土木在线论坛 \ 环保工程 \ 污泥处理 \ 研究回顾-利用游离亚硝酸改善城市污水系统

研究回顾-利用游离亚硝酸改善城市污水系统

发布于:2020-08-06 15:18:06 来自:环保工程/污泥处理 [复制转发]

研究简介

游离亚硝酸(Free Nitrous Acid, FNA)是亚硝酸的质子化形式,常见于污水系统中。由于它对多种微生物的抑制作用,它过去一直被认为是废水系统中“多余”的成分。近十五年来,昆士兰大学水处理中心Zhiguo Yuan团队针对FNA的抑制机理及应用进行了大量研究。随着研究的深入,一系列基于FNA的应用得到了进一步的发展。这些研究及应用成果能够显著地改善城市污水系统。在下水道系统,FNA可以用来控制下水道的腐蚀和异味。在废水处理中,FNA被用来实现低碳和节能的高效脱氮;在污泥管理中,FNA被用于增强污泥减量和能量回收;在膜系统中FNA可以用来解决膜污染;以及在废水藻类系统中,FNA可以提高藻类的能量回收。基于FNA的技术在提高城市污水管理系统方面已经展现出了巨大潜力。但是,更广泛的应用仍需要更大规模的研究。



背景简介

废水管理,包括废水的收集,运输,处理和相关的污泥管理,是维持现代社会正常运行的要素之一。为了应对废水管理中的诸多挑战,学界进行了广泛的研究。近年来,亚硝酸盐的质子化形式游离亚硝酸(FNA)在解决这些挑战方面显示出了巨大潜力。


在之前对于废水管理的认识中,FNA被普遍认为是不利的抑制剂。作为硝化和反硝化的中间产物,亚硝酸盐经常在生物废水处理过程中积累。在硝化过程中,许多环境条件都可能导致亚硝酸盐积累, 例如,低溶解氧(DO),较短的污泥保留时间(SRT)以及高温。在反硝化过程中,容易生物降解的有机碳(例如,挥发性脂肪酸),高C / N比和高pH值的存在也可能会导致亚硝酸盐的积累。FNA在废水管理中会抑制多种微生物,包括除氮细菌(硝化,反硝化和厌氧氨菌),除磷细菌和产甲烷菌,因此使污水处理厂的性能恶化。

近年来,随着学界对 FNA的抑制作用和生物毒性的更深入了解, FNA的存在已不是城市污水系统的问题。正相反,在某些条件下FNA甚至可以有益地用于改善废水管理。FNA的有效利用已引起了学界及业界的广泛关注,包括利用其减少下水道的臭味和腐蚀,提高废水处理中的氮去除,帮助减少污泥,在膜的系统中的结垢控制以及改善藻类利用。本文旨在回顾FNA在废水管理中的使用现状,并为基于FNA技术的持续发展提供建议。


游离亚硝酸的化学性质

游离亚硝酸(Free nitrous acid,FNA) 是亚硝酸盐的质子化形式,是一种一元弱酸(pKa= 3.16 ,25℃ ) 。FNA 可以在酸性水溶液中可以分解形成二氧化氮(NO2 ),硝氮阳离子(NO+),三氧化二氮(N2O3)和一氧化氮自由基(NO·)。在氧气存在的条件下,FNA的分解产物与其他有机物可能生成多种活性氮中间体(RNIs),如过氧亚硝酸盐(ONOO - ),NO衍生的金属亚硝酰基配合物,和S- 亚硝基硫醇(RSNO)。它们对细菌细胞具有生物毒性。

FNA的抑菌和杀菌作用已经在大量实验中得到了证明。FNA可用作抑菌剂或杀菌剂,以控制对废水管理很重要的功能微生物的生长和活性。ppm水平的FNA对废水微生物具有很强的生物毒性。在一项污水管道的研究中,向管道中同时添加亚硝酸盐和酸,研究人员们立即观察到了硫化物和甲烷生成量显着降低,并且其活性恢复缓慢。这些变化都显示硫酸盐还原细菌(SRB)和产甲烷菌经历了失活和再生长的过程,这显示了FNA的生物毒性。在FNA水平为0.2-0.3 mgN / L的条件下处理6-24小时后,微生物的存活分数从之前的约80%显着下降至5-15%。


游离亚硝酸在污水管道中的应用

厌氧条件下,下水道中的硫酸盐还原细菌(SRB)会产生硫化氢(H2S)。硫化氢有强烈的臭味,还会对人体产生健康危害。在好氧条件下,硫氧化微生物(SOM)会将H2S氧化为硫酸(H2SO4)。硫酸能与混凝土发生反应,导致腐蚀。腐蚀会缩短管道使用寿命,增加提高下水道维护的费用,这对城市水管理的基础设施管理是一项重大挑战。


