环境生物学论文(精品)

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高盐条件下废水生物脱氮除磷及其工艺研究进展某某某【摘要】高盐废水是指总含盐量至少为1%的废水，是目前很难处理的废水之一。国内外学者针对高盐废水做了很多研究，我们简要综述了高盐条件下废水的脱氮除磷及工艺进展，希望对高盐条件下废水的同步脱氮除磷研究提供有益的资料。【关键词】高盐废水；脱氮；除磷；同步脱氮除磷；进展StudyontheDenitrificationandDephosphorizationintheTreatmentofSalinityWastewaterLIUWei-lin[Abstract]Highsalinitywastewateriscontentatleastwasterefersto1%ofthetotalwaterjtisoneoftherefractorywastewaternow.Somanydomesticandabroadscholarsconductedastudyonhighsalinitywastewater.Thispaperintroducedtheprocessofnitrogenandphosphorusremovalinhighsalinitywastewater.HopetoprovideUsefulresearchinformationaboutnitrogenandphosphorusremovalsimultaneouslyinhighsalinitywastewater.[Keywordsjhighsalinitywastewater；denitrification；dephosphorization:simultaneousremovalofnitrogenandphosphorus；advance高盐度废水是指总含盐（如Na+、K+、Cl一、S042—等）至少为1%的废水，是目前很难处理的废水Z-o这类废水除含冇大虽的无机盐外，还含冇冇机物和质量分数N3.5%的总溶解性固体物（TDS）,在高盐的条件下有可能会出现系统屮的微生物数量和利啖的减少，出水中悬浮物浓度增加、氨氮和有机物的去除率降低等现象，主要是因为废水中高盐度的存在会破坏微牛物的细胞膜和菌体内的酶，对微牛物的牛长会有抑制作丿IJ,使得活性污泥的活性下降，这些现象的存在都会影响处理效果。在高盐条件下处理废水会遇到很多困难，如盐度适应差、盐度变化影响大、降解速率缓慢、污泥流失严重等。高盐条件对生物处理废水的影响，不仅表现在冇机物去除率方面，而且还表现在生物硝化脱氮过程方面。面对口益严重的水体富营养化现象，污水的脱氮除磷成为污水处理面临的重要任务之一。1高盐废水的脱氮传统的脱氮机理为：有机氮化合物在氨化菌的作用下，分解转化为氨态氮；氨态氮在亚硝化菌的作用下转化为亚硝酸氮，继Z亚硝酸氮在硝化菌的作用下转化为硝酸氮。在缺氧条件下，硝酸氮在反硝化菌的代谢作用下，通过2条途径转化：一是同化反硝化（合成），最终形成冇机氮化合物，成为菌体的一部分；二是异化反硝化（分解），最终产物为气态氮。另外，一些研究表明，白然界屮还存在着多种氮索转化途径，因此提出了多种新型牛物脱氮工艺,如短程硝化反硝化、同时硝化反硝化、厌氧氨氧化和好氧反氨化工艺等。海水中的C1榷度是淡水的2481倍，因此可以认为海水中的盐度是由Cl-i农度引起的。海水进入污水后其盐度高低直接影响到水的活度，从而导致水的渗透压发生变化，而不同的微生物对不同渗透压\n有看不同的牛物反应。当污水屮盐度超过10000mg/L时，就会对微牛物的牛长产牛较强的抑制。因为生物脱氮主要是通过硝化作用和反硝化作用来完成的，高盐度的存在对硝化作用和反硝化作用都产生了一定的影响。国内外学者对高盐条件下的生物脱氮做了很多研究，多数人认为，高盐坏境对生化处理有抑制的作用，生物增长缓慢，产率系数低。