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苏州科技大学陈重军:厌氧氨氧化颗粒污泥的研究进展

发布于:2021-01-05 10:33:05 来自:给排水工程/中水处理回用 [复制转发]

专栏寄语 水是与人类活动关系最为密切的环境要素,水环境前沿科学研究也始终处于高度活跃的状态。科学研究没有终点,而发表、出版是研究社区、学术生态不可或缺的重要一环。作为专业水行业期刊,我们始终致力于期刊特色发展,希望为塑造生机勃勃的学术生态环境做出应有的贡献。《中国给水排水》杂志与中信环境联合推出“ Top Water Research ”微信专栏,旨在传递国内外水环境研究 Top 文献情报,进一步推动学术交流合作。欢迎国内外的优秀研究团队踊跃参与,分享你们的前沿研究成果。本专栏将持续播出,敬请关注!


推荐理由: 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 A nammox granular sludge: A review ”为题,发表在 Critical Reviews in Environmental Science and Technology SCI IF= 8.302 1 Top D OI : 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) NO 2 - - N为电子受体,氧化 NH 4 + - N N 2 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


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 ) NO 2 - - N 为电子受体,氧化 NH 4 + - N N 2 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。


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

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, 1.75~4.00 mm 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 2.20 mm 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


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

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 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。

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 100 d ,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

1   厌氧氨氧化颗粒污泥在不同反应器中的应用


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。


策划组稿:刘俊

编辑:衣春敏

制作:文   凯

审核:李德强

  • yj蓝天
    yj蓝天 沙发

    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。

    2022-02-06 09:28:06

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