因素主要有如下4 個(gè)方面:

        4.2 反應(yīng)器啟動(dòng)慢

        由于厭氧氨氧化菌生長緩慢、世代時(shí)間長,其最大比增長率為0.002 7 h-1[15],細(xì)胞產(chǎn)率僅為0.11 g/g,其倍增時(shí)間長達(dá)10~15 d[17],這也導(dǎo)致Anammox 工藝啟動(dòng)時(shí)間較長,世界上的第1 個(gè)Anammox 生產(chǎn)性裝置的啟動(dòng)時(shí)間長達(dá)3.5 a[18]。丁爽等[19]在研究生產(chǎn)性短程硝化-Anammox 裝置處理制藥廢水的啟動(dòng)性能時(shí),盡管在Anammox 過程中接種污泥含有部分Anammox 污泥,該工程從啟動(dòng)到正常運(yùn)行也將近1.5 a。由此可見,如果將Anammox 投入生產(chǎn)性裝置,必然需要很長的啟動(dòng)時(shí)間才能夠達(dá)到理想的脫氮效果,部分Anammox反應(yīng)器運(yùn)行情況見表2。

        表2 部分Anammox 反應(yīng)器的運(yùn)行情況

        Anammox 反應(yīng)啟動(dòng)時(shí)間的長短視接種污泥種類[13]、反應(yīng)器類型、實(shí)驗(yàn)操作方式、實(shí)驗(yàn)條件等因素而定,長則3~4 a,短則1~2 a。但Anammox的高效穩(wěn)定運(yùn)行又必須有足夠的厭氧氨氧化菌來保證,才能顯現(xiàn)出Anammox 活性。如果不能實(shí)現(xiàn)厭氧氨氧化菌的富集培養(yǎng),就無法真正發(fā)揮其脫氮的作用,而富集厭氧氨氧化菌需要足夠的時(shí)間,這也是Anammox 反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)間比較長的原因。當(dāng)然,這也是Anammox 的工程化應(yīng)用所面臨的主要問題。倘若能早日解決Anammox 反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)間長的問題,必將更有利于Anammox 工程化應(yīng)用的進(jìn)一步推廣。

        4.3 游離氨(FA) 和游離亞硝酸(FNA) 的抑制作用

        Anammox 的處理對象一般都是含氮量比較高的廢水,而作為給Anammox 提供營養(yǎng)和能源的氨氮和亞硝酸鹽氮,也可能對Anammox 產(chǎn)生抑制作用。有研究表明,在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模和工業(yè)化的Anammox 反應(yīng)器中,低濃度的氨氮和亞硝酸鹽氮可以作為基質(zhì),當(dāng)氨氮和亞硝酸鹽氮的濃度提高到一定程度之后,便會(huì)抑制厭氧氨氧化菌的活性,這不僅可以抑制細(xì)菌生長,而且會(huì)干擾細(xì)菌的代謝過程。有研究表明,氨氮和亞硝酸鹽氮對Anammox 的影響主要是由其未離子化狀態(tài)即FA和FNA 引起的[27]。其中,F(xiàn)NA 比FA 對Anammox 的抑制作用更明顯,由于Anammox 反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)操作條件、接種污泥、污泥結(jié)構(gòu)以及污泥中微生物種類不同,F(xiàn)NA 和FA 的抑制濃度也不盡相同。根據(jù)查閱相關(guān)文獻(xiàn),F(xiàn)A 的最低抑制濃度為2 mg/L,而FNA 的抑制濃度為1.5~213.0 μg/L[11]。為了保證反應(yīng)的穩(wěn)定進(jìn)行,必須控制反應(yīng)體系內(nèi)FA 和FNA 的濃度,以避免其對Anammox 反應(yīng)產(chǎn)生抑制作用,反應(yīng)體系內(nèi)FA 和FNA 濃度的計(jì)算方式如下[11]:

        式中:TAN 為總氨氮,TAN=NH4+-N+NH3-N;TNN 為總亞硝酸鹽氮,TNN=NO2--N+HNO2-N;T為反應(yīng)溫度,℃。

        4.4 對外界環(huán)境敏感度高

        由于厭氧氨氧化菌特殊的生活習(xí)性,其對外界環(huán)境的敏感度比較高,溫度、pH、溶解氧(DO)、有機(jī)物、無機(jī)鹽等條件的變化都會(huì)對Anammox 反應(yīng)產(chǎn)生影響。