FNA对下水道生物膜具有很强的杀菌作用,这意味着同时添加亚硝酸盐和酸可实现下水道生物膜中微生物的快速灭活,从而通过短而间歇的剂量调节实现对硫化物和甲烷的控制。经过实验室规模的成功实验后,昆士兰大学水中心团队在澳大利亚黄金海岸主排水管中评估了FNA加药控制硫化物生产的长期有效性。除了确认FNA对控制下水道中的硫化氢产生的有效性外,在长达6个月的试验过程中未观察到生物膜适应性和对FNA的抵抗力。此外,下水道中用于控制硫化氢的总成本为为0.01–0.03$/m3。比目前的常规策略相比,FNA的成本要低得多。在美国和澳大利亚进行的其他实地应用评估也证实,间歇性添加FNA是控制下水道中硫化物和甲烷的一种经济有效且环保的策略。


在硫化氢形成后,硫氧化细菌(SOM)的氧化过程在混凝土下水道的腐蚀中起着关键作用。团队发现,通过在混凝土的酸性腐蚀表面上喷涂亚硝酸盐而形成的FNA可以用作杀菌剂,以抑制嗜酸性SOM的代谢。在腐蚀的混凝土表面喷洒亚硝酸盐后,腐蚀的混凝土的H2S吸收率降低了84%-92%,在亚硝酸盐喷洒后的12个月内未检测到明显的吸收率恢复。与传统方法相比,FNA喷涂具有更高的成本效益和环境友好性。亚硝酸盐价格便宜,在减轻下水道腐蚀的同时,残留的亚硝酸盐可在废水中被生物自然降解。除了缓解并修复现有下水道中的腐蚀外,在最近的一项研究中,通过将亚硝酸钙掺入混凝土中,FNA在抑制混凝土表面嗜酸性SOM的生长和活性方面取得了长期的效果。在实际下水道系统中暴露18个月后,与不含亚硝酸盐掺合料的混凝土相比,使用亚硝酸盐掺合的混凝土可减少约30%的硫化物吸收率。


游离亚硝酸在污水处理系统中的应用

a.      实现主流短程硝化

短程硝化反硝化 NH 4 + →NO 2 - →N 2 或短程硝化 NH 4 + →NO 2 - 厌氧氨氧化 NH 4 + + NO 2 - →N 2 (PN/A)工艺是两种创新的高效污水脱氮技术。相对传统的硝化反硝化工艺,短程硝化工艺可以节省化学需氧量,降低氧气需求和减少多余的污泥产生。而实现主流短程硝化的关键就在于抑制污水处理系统中的亚硝酸盐氧化菌(Nitrite Oxidizing Bacteria, NOB)


主流废水中的氨浓度低(30-70 mg NH4+-N/L),使得主流废水处理中的FNA含量不足以清除NOB。对此,团队首先提出了FNA污泥处理方法,通过使用厌氧消化液产生的FNA,通过侧流处理活性污泥来选择性地抑制污水中的NOB。这种方法提出每天将一部分主流活性污泥(20-30%)转移到侧流处理单元中,通过暴露在高水平FNA中使活性污泥中的NOB失活。在长期实验过程中,FNA污泥处理方法在不同条件和不同反应器配置下进行了测试,都实现了稳定的主流NOB抑制,以及成功的稳定主流短程消化。


b.      加强污泥减量和资源回收

污水处理厂中的活性污泥工艺会产生大量的污泥,即剩余活性污泥(WAS),剩余活性污泥包含细菌,EPS,难降解的有机物和无机物等。出于对健康的考虑并为了减少污泥处置成本,大多数污水处理厂都采用了污泥稳定化处置。在所有污泥稳定技术中,厌氧消化(AD)和好氧消化(AeD)是最常用的两种技术。WAS的生物降解性相对较低,这会抑制AD或AeD的性能;因此,领域内已经开发了许多预处理技术来增强WAS的生物降解性。


团队在短期实验中发现FNA预处理剩余污泥后,剩余污泥的溶解度和可生物降解率得到了提高。在随后的长期反应器运行中,FNA预处理增强AD中污泥降解和甲烷生成的能力得到了验证。团队发现FNA预处理提高了厌氧消化反应器中的可挥发分降解,甲烷产量亦相应地增加了。由于FNA能够分解EPS和细胞膜,这给AD过程带来了更多好处。长期研究显示,剩余污泥不仅含水率得到了降低,病原体也大大的减少了。


