........................即佗旧招咭任征压任陇喊佑阅丫犷科技信息综述短程硝化反硝化技术研究进展李泽兵李军李妍马家轩2王晓毅(1北京工业大学建筑工程学院,北京100124;2河南省化工研究所有限责任公司,郑州450052)摘要综述了国内外短程峭化反硝化的技术进展从短程峭化反稍化技术的影响因素控制方式以及氨氧化菌的分子生物学研究等方面进行了分析,为在更普遍更广泛的条件下实现短程稍化生物脱氮技术提供参考和支持关键词 短程峭化反峭化厌氧氨氧化菌实时控制分子生物学技术ResearchofshortcutnitrificationanddenitrificationteehnologydeveloPment IJiZebing,LiJun,LiYanl,MaJiaxuanZ,WangXiaoyiZ(1.肠21塔f认2Enginre2.HenanChing&A了丫六izeczure,Beij艺曙Uni二rsiz夕fTechnoz哪.,Lzd.,Zh,Beiji鳍100224,China;ina)emicalIndustr夕ResearchInszizuteCoengzhou450052,Ch Abstraet:Thispaperreviewedthedevelopmentofshorteutnitrifieationanddenitrifieationteehnology.Inthispaper,theeffeetfaetorsofshorteutnitrifieationanddenitrifieationteehnology,theeontrolmodeandmoleeularbiologyresearehofammoniurnoxidationbaeteriawereanalyzed,whiehwouldprovideteehniealsupportandrefereneefortheapplieationofshorteutnitrifieationanddenitrifieationteehnologyinmoregeneralandextensiveeonditions.Keywords:Shorteutnitrifieationanddenitrifieation;Anaerobieammoniumoxidationbaeteria; Real一timeeontrol;Moleeularbiologyteehnology短程硝化反硝化技术以可节约25%的耗氧量 0%左右的反硝化碳源,以及亚硝酸盐氮作为反硝化4程,包括两个基本的反应步骤:由氨氧化菌(am-moniumoxidationbaeteria,AOB)参与的将氨氮转化为亚硝酸盐(NO牙)的反应;由亚硝酸氧化菌底物的反硝化速率是硝酸盐氮为底物的1.5一2倍 低污泥产率等特点,成为当前脱氮领域研究的热点研究内容主要集中在实现氨氧化菌在反应器的优势积累构造适于氨氧化菌长期稳定生长并抑制亚硝酸氧化菌的最佳环境因素优化过程控制模式实现持续(nitriteoxidationbaeteria,N()B)参与的将亚硝酸盐转化为硝酸盐(N()矛)的反应硝化反应过程需在有氧条件下进行,以q作为电子受体短程硝化就是将硝化过程控制在N汗阶段,实现NO牙的积累其中A()B以亚硝酸盐单胞菌属和亚硝酸盐球菌属为主,主要包括Nitrosomonas,Nitrosoeoecus,Nitro-稳定的短程硝化等同时,大量研究采用了各种分子生物学技术对硝化细菌进行了分析和鉴定,从而为进一步深人研究短程硝化过程提供了有效的手段1短程硝化理论及其影响因素1.1短程硝化理论硝化过程是将污水中的氨氮转化为硝酸盐的过sopira,Nitrosolobus,Nitrosovibro等5类细菌1.2短程硝化的影响因素NO牙积累的影响因素主要有温度DO浓度pH游离氨(FA)浓度污泥龄和有机物浓度等(1)温度生物硝化反应在4一45内均可进行,AOB和NOB生长的最适宜温度各不相同在给水排水Vol.37o.9N2011163国家水体污染控制与治理科技重大专项2009ZX07210002):北京工业大学研究生科技基金(沟一2010一3731) 