        1) 溫度。溫度是對生物反應(yīng)影響比較大的一個(gè)因素,因?yàn)闊o論是參與反應(yīng)的微生物還是在生物反應(yīng)中發(fā)揮作用的相關(guān)的酶,都有溫度要求,過高或過低的溫度都會(huì)對生物反應(yīng)產(chǎn)生抑制作用,有些抑制作用甚至是不可恢復(fù)的。所以,想要保證Anammox 反應(yīng)的穩(wěn)定正常運(yùn)行,就必須將反應(yīng)體系的溫度控制在其最適溫度范圍之內(nèi)。而且在常溫下,亞硝酸鹽會(huì)迅速被氧化為硝酸鹽,而當(dāng)溫度大于30 ℃時(shí),才會(huì)有明顯的亞硝酸鹽積累[16]。有研究表明,Anammox 的最適溫度在30 ℃左右,一般情況下,厭氧氨氧化菌的活性隨著溫度的降低而降低,但是,溫度過高也會(huì)對厭氧氨氧化菌產(chǎn)生非常不利的影響[28]。Dosta 等[29]研究表明,當(dāng)反應(yīng)溫度超過45 ℃之后就會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞色素的丟失,進(jìn)而對其產(chǎn)生不可逆的抑制作用。楊慶等[14]在用短程硝化耦合Anammox 工藝處理低C/N 比生活污水的過程中發(fā)現(xiàn),溫度對濾池中Anammox 反應(yīng)的影響較大,當(dāng)濾池溫度降低至16 ℃時(shí),厭氧氧化菌雖有活性,但活性比較低,當(dāng)逐步把溫度升高到25 ℃后,其活性又逐漸恢復(fù)。然而,污水的溫度在自然狀態(tài)下難以達(dá)到Anammox 的最適溫度,要想達(dá)到理想的反應(yīng)溫度,需對其進(jìn)行適當(dāng)加熱。但如果對其進(jìn)行加熱,就會(huì)增加能耗,從而增加水的處理成本。所以,溫度問題也是Anammox 反應(yīng)所面臨的主要問題之一,如果能夠通過實(shí)驗(yàn)來馴化厭氧氨氧化菌,馴化其在常溫下或者低溫下高效脫氮的能力,那么Anammox 的應(yīng)用便沒有那么多限制,這也會(huì)有助于進(jìn)一步推廣Anammox 在低溫地區(qū)的應(yīng)用。

        2) pH。pH 和溫度一樣,也是對生物反應(yīng)影響比較大的一個(gè)因素,在Anammox 反應(yīng)中,pH對Anammox 產(chǎn)生的影響主要來自于其對基質(zhì)和微生物的影響。根據(jù)Anammox 反應(yīng)式可知,H+也是Anammox 反應(yīng)所需要的底物之一,而pH=-lg[H+],所以反應(yīng)體系內(nèi)應(yīng)保證有適量的H+存在。同時(shí),pH 的變化也會(huì)對基質(zhì)的濃度變化產(chǎn)生影響。研究表明,厭氧氨氧化菌的最適pH 范圍是7.5~8.0[30],當(dāng)pH 不在這個(gè)范圍內(nèi)時(shí),就會(huì)抑制Anammox 反應(yīng)。同時(shí),由于pH 與FNA 和FA 的濃度之間的關(guān)系[公式(6)、(7)],pH 的降低會(huì)增加溶液中FNA和FA 的濃度。Puyol 等[31]研究表明,當(dāng)pH 低于7.1 時(shí),對該反應(yīng)產(chǎn)生主要抑制作用的是FNA。而當(dāng)pH 大于8.0 時(shí),F(xiàn)A 的含量急劇增大,這就容易抑制Anammox 工藝的性能,從而削弱反應(yīng)體系的脫氮性能。所以,在Anammox 體系中,為了保證Anammox 反應(yīng)的順利進(jìn)行,必須要把pH 保持在一定范圍內(nèi)。

        3) DO。由于厭氧氨氧化菌是嚴(yán)格厭氧菌,DO 的影響主要來自于對厭氧過程的抑制。較高濃度的氧氣會(huì)對Anammox 過程產(chǎn)生抑制作用,氧氣濃度過高時(shí)不利于厭氧氨氧化菌的存活和繁殖,甚至?xí)?dǎo)致厭氧氨氧化菌活性的完全喪失。此外,有足夠氧氣存在時(shí),更有利于硝酸菌的生存,硝酸菌會(huì)與厭氧氨氧化菌競爭底物,進(jìn)一步削弱Anammox 反應(yīng)。所以必須要嚴(yán)格控制體系內(nèi)DO 的濃度。Kimura 等[32]在研究DO 的濃度對Anammox反應(yīng)影響實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),當(dāng)DO 的濃度超過2.5 mg/L時(shí)就能夠抑制Anammox 反應(yīng),但是,這種抑制作用是可逆的,DO 的濃度下降后,厭氧氨氧化菌又可以恢復(fù)其活性。