Campos等［4］发现，在高盐度运行的硝化活性污泥反应器中，NH4+-N负荷为1〜4g/(Ld)吋能够稳定运行，但由于盐度和氨氮的联合抑制作用，在进水盐度高于525mmol/L吋系统失效，且出水主要是硝态氮，山于盐度的影响，使硝化活性降低。Dahl等在实验室中根据温度和C1榷度的不同改变不同的运行条件，测试最人的硝化和反硝化速率，发现在30°C和20g/LC1〜条件下，最人的硝化和反硝化速率分别为2和3mgN/(gVSSh),出水屮无机氮的浓度低于8mgN/L；硝化过程对于重金属比反硝化过程更敏感，在盐度和重金属的双重抑制下，硝化速率降至零。Glass［6］等利用序批式反应器研究了高盐高氨氮污水的处理。在pH值为7.5、9吋，逐步将硝酸盐的浓度从2700mg/L增加到8200mg/L,同时TDS从5%、16%增加到18%。结果表明，在pH9、硝酸盐氮浓度为8200mg/L、TDS为18%的条件下，污泥经过驯化能够达到理想的脱氮效果，而未经驯化的污泥在硝酸盐氮浓度为5400mg/L时即完全停止反硝化反应；在pH7.5时，即使是驯化污泥，硝酸盐氮浓度为5400mg/L时反硝化反应也完全停止。同时试验结果表明盐度增加导致了脱氮效率下降。但也有些试验在高盐条件下取得了较好的脱氮效果。Nugulintrasungkha等171釆丿IjSBR反应器研究了海产品加工废水的脱氮除磷，在盐度水平为0.03%O2%NaCl范围内能够取得较好的脱氮效果。1995年,陈郭健181在高盐度、高氨氮肠衣废水的治理研究中经过简单的絮凝预处理后，进行PAC—SBR生化处理。在原水口Cr>NH,—N、CODci•浓度分別高达9000、145和2000mg/L时，预处理C0DcrnJ2<除30%以上生化法収得了95%以上的NH3-N去除率及90%左右的CODcri除率，脱氮效果显著，cl一对系统的生化能力无明显影响。Moussa［9］等采用SBR匸艺研究了不同NaCl盐度对硝酸菌和亚硝酸菌活性和污泥沉降性能的影响。研究表明，硝酸菌比亚硝酸菌对盐度的变化更敏感，在C1一浓度达到40g/L时，2种微生物种群的活性几乎都被抑制。在一定盐度范围内，当微生物适应了盐度的变化后，L无盐条件相比，氨氮去除效果差别不大。得出这些不同其至对立的结论，原因可能是：①系统的构造和实验条件(温度、pH值、废水屮含有抑制微生物的化合物等)的井异；②系统微生物种类；③盐加入系统的方式，如突然加入或逐渐加入。2高盐废水的除磷对于普通废水的除磷研究，传统的牛物除磷理论是“聚合磷酸盐(Poly-P)累积微牛：(poly—phosphateAc一cumulatingorganisms,PAO)”的摄磷释磷原理。这类微生物均属显养羽细菌，现已报道的种类包括不动杆菌属、肠杆菌属、着色菌属、脱氮微球菌属等。在厌氧条件下，聚磷菌消耗糖原，将胞内的聚磷水解为正磷酸盐釋放到胞外，并从中获得能量，同时将环境屮的有机碳源(挥发性脂肪酸,VAF)以胞内碳源存贮物(主耍为聚一P-轻基丁酸,PHB)的形式贮存。在好氧条件下，聚磷菌以0：为电了受体，演化胞内贮存的PHB及利用产生的能量过量地从坏境屮摄磷，以聚磷酸高能键的形式存贮。通过排放高磷剩余污泥实现去磷的目的。冃前国内外对高盐条件下生物除磷的研究很少。从现冇的一些研究报道来看，含盐环境中生物除磷效果大多不理想。Intnisungkhat［0］等研究了盐度对废水屮氮磷去除的影响，在盐浓度为5g/L、水力停留时间为18h时,P043-p的去除率为15%；盐度大于5〃L时，磷的去除\n率大幅度卜•降，无法进行生物除磷。在Uygm•等【儿1的研究屮，当废水屮盐浓度从0逐步提高到60g/L时，P043—_P的去除率由84%降到22%。Abu—ghararahtl21等的研究结果表明，盐浓很低时，牛•物除磷效果即会明显下降。在其研究中，无盐条件下P043--P去除率达到82%,当盐浓度为4g/L时，P043-_P的去除率降到25%。Panswad等［13］采用A2/O工艺研究了高盐度对废水屮有机物、氮、磷等污染物去除的影响。