氮素对水环境具有不良影响。除了分子态氮 (N2) 以外, 几乎所有其它形态的氮素积累都会对人类和环境水体产生不良影响, 其主要的不良影响有如下几点: (1) 氨 (NH3) 会消耗水中的溶解氧, 还会毒害水生生物, 诱发富营养化; (2) 羟胺 (NH2OH) 对水生生物产生剧毒作用; (3) 硝酸 (盐) (NO3-) 会诱发富营养化问题; (4) 亚硝酸 (盐) (NO2-) 不仅消耗水中的溶解氧, 诱发富营养化问题, 还会对人体产生致癌作用; (5) 氧化氮 (NO) 和氧化二氮 (N2O) 会破坏臭氧层, 导致酸雨产生。
其中以以氨氮 (NH3-N) 、硝态氮 (盐) (NO3--N) 和亚硝态氮 (盐) (NO2--N) 对水体的危害最为严重, 主要表现为:
(1) 使湖泊、水库等水体发生富营养化现象; (2) 使给水处理工程的加氯量大大增加, 从而增加了处理成本; (3) 还原态氮 (NH4+-N、NH3) 会消耗水中的溶解氧, 使水体发臭; (4) 影响污水的再生利用。
随着氮素污染的日益加剧, 以及人们对环境质量要求的不断提高, 氮素工程治理已成为环保行业尤为重视的问题。
1 受能力传统生物脱氮技术
(1) 传统生物脱氮的原理传统生物脱氮的基本原理是首先将废水中的NH4+转化为NO2-, 然后再将NO2-进一步氧化为NO3-, 最终经过还原转化为N2的一个过程。因此, 在传统的废水生物脱氮工艺中, 废水中的N经历了从最低价的-3价到最高的+5价, 然后再逐渐回到0价的一个漫长和反应复杂的过程。
这个过程主要分为两个阶段, 第一个阶段为硝化过程, 是由两类自养型硝化细菌 (亚硝化细菌和硝化细菌) 完成的。第二个阶段是反硝化过程, 由另一类异养型反硝化细菌来完成, 它们将氧化态氮 (NO3--N或NO2--N) 还原为N2, 最终排放到大气中。反硝化过程需要利用有机物作为电子供体, 消耗一定的有机物。
硝化过程反应式如下:
反硝化过程反应式如下:
根据理论计算, 每氧化1mg NH4+-N为NO3--N, 需要消耗碱7.07mg (以Ca CO3计) 。因此, 如果污水中没有足够的碱度来维持, 硝化反应将导致废水的p H值下降, 最终导致反应速度变慢。另外, 完全氧化1mg NH4+-N为NO3--N, 需要氧气4.57mg。
反硝化过程转化1mg NO3--N为N2, 相当于提供2.86mg的O2;与此同时, 还产生3.57mg的碱度 (以Ca CO3计) 。但为达到充分脱氮, 需要有充足的有机碳作为电子供体, 当BOD5/Tk N>3~5:1时, 才可以达到彻底脱氮的目的。
(2) 传统生物脱氮工艺运行的影响因素传统生物脱氮工艺运行的影响因素主要有如下几点:
(1) p H值。p H值是影响废水生物脱氮系统正常运行的重要参数。在硝化阶段要消耗废水中的碱度而使p H值下降, 而在反硝化阶段会产生一定量的碱度使p H值有所上升;但是反硝化所产生的碱度比硝化阶段所消耗的碱度要少, 如果脱氮系统进水的碱度低, 一般需要另外补充碱度才能将硝化反硝化反应控制在最佳的p H值范围。
(2) 溶解氧 (DO) 。溶解氧含量的多寡将影响整个脱氮工艺的处理效率, 同时也会影响硝化与反硝化的类型。当废水中溶解氧含量低于0.5~0.7mg/L时, 会影响硝化菌的生物代谢, 氨氮转化为硝态和亚硝态氮的硝化反应将受抑制。在反硝化阶段, 溶解氧浓度过高时, 会对反硝化菌产生抑制作用, 使反硝化速率下降, 所以, 反硝化段的溶解氧浓度应控制在0.5mg/L以下为宜。
(3) 温度。生物硝化反应的温度范围在5~35℃之间, 但是硝化菌的最佳生长温度为30~35℃, 亚硝化菌最佳生长温度为30℃。当温度低于15℃时, 硝化速率急剧下降;低于5℃时, 硝化反应作用几乎停止。反硝化受温度的影响也很大, 反硝化最适合的温度为20~35℃, 当温度低于15℃时, 反硝化速率明显降低;在5℃以下时反硝化虽然也能进行, 但其速率极低。
(4) 碳氮比 (C/N) 。碳氮比 (C/N) 是控制脱氮效果的另外一个重要因素。目前含氮废水 (特别是低C/N废水) 生物脱氮处理所面临的最大问题是碳源不足。据理论计算, 将1mg NO3-N还原为N2需要有机碳 (以BOD5表示) 为2.86mg。当废水中碳氮比 (C/N) 大于3~5时, 利用传统脱氮技术不必外加碳源也要获得好的脱氮效果。
