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硝化細菌:像我這樣優秀的菌 為何這么難培養?!

發布時間:2022-06-15來源:環保工程師

微生物的世界里面生活著一種細菌,天生嬌貴,禁不起雨,經不起浪。它就是污師們又愛又恨的硝化細菌。生物脫氮的驍將,微生物界的貴族!像這樣優秀的菌,為何這么難培養?看完下面這些控制條件你就知道了!

一、硝化系統的培養

硝化菌的培養相對于異養菌來講比較難,硝化菌的培養過程同時也是污泥的馴化過程。硝化細菌的培養應遵循循序漸進、有的放矢、精心控制的的原則,出水穩定后并逐步增加原水的進水量。

每次增加的進水量為設計進水量的5—10%,每增加一次應穩定2-3個周期或2天左右,發現系統內或出水指標上升應繼續維持本次進水量,直至出水指標穩定,如出水指標一直上升,應暫停進水,待指標恢復正常后,進水量應稍微減少,或略大于上周期進水量。以此類推,最終達到系統設計符合。

根據影響硝化菌生長的因素來確定硝化菌培養時應控制的指標:

1、溫度

在生物硝化系統中,硝化細菌對溫度的變化非常敏感,在5~35℃的范圍內,硝化菌能進行正常的生理代謝活動。當廢水溫度低于15℃時,硝化速率會明顯下降,當溫度低于10℃時已啟動的硝化系統可以勉強維持,硝化速率只有30℃時的硝化硝化速率的25%。盡管溫度的升高,生物活性增大,硝化速率也升高,但溫度過高將使硝化菌大量死亡,實際運行中要求硝化反應溫度低于38℃。

例如高氨廢水工程的調試應盡量選擇氣溫15度以上的季節,如果必須在冬季啟動,應盡量選用高氨污水廠的菌種,或有保溫、加溫措施的系統。

2、pH值

硝化菌對pH值變化非常敏感,最佳pH值是8.0~8.4,在這一最佳pH值條件下,硝化速度,硝化菌最大的硝化速度可達最大值。在硝化菌培養時,如果進水pH值較高,能夠達到8.0左右最好,如果達不到也不應刻意追求,只要系統內pH值不低于6.5即可,如低于此值,應及時補充堿度,如NaOH、Na2CO3等。

3、溶解氧

氧是硝化反應過程中的電子受體,反應器內溶解氧高低,必會影響硝化反應的進程。在活性污泥法系統中,大多數學者認為溶解氧應該控制在1.5~2.0mg/L內,低于0.5mg/L時硝化反應趨于停止。當前,有許多學者認為在低DO(1.5mg/L)下可出現SND(同步硝化反硝化)現象。在DO>2.0mg/L,溶解氧濃度對硝化過程影響可不予考慮。但DO濃度不宜太高,因為溶解氧過高能夠導致有機物分解過快,從而使微生物缺乏營養,活性污泥易于老化,結構松散。此外溶解氧過高,能量消耗過大,在經濟方面也不合適。

4、生物固體平均停留時間(污泥齡)

為了使硝化菌群能夠在連續流反應器系統存活,微生物在反應器內的停留時間(θc)N必須大于自養型硝化菌最小的世代時間(θc)minN,否則硝化菌的流失率將大于凈增率,將使硝化菌從系統中流失殆盡。一般對(θc)N的取值,至少應為硝化菌最小世代時間的2倍以上,即安全系數應大于2。

5、重金屬及有毒物質

有毒物質除了重金屬外,對硝化反應產生抑制作用的物質還有:高濃度氨氮、高濃度硝酸鹽有機物及絡合陽離子等。

6、COD/BOD

如果系統內cod/BOD較高,系統內的異養菌就會與硝化菌爭奪溶解氧,由于異養菌的數量遠遠大于硝化菌,硝化菌常常在系統內COD/BOD較高的情況下得不到一定的溶解氧,而無法生長增殖。一般系統內BOD(筆者個人傾向于COD)高于20mg/l,就會對硝化菌產生抑制。如果進水COD/BOD 過高或碳氮比較高,硝化菌的培養就必須通過延時曝氣來實現,即系統內COD/BOD 已經合格或處于較低水平時,繼續曝氣,給予硝化菌足夠的生長時間,曝氣時,同樣要控制好溶解氧,盡量低于3mg/L,防止污泥加速老化。

7、氨氮濃度

在系統氨氮濃度200mg/L時硝化菌就會被抑制,因此建議系統內氨氮濃度不高于150mg/L,在高氨污水處理中,由于進水氨氮濃度高,如果不注意,幾個周期下來氨氮濃度就會升高到一定程度,常常在A池高于200mg/L,因此在硝化菌培養過程中以及正常運行時,應始終維持系統出水氨氮濃度在工藝要求指標以內,保證從調試開始,系統即出合格水。結合以上幾種因素,在培養硝化菌時,應盡量創造其生長的有利條件,制定出最佳方案。