试验采用2组平行运行的反应器,其屮一组反应器中接种的污泥在含盐环境中经过驯化，而另一组反应器小的污泥未经过驯化。当NaCl浓度从0增加到30g/L吋，POP的去除率从48%分別降到36%（污泥未驯化円10%（污泥经过驯化）。作者认为在含盐环境中，盐度在聚磷菌细胞内累积，导致细胞内渗透压急剧增加，使得聚磷菌失去吸收磷的能力。刘长青等［14］采用SBR匸艺，研究了海水对污泥沉降性能及脱氮除磷的影响。结果表明，添加海水进入主活污水生物处理系统后，可明显改善活性污泥的沉降性能。海水的加入对反硝化功能影响不大，但对好氧硝化会产生一定程度的影响，部分抑制硝化功能，使硝化速率和效率降低。海水的添加对生物系统丿犬氧释磷的程度冇一定影响，但就总体的除磷功能而言,彫响不明显。但是，也有一些试验取得了理想的除磷效果。李玲玲［15］采用SBR工艺，以逐步提高盐度的方法驯化耐盐污泥，发现当环境中盐浓度逐步提高时，聚磷菌对含盐环境能够产生适应能力。废水屮盐浓度低于32.5g/L时，采用生物除磷的方法可将废水中的P0,浓度降到0.5mg/L以下。梁晨辉等［1］间采用改进空SBR法处理高盐度有机磷农药废水，废水处理运行结果屮TP平均去除率大于85%。Matsuo等［1］研究了盐度对强化牛物除磷系统（EBPR）的彩响，当NaCl浓度超过20mmol/L时，限制了聚磷菌对磷的过赧摄取，从而使岀水的磷含暈偏高;但经过一定时间的驯化，能够回复到原来的效果。综上所述，污泥在高盐环境中经过驯化后，耐盐能力增强，能有效去除废水中的冇机污染物。只要驯化方法及时间控制合适，使适应高盐环境的硝化菌大量增殖，废水中的氨氮能够有效转化为硝态氮；与一般并养菌、硝化菌相比，聚磷菌对盐度更頌感。高盐条件下的生物除磷效果不太理想，只有个别实验成功。分析其原因，可能与聚磷菌对盐度的敏感和研究人员的驯化方法及时间有关。聚磷菌受到高盐度冲击时，不能立刻通过调节白"的新陈代谢來产生适应性，导致驯化时间除磷功能大幅度下降，甚至完全失去除磷功能。3高盐废水的同步脱氮除磷研究针対高盐条件下对•废水同步脱氮除磷的研究很少，处在起步阶段。国内外学者采用不同的处理丄艺研究了含盐废水生化处理系统中盐度对有机物和去除率的彫响、盐度对硝化脱氮效率的影响、盐度对系统稳定性的影响、盐度对活性污泥微生物生态的影响、嗜盐菌的培养、盐度对系统耗氧率和棊质利用率的影响等，并得出了一系列含盐废水生化处理系统的设计参数。但得出的结论由于采用的工艺不同和研究水质的不同而很不一致，有些结论甚至互相矛盾，主要分歧在于高盐度的废水处理效果上1融瑚。大部分学者的研究集中在有机物的去除上，而对高盐条件下污水牛物同步脱氮除磷的研究很少。关于在淡水环境屮的同步脱氮除磷，已进行了较多的研究，取得了一些成果，推广了许多脱氮除磷的工艺。但是，很多工艺都停留在理论研究上。近年来，国内外学者针对生物除磷脱氮工艺实践小暴霜出的问题和现彖进行了大虽理论和试验研究，并捉出了一些新的观点和方法，其中反硝化聚磷脱氮技术颇受重视，具冇垂要的应用价值刚。3.1反硝化除磷脱氮早在20世纪80年代中期,Hascoet、Comeau和Gerber等都发现了聚磷菌能够在缺氧环境中以硝态氮作为电子受体进行吸磷的现象脚-23LPolaeh和Wanner等利用小试和中试试验也证\n实，在EBPR系统的缺氧条件卜，活性污泥具有同步吸磷和反硝化作用［24-25K1993年，荷兰De说科技人学的Kuba等在试验屮亦观察到，在厌氧/缺氧交替运行的条件下，易富集一类兼有反硝化及除磷作用的兼性厌氧微牛物，该微牛物能利用0：或N03■作为电子受体，基于对胞内PHB和糖原质上的生物代谢作用与传统A/O法中的PAO相似，人们将此类微生物称为反硝化聚磷菌(DPB)闭。反硝化除磷基本原理可概括为：利用反硝化聚磷菌在厌氧状态下放磷的同时，吸附污水屮大量有机物后进入缺氧环境，以NO,-N为电子受体，厌氧段吸附的大量有机物作为碳源,反硝化聚磷菌同时完成反硝化脱氮和超量磷的吸收，硝酸盐转为氮气逸出水体，而磷酸盐则被过量吸收并通过剩余污泥形式排出池外，达到除磷脱氮的目的。