(5) 污泥龄 (θC) 。污泥龄的长短受污泥负荷控制, 污泥负荷是指单位质量的活性污泥中微生物群体的数量在单位时间内所去除的污染物的量。生物脱氮工艺中的污泥龄必须大于硝化菌最小的世代时间, 否则硝化菌的流失速度将大于其净增殖率, 从而使硝化菌从系统中流失。
(3) 传统生物脱氮技术在天然橡胶初加工废水处理中的局限性传统生物脱氮常用的工艺 (如A/O法、氧化沟、SBR法等) 在天然橡胶初加工废水脱氮方面可以起到了一定的作用, 但是仍然存在一些问题:
(1) 硝化菌群增殖速度慢且难以维持较高生物浓度, 因此造成系统总水力停留时间较长, 有机负荷较低, 增加了基建投资和运行费用; (2) 实际应用中, 传统生物脱氮系统的抗冲击能力较弱, 如果氨氮或者亚硝酸盐氮的浓度偏高, 将会抑制硝化菌的生长; (3) 反硝化过程需要消耗太多碳源, 如果废水中的碳源不足, 反硝化的速率将会降低; (4) 氨氮全程硝化, 需要消耗大量的氧气, 所需的动力费用较大; (5) 由于天然橡胶初加工废水曝气处理设施经常会出现进水氨氮高而BOD5较低的情况, 不能满足BOD5/Tk N>3的要求, 需要额外投加碳源, 增加了运行成本。
2 天然橡胶初加工生产废水生物脱氮处理新工艺
(1) 生物脱氮处理新工艺一直以来, 在高浓度含氮废水的工程实践中, 都一直认为要彻底实现废水生物脱氮就必须使NH4+-N经历典型的硝化和反硝化过程才能完全被除去。在传统的生物脱氮反应中, NO3--N的生成不仅延长了脱氮反应历程, 而且会造成碳源和外加能源的浪费。因此, 缩短和控制脱氮历程在很大程度上节约了废水处理的基建成本和运行成本, 具有重要的实际应用价值, 成为了很多实践工作者和理论研究者追求的目标。
从氮的微生物转化过程来看, NH4+-N被氧化成NO3--N是由两类独立的细菌催化完成的两个不同的反应, 对于反硝化菌, 无论是NO2--N还是NO3--N均可以作为最终受氢体。因而整个生物脱氮过程可以通过NH4+-N—NO2-N—N2的途径完成, 从而缩短了反应历程。因此, 人们就把经此途径进行脱氮的技术称为短程硝化反硝化生物脱氮技术。该技术最早应用于垃圾填埋场渗滤液、消化污泥脱水上清液的处理中, 近年来, 也逐渐地被应用到天然橡胶初加工的高浓度氨氮废水处理中。
(2) 短程硝化反硝化生物脱氮技术的可行性与经济分析 (1) 短程硝化反硝化工艺将硝化过程控制在NO2-阶段而中止, 随后进行反硝化。通过能影响微生物生命活动的因素将硝化控制停止在NO2-阶段是实现这一类型生物脱氮技术的关键。为了避免在反应过程中NO2-N进一步转化成NO3-N, 使反应尽可能停留在亚硝化阶段, 可以通过控制硝化菌和亚硝化菌的相对活性, 或通过调整曝气量这两个途径来实现, 具有可操作性。 (2) 由于亚硝酸菌世代周期比硝酸菌世代周期短, 所以泥龄也相应缩短。把反应控制在亚硝酸型阶段易提高微生物浓度和硝化反应速度, 缩短硝化反应的历程和反应时间, 从而可以减小反应器的容积, 节省了构筑物的建设费用。 (3) 从亚硝酸菌的生物氧化反应可以看到, 把反应控制在亚硝酸阶段, 节省了氧化NO2--N为NO3—N所需的氧气量, 大大降低了运行成本。 (4) 从反硝化的角度来看, 把NO2--N还原到N2比从NO3--N还原到N2需要的氢供体要少得多, 有机碳源的需求量也比硝酸型脱氮减少了40%左右, 所需C/N比值较传统工艺要小。 (5) 脱氮过程对废水C/N比的要求低, 在反硝化过程中最大限度地降低有机碳源CODcr消耗量, 可允许更多的CODcr在前置的厌氧反应器中转化为生物能源——甲烷, 具有较好的经济效益。
摘要：天然橡胶, 是指从橡胶树上采集的天然鲜胶乳, 天然橡胶根据不同的制胶方法可制成烟片、风干胶片、绉片、技术分级干胶和浓缩胶乳等。我国植胶区主要分布于海南、广东、广西、福建、云南等地区, 其中以海南和云南为主要植胶区。天然橡胶初加工过程中会产生并排放高浓度的有机废水, 其中浓缩胶乳废水中的CODcr高达800010000mg/L, 氨氮 (NH3-N) 高达6001000mg/L, 这种废水若不经有效处理就排入环境水体, 将会对环境造成极大的负面影响。因此, 如何高效、经济地处理天然橡胶初加工废水成为了植胶区一个至关重要的课题。
关键词：天然橡胶,生产废水,生物脱氮技术,新工艺