此外,由于FNA预处理可以加快消化过程中WAS的水解速度,团队在不同的HRT条件下运行了两个平行的厌氧反应器。结果表明,通过FNA预处理,可以将AD的HRT降低至7.5天。即使与具有较高HRT的对照AD反应器(15天)相比,采用FNA预处理的实验性AD在短得多的HRT(12天和7.5天)下也可以实现更高的VS减量和比甲烷产量(超过30%)。这有望大幅度提高AD容量。


FNA预处理对AD运行提升的有效性最近在中试规模上得到了更进一步地证明。两台中试AD反应器在实际污水处理厂连续运行了一年,结果再次证明了FNA预处理对厌氧消化的甲烷产量(37±1%)和VS减量(47±1%)的增强作用。同样重要的是,该试验研究首次表明,FNA预处理会使WAS的粘度显着降低58±7%(无限剪切速率)。消化后污泥的粘度降低了76±4%(无限剪切速率)。粘度的降低可以使消化池在较高的固体浓度下运行,从而进一步提高厌氧消化池的处理能力。


FNA除了预处理以外,团队最近还提出了一种新方法实现了FNA的污泥原位处理,用以提高好氧污泥消化性能。这是通过将亚硝酸盐添加到低pH条件运行的好氧消化反应器实现的。该需氧消化器在固有的低pH(<5.5)下运行,亚硝酸盐添加形成较高水平的FNA。积累的亚硝酸盐以及低pH值将维持消化池中FNA的存在,这将继续抑制NOB,持续保证亚硝酸盐和FNA的存在。与对照组相比,FNA的累积使好氧消化污泥减量提高了35.0-38.4%,氮去除提高了58.5-70.8%,病原体减少了约90%。与其他污泥预处理技术相比,该技术使得FNA的产生和处理可以在好氧消化反应器中原位进行,以提高AeD性能。由于亚硝酸盐的生产是自给自足的,因此不会产生额外的持续成本。该应用可以减少污泥的产生,去除氮,提高病原体的去除和最终污泥的稳定性,使污水处理厂受益匪浅。


c.      污水处理系统中生产FNA

由于亚硝酸盐可以在污水处理厂中直接产生,基于FNA的应用是符合可持续发展的。污泥厌氧消化液通常含有高浓度的氨氮(0.8-1.2gNH4+-N/L)。通常受可用碱度限制,AD液中约50%的氨氮可被氧化。通过使用在线pH控制器,硝化过程中90%以上的氨氮可以转化为亚硝酸盐(转化为FNA需要再添加少量酸)。此外,FNA也可以类似地由从其他高浓度废水中产生,例如尿液和垃圾渗滤液等。


d.      污水厂应用FNA的案例

由于FNA可以从废水中产生,FNA在废水处理中的应用,对污水处理厂来说是切实可行的,并且是能带来可观经济效益的。如下图所示,对于不同规模以及配置的污水处理厂,可以灵活地应用FNA以达到最佳效果。



FNA在膜系统中的应用

近年来,膜系统在污水或净水处理中已经得到了广泛且成熟的应用。然而膜污染问题一直困扰着膜系统的运行和发展。研究团队发现FNA是一种有吸引力的解决膜污染的方案。这是由于:i)FNA有杀菌能力;ii)FNA显酸性;iii)FNA能分解EPS。

团队一项针对反渗透(RO)膜的研究发现,FNA对这些受到了生物结垢和结垢的影响的RO膜有着良好的清洁效果。该测试在亚硝酸盐浓度为50mgN/L的各种pH值(pH 2 – 6)下进行。将该性能与其他清洁剂(即NaOH,HCl和柠檬酸)进行了比较。FNA清洁(pH = 3,亚硝酸盐50mgN/L)比NaOH(pH 11.0)更有效地去除有机污垢。暴露24小时后,FNA清洁导致高生物量失活(92–95%)和多糖去除(68–90%)。在除垢方面,FNA清洁与常用的除垢剂(HCl和柠檬酸)一样有效。FNA清洗(50 mgN/L,pH值为2.0和3.0)可溶解≥30g/m2的钙,清洗后在膜表面残留1%的钙。更重要的是,FNA可通过一步清洁,同时实现去除普通和生物污垢。