        4) 有機(jī)物。厭氧氨氧化菌是一種化能自養(yǎng)型細(xì)菌,CO2是它的唯一碳源[33],無需另外投加有機(jī)物。如果反應(yīng)體系內(nèi)有機(jī)物含量過高,則會(huì)對其產(chǎn)生不利影響。因?yàn)橛袡C(jī)物是反硝酸菌等異養(yǎng)菌的碳源,如果反應(yīng)體系內(nèi)的有機(jī)物過多,會(huì)增強(qiáng)異氧型細(xì)菌與厭氧氨氧化菌的競爭作用,更有利于反硝化等反應(yīng)的進(jìn)行,造成反硝化細(xì)菌等異養(yǎng)菌的積累。與厭氧氨氧化菌相比,反硝化細(xì)菌增長速率高,世代周期短[34],在與厭氧氨氧化菌的競爭中處于優(yōu)勢,使其成為反應(yīng)體系內(nèi)的優(yōu)勢種,侵占厭氧氨氧化菌的生存空間,進(jìn)而對Anammox 反應(yīng)產(chǎn)生抑制作用,削弱體系內(nèi)的Anammox 反應(yīng)。然而許多高氨氮的廢水中有機(jī)物的含量也比較高,如垃圾滲濾液、動(dòng)物消化液和味精廢水等,倘若用Anammox 來處理此類廢水則不太恰當(dāng)。假如要用Anammox 反應(yīng)來處理某類廢水,必須要保證反應(yīng)體系內(nèi)沒有過多的有機(jī)物存在,反應(yīng)過程中也無需外加碳源。

        5) 無機(jī)鹽。一般來說,高鹽度對于Anammox會(huì)產(chǎn)生抑制作用,所以Anammox 不適用于處理來自海鮮業(yè)、制藥業(yè)和垃圾填埋場等的高鹽度高氨氮廢水。到目前為止所發(fā)現(xiàn)的6 個(gè)屬的厭氧氨氧化菌種,有5 個(gè)屬存在于淡水,該類細(xì)菌易受到鹽類的抑制,而只有1 個(gè)屬能夠存在于海洋,該類細(xì)菌能夠適應(yīng)高鹽度的環(huán)境。但有科研人員發(fā)現(xiàn),在逐漸增加基質(zhì)鹽度的情況下,可以馴化淡水菌,使其適應(yīng)高鹽度的生活,而不至于對Anammox 反應(yīng)產(chǎn)生抑制作用。Nakajima 等[35]已經(jīng)利用柱式反應(yīng)器連續(xù)培養(yǎng),成功地在高鹽度環(huán)境中富集出厭氧氨氧化菌。但目前還是缺乏該方面的相關(guān)研究,如果能夠大量培養(yǎng)此類細(xì)菌,Anammox 應(yīng)用于高鹽度廢水就會(huì)早日成為現(xiàn)實(shí)。

        5 結(jié)束語

        Anammox 技術(shù)作為近20 多年來興起的新技術(shù),對于脫氮技術(shù)的進(jìn)程來說,是個(gè)新的里程碑。與其他脫氮技術(shù)相比,Anammox 因?yàn)榈湍芎?、無污染、經(jīng)濟(jì)效益好,同時(shí)又滿足當(dāng)代可持續(xù)發(fā)展的要求而具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢,但是該技術(shù)易受各種因素影響,這也制約了該技術(shù)的發(fā)展,限制了其發(fā)揮獨(dú)特優(yōu)勢。即便如此,該技術(shù)仍具有廣闊的應(yīng)用前景,值得也需要更多科研人員的關(guān)注與探究,假如能夠通過更多探究與實(shí)驗(yàn),解決一些問題與挑戰(zhàn),便能夠進(jìn)一步推進(jìn)該技術(shù)的應(yīng)用,進(jìn)而減少氮素的排放量,也能夠從很大程度上緩解目前存在的一些河流湖泊富營養(yǎng)化等氮素污染問題。

        国产亚洲精品久久久久久久久动漫| 亚洲中文字幕人妻久久| 亚洲无线码一区二区三区| 欧美丰满大屁股ass| 国产精品丝袜美女在线观看| 女同欲望一区二区三区| 尤物yw午夜国产精品视频| 日本公与熄乱理在线播放| jjzz日本护士| 日本在线观看一区二区三区视频| av网站免费线看精品| 国产乱妇乱子在线播视频播放网站| 亚洲欧美在线观看一区二区| av网站一区二区三区| 国产在线无码一区二区三区视频| 欧美日韩不卡合集视频| av无码天堂一区二区三区 | 国产午夜福利av在线麻豆| 色翁荡息又大又硬又粗视频| 免费国产裸体美女视频全黄| AV人人操| 久久精品国产亚洲综合av| 精品一区二区三区免费视频| 这里有精品可以观看| av日本一区不卡亚洲午夜| 亚洲日本精品国产一区二区三区| 熟女体下毛毛黑森林| 中文字幕人妻中文| 成人国产av精品麻豆网址| 欧美大片aaaaa免费观看| 在线观看av中文字幕不卡| 日韩av中文字幕亚洲天| 国产亚洲欧美精品永久| 麻豆高清免费国产一区| 国产伦码精品一区二区| 在线观看国产白浆一区三区| 一区二区三区国产| 久久免费观看国产精品| 91九色极品探花内射| 白丝兔女郎m开腿sm调教室| 日日摸日日碰人妻无码老牲|