有机废水生物脱硫脱氮技术

摘要：综述了有机废水分置式生物脱硫和生物脱氮的基本原理及常见工艺，在此基础上，介绍了2种新型同步脱硫脱氮技术——基于硫化物型反硝化（以硫化物为电子供体的反硝化）和硫酸盐型厌氧氨氧化（以硫酸盐为电子受体的厌氧氨氧化）的同步脱硫脱氮法，分别从反应机理、控制条件和功能微生物等方面对其进行了阐述。新型同步脱硫脱氮技术的开发将有助于富含硫酸盐和氨氮有机废水的高效、节能处理和实现资源回收。关键词：有机废水；同步脱硫脱氮；硫化物型反硝化；硫酸盐型厌氧氨氧化制革、医药化工、食品发酵等行业在生产加工过程中会产生大量富含硫酸盐、硫化物和氨氮的有机废水。以味精生产过程中产生的离交尾液为例，其COD高达30~70g/L，氨氮高达5~7g/L，硫酸盐高达8~9g/L。全国每年排放此类废水1500万t以上〔1〕，对环境的危害十分严重。对含有高浓度硫酸盐和氨氮的有机废水，目前国内外较为成熟的生物处理方法是将脱硫和脱氮分置进行〔2〕，这种做法无疑增加了投资和运行费用，近年来新型脱硫脱氮途径的发现为有机废水的高效同步脱硫脱氮提供了理论依据。1分置式生物脱硫和生物脱氮技术有机废水的生物脱硫一般包括硫酸盐还原和硫化物氧化2个阶段：首先在厌氧条件下依靠硫酸盐还原菌（SRB）的作用，将硫酸盐转化为硫化物；然后利用硫化物氧化菌（SOB）将硫化物氧化为单质硫，加以回收。在硫酸盐还原阶段，产生的H2S对微生物具有毒性抑制作用，常用吹脱等方法使其脱离液相，或控制pH，使反应液达到碱性条件，使硫化物以离子形态存在。当以产甲烷为主要目的时，为了避免SRB和H2S对产甲烷菌产生抑制，一般采用两相工艺将硫酸盐还原与产甲烷过程分开，以此改善运行效果〔3-4〕。在硫化物氧化生成硫的阶段，为了避免硫的过度氧化和实现单质硫积累，需要控制溶解氧等参数〔5-6〕。SOB主要包括丝状硫细菌、光合硫细菌和无色硫细菌，其中一些光合硫细菌和无色硫细菌可以将生成的硫排至胞外，更便于硫的分离和回收，因而成为生物脱硫的主要培养对象。J.P.Maree等通过在厌氧生物滤池中培养光合硫细菌来处理硫酸盐废水，实现了硫酸盐→硫化物→硫的转化，但这种工艺方法操作条件较为苛刻，工程应用意义不大。相比之下，两相厌氧法与无色硫细菌生物氧化联用的工艺，操作条件温和，投资和能耗较小，是较为理想的脱硫方法〔3〕。利用无色硫细菌生物氧化回收单质硫的工艺在荷兰农业大学已经通过了小试和中试。传统的有机废水生物脱氮技术包括氨氮氧化为亚硝氮/硝氮的好氧硝化过程和亚硝氮/硝氮还原为气态氮的缺氧反硝化过程，常见的工艺有A/O、A2/O、Bardenpho、短程硝化-反硝化等。最近发现一些微生物能同时进行氨氧化和硝酸盐/亚硝酸盐还原：如PlanctomycetalesAnammoxaceae和Nitrosomonas中的N.europaea、N.eutropha和N.halophila等菌种，能在厌氧条件下以硝酸盐/亚硝酸盐为电子受体氧化氨氮，产生氮气〔2，7〕；又如Alcaligenesfaecalis的某些菌株和Thiosphaerapantotropha，可在好氧条件下进行异养硝化和反硝化〔8〕。以厌氧氨氧化为基础的工艺有SHARON-ANAMMOX、CANON、OLAND等，已经在荷兰和日本实现了生产应用，对异养硝化和好氧反硝化的研究目前还处于探索阶段。传统的有机废水生物脱氮工艺往往利用缺氧-好氧交替变化的环境来达到硝化和反硝化脱氮的目的，这种环境并不利于专性厌氧SRB的富集；另一方面，由于缺氧阶段异养反硝化菌对SRB会产生抑制（包括有机底物的竞争性抑制〔9〕、反硝化中间产物NO2-、NO、N2O的抑制等〔10〕），某些SRB（如Desulfovibriodesulfuricans）还会产生代谢途径的转变，利用硝酸盐/亚硝酸盐取代硫酸盐进行代谢〔11〕。在这种情况下，脱氮和脱硫难以达成一致。2同步脱硫脱氮技术2.1利用硫化物型反硝化同步脱硫脱氮近年来利用反硝化同步去除硫化物和硝氮/亚硝氮的研究成为热点〔12-14〕。据报道，参与这一过程的微生物为无色硫细菌中的脱氮硫杆菌〔12-13〕和某些芽孢杆菌〔14〕，在厌氧条件下，这些细菌能以硫化物为电子供体，硝酸盐、亚硝酸盐为电子受体进行反硝化脱氮和硫化物氧化，获取能量。以硝酸盐为电子受体的硫化物型反硝化可用下式描述〔15〕：12H++2NO3-+5S2-→N2+5S+6H2O（1）5S+6NO3-+2H2O→5SO42-+4H++3N2（2）不难看出，要实现单质硫积累，应尽量避免反应式（2）的发生。这一点可以通过控制硫氮比和酸碱度等参数来实现。AijieWang等〔12〕的研究表明，反硝化脱硫脱氮的最佳硫氮比为5∶3，在此条件下，当进水硫化物质量浓度为200mg/L时，单质硫转化率可达90%，反