2一114下,活性污泥中NOB活性受到严重抑制,下,硝化过程形成的又出变化,以及其产物CO:都给硝化细菌的活性及硝化产物带来了巨大的影响7)盐浓度对于一些常见的无机盐来说,适(出现NO牙积累;15~25NO牙可完全被氧化成NO歹;温度在25~35现NO牙的积累(2)田浓度通常情况下,A()B饱和常数为量浓度对短程硝化具有促进作用,超过某个阂值,则对硝化具有抑制作用当前无机盐对短程硝化的影 0.3mg/L,NOB为1.1mg/L当田低于lmg/L时,利用这两类菌动力学特性的差异可以实现AOB的富集抑制NOB的活性3)pH两类菌适宜生长的pH范围不同,(响研究还停留在单一组分或少组分的条件下,由于实际废水中含盐组分的差异,浓度的差异,其具体影响还需要做更多的研究来确定2实现短程硝化的最新进展AOB的最适pH在7.5一8.5,NOB的最适pH在6.5一7.5当前短程硝化的研究主要是采用各种方法和策略实现亚硝酸盐的积累,并考察实现短程硝化的最4)游离氨(FA)和游离亚硝酸(FNA)在硝(佳环境条件,如温度污泥龄溶解氧pH游离氨化过程中,FA对AOB和NOB的抑制浓度分别为 等由于原水水质工艺类型以及工艺条件等的不同,通常得出的短程硝化过程环境条件动力学指标及AOB的类型和各项特性参数也是各有差异2.1基于低氧控制的短程硝化在完整的硝化过程中,耗氧当量为2.86902/gNO于一N,为了满足完全硝化反应所需的曝气,其能.1一1mg/L和10一150mg/L当FA的浓度介于两者之间时,AOB能够正常增殖和氧化,NOB被抑制,就会发生亚硝酸的积累但是,由于NOB对FA的抑制作用有一定的适应性,单纯依靠提高FA浓度实现NO牙的积累是不可靠的,而在短程硝化后期FNA浓度的升高则可以承担对NOB的抑制 5)泥龄(SRT)由于AOB的世代周期比(耗大大增加了污水处理构筑物的整体耗量,增加了运行费用而短程硝化,其氧当量为1.71902/g NOB短,因此可以通过缩短SRT,使之介于AOB和NOB的SRT之间,系统中NOB就会逐渐被淘汰掉6)有机物浓度有机物在各种污水中的广泛(存在给硝化过程或者短程硝化过程带来了较多的不确定性碳氧化过程中IX)pH和ORP等参数的NO牙一N,可大大降低污水处理运行费用由于AOB和亚硝酸盐氧化菌的氧饱和常数分别为.3mg/L和1.1mg/L,因此,可在低溶解氧0.3一1mg/L()条件下,实现对亚硝酸盐氧化菌的抑制,获得稳定的亚硝酸盐积累,如表1所示但是也有研究表明,由低DO控制的短程硝化存在两个表1基于低X)控制的短程硝化的文献数据 工艺厌氧一好氧一缺氧氧原水水生活污水水原水及控制条件件好氧区Lx)0.5一lmg/LL污泥浓度/mg/LL(SRT/d))2000~4000(15~20))氨氮去除率率/%%500亚硝酸盐氮积积累率/%%50~700参考文献献6 SBRSBRRSBRRCSI,RSBRRA/00晚期垃圾渗滤液液以0.75mg/LL人工配水水生活污水水人工配水水人工配水水生活污水水6500~730003000(30))800(不排泥)3000~350003000~40000(15))>96675~855>955)900>988)800)955)955>900平均857385291汉接近o,氨氮为200一260mg/LL以)0.1~0.6mg/LL氨氮800~8681119/L,(30士2),pH在7.2一8.2,欠0.3~0.5mg/LL以)0.5~1nlg/L,pH7.5~8.00pH为7.15一7.77温温度21~25oC氨氮300mg/L,室温20~22oC江X)0.3一0.7n砚/L,以升(1rng/LLSBRR人工配水水>900lOO164给水排水o一37vN压,20一l阴旧.以用庵.