3・2同时硝化反硝化的研究近几年许多学者发现同吋硝化反硝化现彖的存在，并对此进行了广泛研究，提出了一些见解，但对其机理的认识还未统一，尚处于探索阶段。一些研究者利用其改进脱氮工艺，Watanabe在RBC屮、Fdez一Polaneo等网在流化床反应器屮都实现了同时硝化和反硝化。同吋硝化反硝化将硝化和反硝化两个过程统一在一个反应器中进行，不但可节省占地而积和投资，使脱氮工艺更加经济合理，而R由于没冇硝酸盐的影响，对厌氧段聚磷菌释磷也十分冇利。相信随着对其机理和反应条件的深入研究，将会给生物脱氮除磷工艺带来巨人的推动作用。3.3短程硝化反硝化脱氮工艺短程硝化反硝化脱氮工艺也称为亚硝酸型牛物脱氮工艺，就是将硝化过程控制在亚硝酸盐阶段而终止，随后进行反硝化。短程硝化反硝化脱氮工艺的优点是：亚硝酸菌世代时间比硝酸菌短，泥龄也短，控制在亚硝酸阶段对提高微生物浓度和硝化反应速度，缩短硝化反应时间，从1何减小反应器容积，节省基建投资；同时还节省氧的供应量约25%,降低能耗；节省碳源40%左右；可在低COD/TKN比下提高脱氮除磷效率；减少污泥生成量50%左右；减少投碱量。荷兰Delft科技大学已开发出应用短程硝化反硝化的SHARON(singlereactorforhighactivityammoniaremovalovernitrite)SE艺1281,川丁•处理城市污水二级处理系统中污泥硝化上清液和垃圾渗滤液等高氨废水。協耍指出的是，短程硝化反硝化丄艺中的中间产物亚硝酸盐有毒，运行时应严加控制。OLAND(oxygenlimitedautotrophicnitrificationremovalovernitrite,氧限制白养硝化反硝化工艺)[291由比利时Gent微生物牛态实验室开发,该工艺通过控制溶解氧的浓度来对硝化进行控制。4高盐污水生物处理的对策4.1驯化淡水微生物适应于生活在淡水生物处理设施中的微生物在进入一定含盐浓度的环境内，会通过自身的渗透压调节机制来平衡细胞内的渗透压或保护细胞内的原纶质，这些调节机制包括聚集低分了量物质來形成新的胞外保护层、调节自身的代谢途径、改变基因组成等。因此正常活性污泥可以在一定盐度范围内通过一定时间的驯I化处理含盐废水。虽然污泥通过驯化可以提高系统耐盐范围，捉高系统的处理效率，但驯化污泥中的微纶物对盐度的耐受范围有限，而11对环境的变化敏感，当盐度环境变化时，微生物的适应性会立刻消失。驯化只是微生物适应环境的暂时生理调整，不具有遗传特性。这种适应性的敏感对污水处理工程的实施很不利。研究认为，在盐度小于20g/L的条件下，可以通过盐度驯化处理含盐污水1301。但是，驯\n化盐度必须逐渐提高，分阶段地将系统驯化到要求的盐度水平，突然的高盐坏境会造成驯化的失败和启动的延迟。4.2稀释进水盐度既然高盐成为微生物的抑制和毒害剂，那么将进水进行稀釋，使盐度低于毒域值，生物处理就不会受到抑制。这种方法简单，易于操作和管理；其缺点是增加处理规模，增加基建投资，增加运行费用，浪费水资源。4.3利用适盐微生物接种或基因固定化适盐微生物处理高盐污水是一种有效的处理方法。此种方法可以处理超过3%的高盐污水，这是不同驯化法无法实现的。其筛选出的某些具冇特定污染物去除的适盐茵可以具有高的专性降解能力，大大提高处理效果。筛选接种物来源于海洋或河口底泥、晒盐场底物和其他高盐环境下的活性物质。筛选往往有一定的程序和基因化措施。这种方法的缺点是启动时间长，前期启动费用高。但是对于高盐污水牛物处理而言，是可行的方法。4.4添加拮抗剂拈抗作用是指一种毒物的毒害作用因另一种物质的存在或增加而降低的情况。如目前研究的钾会対钠产牛扌吉抗作用，减少钠盐对微生物的毒害作用，即吸钾排钠作用，主要原理可能是Na+/K+反向转运功能。细菌的生长虽然需要高钠坏境，细胞内的Na+浓度并不高，如盐杆菌光介导的H+质了泵具有Na+/K+反向转运功能，即具有吸收和浓缩K+和向胞外排放Na+的能力。