二、硝化系統的管理

污水中氨氮的去除主要是在傳統活性污泥法工藝基礎上采用硝化工藝,只有控制好運行參數才能管理好硝化系統,保證出水氨氮達標!運行參數如下:

1、污泥負荷與污泥齡

生物硝化屬低負荷工藝,F/M一般在0.05~0.15kgBOD/kgMLVSS·d。負荷越低,硝化進行得越充分,NH3-N向NO3--N轉化的效率就越高。與低負荷相對應,生物硝化系統的SRT一般較長,因為硝化細菌世代周期較長,若生物系統的污泥停留時間過短,即SRT過短,污泥濃度較低時,硝化細菌就培養不起來,也就得不到硝化效果。SRT控制在多少,取決于溫度等因素。對于以脫氮為主要目的生物系統,通常SRT可取11~23d。

2、回流比

生物硝化系統的回流比一般較傳統活性污泥工藝大,主要是因為生物硝化系統的活性污泥混合液中已含有大量的硝酸鹽,若回流比太小,活性污泥在二沉池的停留時間就較長,容易產生反硝化,導致污泥上浮。通常回流比控制在50~100%。

3、水力停留時間

生物硝化曝氣池的水力停留時間也較活性污泥工藝長,至少應在8h以上。這主要是因為硝化速率較有機污染物的去除率低得多,因而需要更長的反應時間。

4、BOD5/TKN

TKN系指水中有機氮與氨氮之和,入流污水中BOD5/TKN是影響硝化效果的一個重要因素。BOD5/TKN越大,活性污泥中硝化細菌所占的比例越小,硝化速率就越小,在同樣運行條件下硝化效率就越低;反之,BOD5/TKN越小,硝化效率越高。很多城市污水處理廠的運行實踐發現,BOD5/TKN值最佳范圍為2~3左右。

5、硝化速率

生物硝化系統一個專門的工藝參數是硝化速率,系指單位重量的活性污泥每天轉化的氨氮量。硝化速率的大小取決于活性污泥中硝化細菌所占的比例,溫度等很多因素,典型值為0.02gNH3-N/gMLVSS×d。

6、溶解氧

硝化細菌為專性好氧菌,無氧時即停止生命活動,且硝化細菌的攝氧速率較分解有機物的細菌低得多,如果不保持充足的氧量,硝化細菌將“爭奪”不到所需要的氧。因此,需保持生物池好氧區的溶解氧在2mg/L以上,特殊情況下溶解氧含量還需提高。

7、溫度

硝化細菌對溫度的變化也很敏感,當污水溫度低于15℃時,硝化速率會明顯下降,當污水溫度低于5℃時,其生理活動會完全停止。因此,冬季時污水處理廠特別是北方地區的污水處理廠出水氨氮超標的現象較為明顯。

8、pH

硝化細菌對pH反應很敏感,在pH為8~9的范圍內,其生物活性最強,當pH<6.0或>9.6時,硝化菌的生物活性將受到抑制并趨于停止。因此,應盡量控制生物硝化系統的混合液pH大于7.0。

三、有毒/抑制物質

1、無機氮類化合物

1)主要是游離氨(FA):游離氨的抑制作用對2類硝化細菌是不同的,對亞硝酸菌,F A的抑制質量度范圍是10一150 mg / L ,而對硝酸菌, 這個范圍僅僅為0.1一1.0 mg / L。

2)游離態的亞硝酸:在水中亞硝酸根以游離態和離子態兩種形式存在。游離態的亞硝酸是硝化細菌的主要基質,同時也是亞硝酸鹽氧化菌的抑制劑。游離態的亞硝酸對氨氧化細菌、亞硝酸鹽氧化菌的生長、繁殖均具有一定的毒性,游離態的亞硝酸對亞硝酸細菌的抑制濃度為0.06 mgN/ L,對硝酸細菌也有抑制作用,抑制濃度為2.8mgN/ L。相對于亞硝化細菌,硝化細菌有更強的適應性。

2、消毒劑

1)氯酸鹽:開始抑制濃度(以氯酸鉀為例)約為0. 001一0. 01mmol/ L (約為0.1225-1.225mg/L);完全抑制濃度以ClO3-濃度計為1一10mmo l/ L 時, 硝化菌被完全抑制。

2)亞氯酸鹽:亞氯酸鹽濃度為 3 mmol/ L 時 , 硝酸菌能完全被抑制。

3、(重)金屬類

當水中受到Cr、Cd、Cu、Zn、Pb、Ag、AS等重金屬污染過高時,硝化作用會受到抑制,其原因可能是重金屬對硝化過程中的酶活性產生影響,從而影響硝化細菌的轉錄等正常的生理過程,導致硝化菌硝化效率下降甚至死亡。