田印之任曰阅丫惊问题:在D()升高时,系统容易转化为全程硝化;1998年荷兰的Mulder发明的SHAR()N工艺低DO容易引起系统污泥膨胀比如在SBR中,用来处理荷兰鹿特丹的Dokhaven城市污水处理厂短程硝化反应初期,在DO和游离氨的双重抑制下,二级处理系统中污泥消化上清液和垃圾渗滤液等高可以实现很好的亚硝酸盐积累,但随着反应的进行,氨废水该工艺的核心是应用高温(30一35)下游离氨浓度降低,因而为了短程硝化的继续进行和AOB的生长速率明显高于亚硝酸氧化菌的生长速亚硝酸盐的积累,就必须继续维持较低的DO水平,率这一固有特性,控制系统水力停留时间与污泥龄,否则亚硝酸盐无法积累从而使硝酸菌被淘汰,形成反应器中AOB的积累由于仅依靠低IX控制的短程硝化存在稳定性使氨氧化控制在亚硝化阶段问题,大量研究发现在游离氨和低IX)的共同作用下同时,游离氨浓度也被广泛认为是亚硝酸盐氧可以实现长期稳定的短程硝化Chung等在好氧流化菌的主要抑制因素,Vilaverde等[l认为游离氨化床生物膜反应器中控制IX
955>999l33SBRR垃圾渗滤液液pH7一7.883000~40000999>900144SBRR制药废水水氨氮120一320mg/L,pHS一9,(20))98.5~999>955l55SBRR猪场废水水温以度20一25)2nlg/L左右右.pH7一8.55>900l66SBRR垃圾渗滤液配水水氨温度(23士1)o氮150一200们19/LC,pH8.8一,室温9,pH6S一9>955177给水排水vol.37No.,2011165 始反硝化结束等过程,其中表征短程硝化反应结束的特征点对短程硝化工艺的正常运行起着非常重要就可以实现最节能的生物脱氮了,尤其是在贫碳源高氨氮废水处理中更有着不可替代的优越性的作用,并且可以减少相应的污水停留时间,降低运行费用因此,建立基于以)ORPOURpH等参数的实时控制策略而优化污水脱氮除磷处理过程控制,具有很好的可行性和经济性u等[Ysl比较了固定操作模式和实时控制操作模式,运用实时控制策略可以节省大约45%的曝气停 大量研究实践表明,在短程硝化和ANAMMOX的结合工艺中存在着两个主要的问题:稳定的短程硝化;厌氧氨氧化菌的培养和富集以及工艺的稳定运行而且,由于厌氧氨氧化菌对氧的敏感性,短程硝化和厌氧氨氧化须在两个反应器中分别实现Feng等哪通过控制溶解氧和进水碱度,在MBR中实现了人工配制的高氨氮废水(NH3一N为500mg/L)的短程硝化,出水NO牙一N,NH3一N为1:1一1:1.3Helme:等[62的研究表明,控制DO在0.7mg/L的条件下,可实现单级生物膜反应器短程硝化和同步厌氧氨氧化Chen等[72在NRBC反应器中控制以为.4一0.6mg/L条件下,实现了同步短程硝化和厌氧氨氧化从以上研究中发现,稳定的进水NO矛一N,NH3一N保证下可以实留时间和15.5%的缺氧时间而且,Jubany等[9l采用()UR实时控制策略实现系统中硝化菌的清洗Mulloz等卿采用基于田和pH的控制模型,在连续流反应器中实现了超过115d的短程硝化国内,北京工业大学彭永臻教授所在的课题组针对短程硝化过程中ORPpH和DO的变化规律进行了大量深人的研究采用短程硝化的实时控制策略,开展了大量针对各类废水水质和环境条件的短程硝化研究高大文等[lz在以豆制品生产废水现较好的厌氧氨氧化效果为对象的SBR中实现了短程硝化,发现反应过程中ORP和pH的变化与有机物降解氨氧化间存在着很好的相关性白璐等田采用在线监测pH以)的而短程硝化一厌氧氨氧化工艺的稳定性研究方面,金仁村等哪口的研究显示,厌氧氨氧化反应器在水力负荷冲击下的稳定性明显强于基质浓度变化冲方法,在常温下结合以值的跳跃和pH的拐点可很好地判断硝化反应的终点,亚硝化率约为95%相关文献数据见表32.4基于短程硝化的厌氧氨氧化和反硝化除磷击下的稳定性,不同构造的反应器在同一负荷冲击下稳定性也不同反硝化除磷是在缺氧条件下,反硝化除磷菌(DPB)能够利用硝酸盐氮充当电子受体,产生生物工艺近年来,作为可持续的最佳的污水脱氮除磷新摄磷作用,将反硝化和吸磷合二为一所以反硝化除磷对碳源的需求相对于彼此分离的反硝化和吸磷工艺,厌氧氨氧化工艺和反硝化除磷工艺引起了研究者的广泛关注ANAMMOX工艺是荷兰Delft大学1990年提出的一种新型脱氮工艺该工艺的特征是在厌氧条件下,以硝酸盐或亚硝酸盐为电子受体,将氨氮氧化生成氮气那么将短程硝化和厌氧氨氧化工艺结合,表3 