K+作为一•种相容性溶质，可以调节渗透压达到细胞内外平衡，其浓度高达7mol/L,以维持内外同样的水活度。如嗜盐厌氧菌、嗜盐硫还原菌及嗜盐古菌釆用细胞内积累高浓度K+來对抗胞外的高渗环境；酵母中的Na+/K+反向载体可以将多余的盐分排出体外,提高酵母的耐盐性。总之，高盐条件下生物处理有一些困难，高盐对微生物的脱氮除磷均会产生影响。国内外学者的相关研究得出了不一致其至相反的结论，其小的原有待进一步探讨。基于高盐条件下微生物对废水处理的可行性研究，我们nJ以从驯化耐盐微生物和加强一些外部条件来考虑怎样才能更好地脱氮除磷，特别是如何做到同步脱氮除磷。研究新型微生物处理技术，降低废水处理的成本，提高高盐废水处理效果，实现高效降解高盐废水污染物，是我们以后的努力方向。参考文献[1]1张雨山,王静.海水盐度对曝气反应器中微生物生态的影响田.工业水处理,1999,19(5)：17—18.[2]崔有为,于德爽,彭永臻,等.NaCI盐度对活性污泥处理系统的影响【J】.环境工程,2004,22(1)：19—21.[3]陈绍君，张伯良.氮的硝化过程影响因素新探【J】.中国市政工程，1993,(3)：45-49.[4]CampoaJfMosquera-ConalA,SanchzM,eta1・NitrificationinsalinewastewaterwithhighammoniaconcentrationinanactivatedsludgeUnit[J].WatRes,2002,36：2555-2560.[5]UygurA,KargiF.SaltinhibitiononbiologicalItnlovalfromsalincwastewaterinasequencingbatchreactorL・EnzymeMiembialTeehnol,2004,34：313-318・[6]GlassC,SilversteinJ.Denitrifieationofhi【sh-nitrate,hiigh一salinitywastewater[J]・WatRes»1999.33(1)：223-229.[7]DaMC,SundC,KristensenGH,etal・Combindebiologicalnitrificationanddenitrifieafionofhigh-salinitywastewater・WatSciTech,1997,36(2)：345—352.\n【8】陈郭健.高盐度、高氨氮肠衣废水的治理研究叨.环境与开发,1995,10(1)：5-7.[9]MoussaMS,SumanasekeraDU・Longtermeffectsofsaltoilactivity,populationstructureandfloccharacteristicsinenrichedbacterialcdturcsofnitrificin[J]・WatRes,2006,31(12)：2203-2211・【10】IntrasungkhaN,BlackallLL・Biologicalnutrientremovaleffi―iencyintreatmentofsalinewastewater[J].WatSeiTech,1999,39(6)：183-190.[11JUygurA,KargiF・Saltinhibitiononbiologicalnutrientre一movalfromsalinewastewaterinasequencingbatchreactor.EnzymeMicrobialTechnoL2004,34：313-318・【12]Abu・Ghara】ahZH,SherrardJH・Biologicalnutrientremovalinhighsalinitywastewater]J]・JEnvironSciHealtIL1993,28：599-613.