FNA在微藻系统中的应用

常规废水处理通常在二级处理中完成,二级处理中的废水相对清澈,可以满足排放标准。但是,次级废水通常仍含有不可忽略的无机氮和磷,长期仍可能引起富营养化。自1950年代以来,就一直有研究人员尝试将藻类技术应用于废水处理。这种技术利用光合微生物来去除无机氮和磷,以及减轻二氧化碳温室气体。由于藻类在生物质内部能积聚脂质小滴,它们可以被用来生产生物柴油。


为了使得藻类污水处理技术在经济上可行,研究人员就必须得从藻类生物质中回收能源和其他产品。研究人员和工业界对预处理进行了广泛研究,以促进藻类的增值。团队发现FNA预处理也可以作为一种新颖的藻类预处理方法,以增强产品(通过萃取增加粗油脂和甘油三酰甘油)及能量(通过厌氧消化产生沼气)回收。与未经处理的生物质相比,经FNA处理(2.19 mg HNO2-N / L)的藻类的脂质产量高2.4倍,而经FNA处理(2.31 mg HNO2-N /L)的甲烷产量增加51%。


总结

在过去的十年中,我们对FNA对微生物的抑制和生物毒性的机理理解有了很大程度的进步。这些进步促成了一系列基于FNA的应用的研究和发展。这些基于FNA的应用可以显著地提高废水管理。在下水道系统中,FNA已成功用作控制下水道腐蚀和气味的一种经济有效的解决方案。在废水处理系统中,可以在许多方面应用原位生产的FNA来增强系统。FNA污泥处理选择性地去除NOB,以实现碳和能源高效的脱氮。WAS的FNA预处理可以显着改善AD中的污泥减少和能量回收。在AeD中,可以就地实现持续的FNA积累,以增加污泥的减少和氮的去除。此外,在基于膜的系统中,FNA被认为是一种有前途的绿色试剂,可同时解决膜的结垢和有机污垢问题。FNA还可以在藻类系统中促进废水藻类的收集。


尽管近年来已经取得了重大进展,但需要认识到基于FNA的应用程序的某些局限性。我们仍然缺乏对FNA与有机和无机化合物进行化学反应的基本理解,这限制了我们将FNA应用扩展到更多领域。同样,基于FNA的技术可能会影响废水处理中生物除磷的能力,但是迄今为止尚未进行研究。虽然可以从废水中产生亚硝酸盐,但通常需要添加酸,这可能会导致额外的运营成本并影响碱度平衡。还应注意的是,部分基于FNA的技术仍是在实验室环境中进行的,还应进行大规模研究以充分验证这些技术的可行性。


原文链接

Duan, H.; Gao, S.; Li, X.;Ab Hamid, N. H.; Jiang, G.; Zheng, M.; Bai, X.; Bond, P. L.; Lu, X.; Chislett,M. M.; Hu, S.; Ye, L.; Yuan, Z., Improving wastewater management using freenitrous acid (FNA). Water Research 2020, 171, 115382.

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S004313541931156X


本期编辑:

段浩然,昆士兰大学博士后研究员,该研究论文第一作者。

校对:李佳颖,昆士兰大学博士研究生


原创声明

UQ水中心微信公众号已开通原创保护功能,其他公众号转载不得修改其中任何文字,图片和排版,未经授权不得擅自摘抄复制微信内容。

  • yj蓝天
    yj蓝天 沙发

    在废水处理系统中,可以在许多方面应用原位生产的FNA来增强系统。FNA污泥处理选择性地去除NOB,以实现碳和能源高效的脱氮。

    2022-01-17 07:40:17

    回复 举报
    赞同0

污泥处理

返回版块

2.66 万条内容 · 283 人订阅

猜你喜欢

阅读下一篇

案例分享 | 同臣环保全国行:三门峡污水处理厂

三门峡,位于豫晋陕三省交界,黄河南金三角地区。相传大禹治水,挥神斧将高山劈成“人门”“神门”“鬼门”三道峡谷,引黄河之水滔滔东去,三门峡由此得名。因古时崤山与函谷关并称“崤函”之塞,三门峡又称“崤函”。小编这次的目的地便是位于河南省三门峡市最大的污水处理厂——三门峡污水处理厂。在来之前,小编早就听同事们提到过:三门峡污水处理厂项目是近年来三门峡市最大的污泥干化项目。三门峡污水处理厂的处理规模可达12万吨/天,因此每日所产出的的污泥量也十分巨大。而且由于近年来环保政策的不断提标,三门峡污水厂对污泥的含水率要求也极高,要求将污泥含水率从99.5%降至50%。如今项目已经完成近两年,运行效果如何呢?

回帖成功

经验值 +10