有學者Hg 主要表現為抑制生物大分子如蛋白質和核酸的合成, 致突變效應, 停止細胞分裂, 抑制生物氧化及運動性。Pb可造成細胞膜損傷, 破壞營養物質的運輸。Cd 致突變效應, 導致DNA 鏈斷裂。高濃度Mn干擾細胞對 Mg(Ⅱ)的運輸。銅離子螯合巰基,干擾細胞蛋白質或酶的結合;六價鉻通過細胞膜的硫酸鹽通道進入細胞,細胞質內六價鉻還原成三價鉻時產生的氧化應激,造成蛋白質和 DNA 損傷。部分重金屬對硝化的抑制作用效果大致如下:EC50:半數效應濃度,引起受試對象50%個體產生一種特定效應的藥物劑量。

IC50:半數抑制濃度,一種藥物能將細胞生長、病毒復制等抑制50%所需的濃度。

4、苯酚

苯酚對硝化有抑制作用 , 該抑制屬非競爭性抑制, 是可逆的。苯酚2,4-二氯酚共存時產生疊加抑制效應。多位學者研究均表明,苯酚對硝化反應的半數抑制率,即IC50約為20mg/L。

5、硝化抑制劑

在農業上,通常會在氮肥中施加硝化抑制劑,以抑制肥料中的氮元素硝化損失肥效,這些硝化抑制劑對硝化過程均有明顯的抑制作用,主要有:ATC(4-氨基-1,2,4-三唑)、疊氮化鉀、2-氯-6-(三氯甲基)吡啶、2-氨基-4-氯-9-甲基吡啶、磺胺噻唑、雙氰胺、硫脲-N-2,5-二氯苯丁二酰胺、4-氨基-1,2,3-三唑鹽酸鹽、脒基硫脲等。

這些物質一般屬于含硫化合物、N雜環化合物、雙氰胺類化合物。這些物質由于其本身特殊的化學結構,在硝化過程中影響氨單加氧酶(AMO)的氧化過程,從而會對硝化過程產生影響。在農業上一般使用這些硝化抑制劑時,投加量約為總氮量的0.1%—1%,就可以對硝化過程產生明顯的抑制作用。

6、抑制/有毒物質最高濃度

四、異常問題的分析與排除

現象一:硝化系統混合液的pH降低,硝化效率下降,出水NH3-N濃度升高。

其原因及解決對策如下:

① 堿度不足。檢查二沉池出水中的堿度,如果小于20mg/L,則可判定系堿度不足所致,應進行堿度核算,確定投堿量。

② 入流污水中的酸性廢水排放。檢查入流污水的 pH,如果太低,可說明有酸性廢水排入,可采取石灰中和處理等臨時措施,并同時加強上游污染源管理。

現象二:混合液pH值正常,但硝化效率下降,出水NH3-N濃度升高。

其原因及解決對策如下:

① 供氧不足。檢查混合液的DO值是否小于2mg/L,如果DO太低,可增加曝氣量。

② 溫度太低。檢查入流污水或混合液的溫度是否明顯降低,影響了硝化效果。解決對策可以有增加投運曝氣池數量或提高混合液濃度ML VSS。

③ 入流TKN負荷太高。檢查入流污水中的TKN濃度是否升高。如果升高,則應增加投運曝氣池數量或者提高曝氣池的MLVSS,并同時增大曝氣量。

④ 硝化菌數量不足。首先檢查是否排泥過量,如果排泥量太大,則減少排泥量;其次檢查是否由于某種原因導致二沉池飄泥,造成污泥流失,并采取控制對策。如果非以上兩個原因,則檢查是否入流污水的BOD5/TKN太大,使MLVSS中硝化菌比例降低。可以增大初沉池停留時間,降低BOD5/TKN值。

現象三:活性污泥沉降速度太慢。

其原因及解決對策如下:

① 污泥中毒。檢查活性污泥的耗氧速率SOUR及硝化速率NR是否降低。如果降低了太多,則確認污泥中毒 ,應尋找污水中毒物來源,強化上游污染源管理。

② 污泥膨脹。

現象四:二沉出水混濁并攜帶針狀絮體。

其原因及解決對策如下:

① 二沉出水混濁系由于活性污泥中硝化細菌比例太高所致,可適當提高BOD5/TKN值,但以不影響硝化效果為宜。

② 由于生物硝化系低負荷或超低負荷工藝,活性污泥沉降速度太快,不能有效地捕集一些游離細小絮體,因此出水中攜帶針絮是不可避免的。控制針絮的有效措施是增大排泥,降低SRT,但這勢必影響硝化效果,使出水NH3-N超標。實際運行中,應首先權衡解決針絮問題重要還是保持高效硝化重要,再采取運行控制措施。

6)分析測量與記錄

除傳統活性污泥工藝的檢測項目以外,生物硝化系統還應增加以下項目:

① TKN:包括進水和出水的TKN值。應做混合樣,每天至少1次。

② NO-3-N:主要測二沉池出水的NO-3-N,應做混合樣,每天至少1次。

③pH:每天數次測定混合液出流pH,并根據工藝控制需要隨時檢測。

④堿度:包括入流污水的總堿度和二沉出水的總堿度,做混合樣,每天至少1次。

⑤NR:定期測混合液的硝化速率NR。每周1次,或根據工藝調控需要,隨時測量。

 

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