【13】PanswadT,ChadarutA・Impactofhighchloridewastewateronananaerobie/anoxie/aerobieprocesswitllandwithoutinoculationofchlorideacclimatedseeds叨.WatRes,1999,33(5)：1165-1172.【14】刘长青，张峰，毕学军，等.海水对污泥沉降性能及脱氮除磷影响的试验【J】.工业用水与废水，2005,36(6)：24—26.【15】李玲玲.高盐度废水生物处理特性研究【D】.屮国海洋大学博上论文，2006.【16】梁晨辉，吉风蓉，庞春霞.改进型SRB法处理高盐度有机磷农药废水的研究【J】.污染防治技术，2003,16(1)：44-45.【17】MatsuoY,HesoboraK・Anexperimentstudyonanaerobicaerobicsludgeprocesscharacteristicofthephosphorusuptakercaction[C]//7nlc7nlirdWPCF/JSWAJointTechnicalSeminarOnSewageTreatmentTechnology,Tokyo,1998.【18】文湘华.含盐废水的生物处理研究进展叨.环境科学，1999,3：04—106.【19】王志霞.高盐度废水生物处理现状与前景展望叨.工业水处理，2002,22(11)：1-4.【20】杨永哲,王蔚蔚,王磊,等.反硝化聚磷诱导过程中聚磷速率的变化特性分析阿.西安建筑科技大学学报(自然科学版),2003,35(3)：251〜253.【21]HascoetMC,FlorentzInfUeneeofnitratesonbiologicalphosphonisremovalnutrientwastewater』.WarSA01985,11(1)：23一26.[22]GerberA,VilliersRH,MostertES,etal・Thephenomenonofsimultaneousphosphateuptakeandreleaseanditsimportanceinbiologicalnutrientremovalin：BiologicalPhosphateRe—moralfromWastewaters[M]・Oxlbid：PcrgamonPress,1987：123—134.【23】ComeauY,OldhamWK,HallKJ.Dynamicsofcarbonre一servesinbiologicaldephosphatationofwastewater,in：Biologiealphosphateremovalfromwastewaters【M】・Oxford：PergamonPress,1987：39—55.[24]PolacL・Enhancedbiologicalphosphonis1・emoya]fromwastewater・M・Sc.Thesis[z】・PlagueInstituteofChemicalTechnology,1991-1992.[25]WannerJ,CechJS,KosM・Newprocessdesignforbiologicalnutrientremoval叽.WatSciTech,1992,25(4—5)：445—“8.[26]KnhaT,vanLoosdrechtMCM・Phosphorusremovalfromwastewaterbyanaerobic一anoxicsequencingbatchreactor.WarSciTechc1993,27(561：241—252.【27】MikeSM,JcttcnSvcinJ,vailLoosdrechtMCM・Towardsamoresustainablemunicipalwastwatcrtreatmentsystem・WatS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