邱偉

摘 要：由于人類活動的影響，如生活污水和畜禽糞便的不當排放、化肥農(nóng)藥的濫用和流失等，因此水體中硝酸鹽污染已成為重大環(huán)境問題。有報道稱，水體中硝酸鹽濃度過高可能導致包括高鐵血紅蛋白血癥和癌癥等嚴重的人類健康問題，以及水體富營養(yǎng)化等生態(tài)環(huán)境問題，因此，如何有效去除硝酸鹽一直是水處理領域的研究重點。

關鍵詞：自養(yǎng)反硝化;深度脫氮;污水處理

引言

目前，城鎮(zhèn)生活水平的提高增大了污水廠的處理負荷，污水廠的二級出水和工業(yè)生產(chǎn)等硝酸鹽濃度也較高，與此同時，排放標準也在不斷提升完善。國家對城鎮(zhèn)污水中的總氮（totalnitrogen，TN）排放量控制在15mg/L（GB18918—2002），同時地方標準對氮的排放也有更明確的要求。面對日益提高的排放標準，傳統(tǒng)的硝化反硝化工藝需增加曝氣量和碳源量來達到標準，這不僅增加能耗，還增加運行成本。故需要探尋能耗更低的工藝來滿足更高要求的氮排放標準。

1硫自養(yǎng)反硝化技術中的微生物群落

微生物群落是反應系統(tǒng)中微生物種群的集合，通常用相對豐度表示。群落結構決定了整個反應系統(tǒng)的生態(tài)功能和特性，其穩(wěn)定性也是保證反應效果和抗水質變化能力的關鍵因素。對比了以硫化鈉和硫代硫酸鈉為電子供體的硫自養(yǎng)反硝化污泥系統(tǒng)中的造粒過程，并通過高通量焦磷酸測序分析了其微生物群落的差別，結果表明，在以硫化鈉驅動的體系中，主要菌種為Halomonas和Lysobacter，相對豐度分別為17.19%和18.05%，在以硫代硫酸鹽驅動的反硝化體系中，主要菌種為Thiobacillus和Sulfurimonas，相對豐度分別占15.01%和15.26%。建立了一種從城市污水廠厭氧污泥中富集硫自養(yǎng)反硝化菌的高效、經(jīng)濟的方式，通過以硫代硫酸鹽為電子供體，在溫度為30℃的厭氧條件下培養(yǎng)28d后，Thiobacillus菌種的相對豐度達到55%，表明從厭氧污泥成功富集了硫基自養(yǎng)反硝化菌群。以天然硫鐵礦為基質的人工濕地系統(tǒng)中的微生物群落，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中相對豐度最高的五大菌屬分別為Anaeromyxobacter（4.9%）、Ramlibacter（4.8%）、Defluviicoccus（4.2%）、Azoarcus（3.7%）、Geobacter（3.4%），而硫自養(yǎng)反硝化菌Thiobacillus的相對豐度僅為0.12%。通過宏基因組學得到了反硝化硫轉化相關強化生物除磷（DS-EBPR）反應器內11類菌種近乎完整的代謝通路，揭示并描述了各類菌種的相互作用和碳（C）、氮（N）、磷（P）、硫（S）元素的循環(huán)模式，不僅為硫自養(yǎng)反硝化技術的優(yōu)化提供了理論依據(jù)，也拓寬了人們對不同元素在生物地球化學循環(huán)中的認識。

