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陈重军:厌氧氨氧化颗粒污泥的研究进展分析
更新时间:2020-12-28 来源:中国给水排水 作者:陈重军

  自活性污泥法成功用于城市污水处理以来,历经百年,弥久不衰。但随着经济快速发展,大量有机污染物进入水环境,导致水体富营养化、水华现象、蓝藻爆发事件频发。同时为了进一步降低传统活性污泥法能耗、占地面积,提高氮、磷的去除效能和能源回收,颗粒污泥技术应运而生。

  荷兰代尔夫特理工大学教授Mark van Loosdrecht院士指出,未来污水处理生物技术主要是厌氧氨氧化(Anammox)、好氧颗粒污泥(AGS)技术。由于Anammox 微生物繁殖速率低,世代周期长,在实际应用中容易随污泥流失导致难以快速培养。而颗粒污泥因其具有优异的沉降性能,可以保留大量生物群体,抵抗冲击能力强,能有效解决污泥流失的困境,对复杂的环境条件具有较强的适应性。耦合Anammox和颗粒污泥的优势,因而有关Anammox颗粒污泥相关研究迅速开展。然而有关Anammox颗粒污泥的性质、影响因素、局限性和应用的研究进展相关报道并不多见。苏州科技大学陈重军副教授一直从事Anammox相关研究,并对Anammox颗粒污泥特性、形成因素、应用状况进行分析。近期,该研究小组将此研究成果以“Research advances in anammox granular sludge: A review”为题,发表在环境领域期刊Critical Reviews in Environmental Science and Technology。

  ——同济大学浙江学院、《中国给水排水》青年编委 刘俊 博士

  该研究获得了国家自然科学基金(51508366)、中国博士后科学基金(2020M671400)、江苏省自然科学基金(BK20201450)的资助。研究成果以“Research advances in Anammox granular sludge: A review”为题,发表在Critical Reviews in Environmental Science and Technology(SCI,IF= 8.302,1区Top)DOI:10.1080/10643389.2020.1831358

  中文摘要

  厌氧氨氧化 (Anaerobic ammonium oxidation,Anammox)是在厌氧条件下,厌氧氨氧化菌(AnAOB)以NO2--N为电子受体,氧化NH4+-N为N2的过程。该过程无需外加有机碳源,主要应用于高氨氮、低碳源废水处理,为实现自养低耗脱氮提供了新途径。然而,AnAOB繁殖速率低,倍增时间长,在实际应用中很容易随污泥流失导致难以快速培养。颗粒污泥因其具有优异的沉降性能,可以保留大量生物群体,抵抗冲击能力强,能有效解决污泥流失的难题,对复杂的环境条件具有更强的适应性,成为Anammox的主要选择形式。本文综述了厌氧氨氧化颗粒污泥的性质、影响因素、局限性以及应用的研究进展,旨为厌氧氨氧化颗粒污泥的研究和工程应用提供参考。

  图文摘要

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  1 引言

  传统生物脱氮工艺是基于硝化-反硝化过程,最后转化为氮气,工艺流程长,脱氮负荷低,占地面积大,投资高。因此,进一步探索高效率、低能耗的废水脱氮技术已成为废水脱氮领域的重要内容。厌氧氨氧化 (Anaerobic ammonium oxidation,Anammox)是在厌氧条件下,厌氧氨氧化菌(AnAOB)以NO2--N为电子受体,氧化NH4+-N为N2的过程。该过程无需外加有机碳源,主要应用于高氨氮、低碳源废水处理,为实现自养低耗脱氮提供了新途径。然而,AnAOB繁殖速率低,倍增时间长,在实际应用中很容易随污泥流失导致难以快速培养。颗粒污泥因其具有优异的沉降性能,可以保留大量生物群体,抵抗冲击能力强,能有效解决污泥流失的难题,对复杂的环境条件具有更强的适应性,成为Anammox的主要选择形式。本文综述了厌氧氨氧化颗粒(AnGS)的性质、影响因素、局限性以及应用的研究进展,希望能为AnGS的研究和工程应用提供借鉴。

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  图1 Anammox颗粒污泥(表观、显微态)

  2 图文导图

  该综述首先介绍了AnGS的优点及形成过程。颗粒污泥比絮体污泥更致密,微生物结构更强,AnGS可以在不需要载体的情况下确保完全的生物量保留。此外,由于它们的高沉降速度,可以采用高水力负荷,而不会对生物量造成相应的冲刷。颗粒污泥由微生物细胞、胞外聚合物(EPS)和无机物等组成。AnGS的形成过程见图2。

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  图2 AnGS形成过程机理研究

  文章介绍了AnGS的性质、影响因素、局限性及应用的研究进展。AnGS一般呈球形且表面光滑,可分为沉降颗粒和漂浮颗粒,沉降颗粒的平均粒径为(2.96±0.99)mm,小于漂浮颗粒的平均直径,即(4.58±1.22)mm,研究发现沉降性能和反应器的总体性能呈现正相关,即颗粒沉降性越高,反应器的性能越好。而AnGS的粒径与密度成反比。因此,增大粒径会导致AnGS的密度降低,从而导致颗粒污泥的上浮。根据Anammox工艺的沉降模型,1.75~4.00mm的粒径被认为是Anammox工艺有效运行的最佳粒径。为防止颗粒污泥上浮,建议AnGS的粒径始终保持在2.20mm以上。AnGS独特的胭脂色也表明了AnAOB的高活性,但它们的颜色仍然可以从胭脂红到褐色或黑色,主要受到AnAOB中血红素c的浓度影响,见图3、4。

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  图3 厌氧氨氧化颗粒污泥形态(表观、显微态、SEM)(Daetal.,2019)

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  图4 厌氧氨氧化颗粒污泥表面SEM(A(D)、B(E)、C(F)分别为黑色、棕色、红色AnGS)

  同时,一定浓度有机物的存在会对AnGS的污泥特性造成影响,随着浓度的升高,AnGS由砖红色转变为黑色,颗粒结构会造成显著影响(见图5)。AnGS的形成及性能不仅受底物浓度、温度、pH值、HRT和SRT等因素的影响,胞外聚合物(EPS)的聚集、流体动力剪切力和搅拌速度、无机离子的存在以及废水中纳米颗粒的存在等因素的影响不容忽视。

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  图5 厌氧氨氧化颗粒污泥的理化性质变化(在COD浓度分别为0, 50, 100, 150 and 200 mg/L胁迫100d,平均粒径、沉降速度、完整度系数和湿密度)

  厌氧氨氧化颗粒污泥在实验室规模、中试规模和工程应用各个层面上均取得成功,具有巨大优势,见表1。

  表1 厌氧氨氧化颗粒污泥在不同反应器中的应用

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  然而,厌氧氨氧化在实际应用中仍存在一些局限性。比如颗粒污泥的上浮现象、AnGS的储存及重金属的影响等,仍然限制着AnGS的大规模应用。较高脱氮负荷导致氮气产量的增加可能是AnGS上浮的主要原因之一。也有专家认为颗粒污泥内部形成的气穴也会造成颗粒上浮。而对于AnGS的储存,应该选择新方法替代冷冻保存。而重金属的不同类型、数量会不同程度地抑制AnGS的形成,也为厌氧氨氧化颗粒污泥处理工业废水带来了难度。

  3 结论与展望

  研究者们已对AnGS的结构性质、影响因素等进行了研究,为Anammox快速颗粒化和稳定运行提供了基础,但仍存在一些局限性。比如厌氧氨氧化颗粒污泥的上浮、储存及重金属敏感性均限制AnGS的大规模应用,亟待在未来研究中着手解决。

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