要低得多因此,在普遍面临碳源缺乏和较高的污水脱氮除磷要求情况下,短程硝化工艺和反硝化除磷的结合成为了当前研究的热点侯红勋等卿研究了N衡一N作为电子受体对反硝化吸磷动力学的影响,结果表明:过程中八门击ews抑制动力学参数为:反硝化过程最大比反硝化速率基于实时控制的短程硝化的文献数据操作条件件污泥浓度/nlg/LL(SRT/d))3孚刃一4()叉(50))2000一30000工艺SBRRSBRRSBRRSBRR原水水豆制品废水水生活污水水稀释的黄潜水水生活污水水氨氮去除率/%%)999988>999>955亚硝酸盐氮积积累率/%%>966>999)966约955参考文献献2ll233244222温度(27士0.5)oC(32士l)氨氮38mg/L,温度(31士l)oC温度23oC,pH7.2~7.8,氨6氨氮5~93Ig/LnL 166给水排水vo一37No.,2011絮犷R~为4.55n艰/(gh),半饱和常数凡N为2.14rg/nSBR中试系统中的A(B和NOB进行定性与定量化L;吸磷过程最大比吸磷速率凡愉二为3.06n砚/(g),h半饱和常数K奋为2.64r咫z/L,并发现在N峡一N和低pH的共同作用对反硝化吸磷产生了抑制 3AOB的分析和鉴定分析FISH结果表明:A()B相比于NOB已成为明显的优势菌群,占总菌群的3%一12%;且没有检测出NOBPCR一IX;GE结果表明:SBR短程脱氮中试系统中的AOB均以Nitros000nas一like为主污泥样品的PCR一Cloning一Sequeneing结果表明:所随着分子生物学技术的不断发展,分子生物学 分析方法:PeR(pol卿eraseChainReaetion)IX升GE(DenaturingGradlentGelEleetroPhoresis)有的克隆相似于NitrosomonaS,其中60%以上的克 隆相似于Nitrosomonaseuropaea从以上研究中可以看出,通过采用分子生物学分析方法,可以对短程硝化系统中的AOB种类和 和FISH(FluoreseeneeInSituHybridization)等正被广大污水处理工作者用于污水处理系统中细菌的分析和鉴定,为深人研究短程硝化系统中AOB的种类数量分布特征提供了一个非常有效的工具数量进行清晰和完整的分析,在指导试验分析试验和理解试验上具有重要的价值4结语PCR称DNA多聚酶链式反应,是DNA在体外扩增的技术,于1985年由美国MilluS创立此短程硝化反硝化技术处在当前生物脱氮技术的前沿,分别采用低DO控制,高氨氮pH和温度控制,实时控制模式等手段均可以实现良好的亚硝化效果虽然大量的试验主要建立在实验室和技术可以在生物体外,几小时内将极微量的目的基因成百万倍地放大,并能够特异性的扩增任何目的基因片段或DNA片段人工配水条件下实现短程硝化,但是这些短程硝化研究也给我们进一步认识分析研究以及最终将短程硝化技术广泛运用到生产实践提供了很大的帮助短程硝化反硝化技术应用于含氮污水处理时,在经济上和技术上已经具有一定的可行性,因此迫切需要继续深人研究开发具有较强适应性的短程硝化污水处理工艺,再将其与厌氧氨氧化反硝化除磷等可持续污水处理新工艺相结合,以实现污水生物脱氮技术的更大进步在原位杂交技术中应用最为广泛的就是荧光原位杂交技术(FISH),该技术是指通过荧光标记的寡核昔酸探针特异性和互补核酸序列在完整的细胞内结合,用显微镜和流式细胞术等荧光检测技术进行观察和分析变性梯度凝胶电泳(IX奋GE)技术不仅可以对可培养的微生物进行分析,还可以对不可培养的微生物进行研究,能真实反映系统中微生物种群的构成 和分布该技术将样品中不同微生物的165rDNA的V3区扩增产物在以二GE中分离,根据电泳条带的多寡和亮度辨别样品中微生物的种类多少和丰 参考文献ChungJ,浅ew,LeeYW,etal.Shorteutbiologicalnitrogen度,分析微生物的多样性;同时,对不同条带回收测序并与GenBank中的序列比对可以确定微生物种类 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