2耦合系統(tǒng)的不同菌屬的協(xié)同作用

在PD/A系統(tǒng)中，通過控制C/N、pH等條件，NO-3-N在短程反硝化細菌的作用下還原至NO-2-N態(tài)，而ANAMMOX菌則是將短程反硝化的出水與NH+4-N進行氮的轉化。在硫酸鹽還原、反硝化、厭氧氨氧化和短程硝化工藝對有機廢水進行處理時，在硫化物的條件下，檢測到了CandidatusBrocadia菌，證實了厭氧氨氧化菌和反硝化菌能夠共存。PD/A系統(tǒng)啟動初期異養(yǎng)菌為系統(tǒng)的優(yōu)勢菌屬，但反應一段時間后，厭氧氨氧化菌和短程反硝化菌逐漸增加;富集階段，短程反硝化菌和厭氧氨氧化菌為系統(tǒng)的優(yōu)勢菌種，短程反硝化的主導菌為Thauera和Flavobacterium，ANAMMOX的主導菌為CandidatusBrocadia。膜內積累的NO-2-N雖抑制了完全反硝化的進行，但對ANAMMOX菌的富集培養(yǎng)起促進作用;此外，反硝化菌在低溫環(huán)境下活性較低。對細菌進行測量分析發(fā)現(xiàn)，Thauera菌為短程反硝化的優(yōu)勢菌屬，低溫環(huán)境下Flavobacterium菌的占比較大，CandidatusBrocadia菌是膜內唯一的厭氧菌。在PD/A+PN/A耦合工藝中也發(fā)現(xiàn)Thauera菌屬為短程反硝化的主導菌屬，CandidatusKuenenia為ANAMMOX的主導菌屬。

3地下水修復應用

自20世紀70年代以來，集約化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)導致地下水硝酸鹽污染成為一個全球性的環(huán)境問題。研究表明，在有機碳含量有限的地下含水層，自然發(fā)生的自養(yǎng)反硝化作用普遍占主導地位。采用同位素分析證實了在荷蘭奧斯特拉姆的一個硝酸鹽嚴重污染的硫鐵礦砂質含水層中，硫鐵礦是反硝化反應主要的電子供體，同時產(chǎn)生大量硫酸鹽，以及硫單質、亞硫酸鹽的一些中間產(chǎn)物。搭建了以硫單質和無煙煤為填料的硫自養(yǎng)反硝化柱，探究實際地下水的硫自養(yǎng)反硝化動力學過程，同時考察溫度對動力學的影響，結果表明，該反應符合1/2級動力學模型，且反硝化效果受溫度影響十分明顯。以磁黃鐵礦、硫單質和石灰石為填料，搭建了升流式的厭氧填充柱，考察了硫自養(yǎng)反硝化菌對模擬地下水中硝酸鹽和砷的去除效果，研究發(fā)現(xiàn)，在停留時間為6h時，硫自養(yǎng)反硝化菌可同步并有效去除砷、硝酸鹽和磷酸鹽。采用燒杯進行實驗，考察了酸洗硫鐵礦的預處理方式對地下水中反硝化效率和硫酸鹽產(chǎn)量的影響，結果表明，在不添加pH緩沖劑的條件下，酸洗硫鐵礦可提高約8%的反硝化速率，并大幅降低硫酸鹽的初始濃度。

結束語

基于污水處理廠對廢水深度脫氮的需求，采用硫鐵自養(yǎng)反硝化技術進行廢水深度脫氮處理.小試結果表明硫鐵自養(yǎng)反硝化的脫氮效率受運行溫度與HRT的影響較大，反硝化的系統(tǒng)溫度不宜低于20℃，HRT不宜低于0.6h.通過2000m3/d的中試試驗考察了自養(yǎng)反硝化技術在工業(yè)污水處理廠實際應用時的脫氮性能及運行效果，為工業(yè)污水處理廠尾水的深度脫氮提供一定的理論基礎及實用經(jīng)驗.開發(fā)了針對硫鐵自養(yǎng)反硝化的PLC自控系統(tǒng)，基本實現(xiàn)全自動化控制，可以更及時有效地控制系統(tǒng)負荷，降低運行風險，提高運行效率.與傳統(tǒng)的異養(yǎng)反硝化相比，該技術脫氮效果穩(wěn)定，無需額外投加碳源，無出水COD超標的風險;但自養(yǎng)反硝化受低溫影響較大，因此冬季時需要注意控制反硝化系統(tǒng)的運行溫度與脫氮負荷.

參考文獻

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