受污染水体原位生物强化脱氮除磷修复技术研究进展-论文.pdf

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12中国沼气ChinaBiogas2014。32(4)受污染水体原位生物强化脱氮除磷修复技术研究进展王志荣，徐京，郑昱。，朱亮，徐向阳(1．浙江省农业生态与能源办公室，浙江杭州310012；2．浙江大学环境与资源学院，浙江杭州310058；3．湖州市能源监察支队，浙江湖州313000)摘要：随着我国社会经济快速发展，地表水体污染日益严重。固定化生物膜技术已在流域水污染控制方面开拓了新的应用领域，但受污染水体高效稳定的原位生物修复技术仍然相对缺乏。文章综述了受污染水体原位生物强化脱氮除磷修复技术应用与研究进展，以期为地表水体原位生物修复技术研究提供有效借鉴。关键词：受污染水体；原位；生物强化；脱氮；除磷中图分类号：X52；$216．4文献标志码：A文章编号：1000—1166(2014)04—0012—06RenewOnEnhancementofBioremediattonofContaminatedWaters／nS／tu／WANGZhi-rong，XU，ZHENGyu3，ZHUua，XUXiang-yang2／(1．ZhejiangProvinceOf~ceofagroecologyandEnergy，Hang-zhou310012，China；2．CollegeofEnvironmentalandresourcesciences，ZheJiangUniversity，Hnnf~．hou310058，Chhla；3．HuzhouEnergySupervisingDivision，Huzhou313000，Chi舳)Abstract：Withtherapiddevdopmemofsocie~andeconomyinChina，surfacewaterpollutionbec．ome8increasinglyseri-OU8．Immobilizedbiofilmtechnique~haveopenedupanewapplicationrealmintheriverbasinwaterpollutioncontrol，however，therearetilllackofeficientbiologicalremedlationtechniques／ns／tuforpollutedsurfacewater8．Inthispaper，印plieationsandresearchprogressonbio—enhancednitrogenandphosphorusremovaltechniquesinsituwerereviewed，anditisexpectedtoprovideusefulinformationforfll_rtherstudies．Keywords：polutedsurfacewaters：in-situ；bio-enhancement；nitrogenremoval；phosphorusremo、raI随着我国城市化、工业化进程不断加快，境内七复逐渐成为国内外流域水污染控制研究的热点和难大水系、“三河三湖”、湖泊水库等水环境污染较为点，固定化生物膜技术开拓了新的应用领域。但常严重uJ。根据河道(流)、湖库不同水动力学特性，规微生物修复技术受水体水文水质波动、有机碳源污染水体修复主要采用污染物拦截控源、生物生态限制等因素影响，修复过程中功能微生物生物量易修复等相关技术措施。对于富营养化湖泊水体，大流失、生物活性低且不稳定。因此，受污染水体高效多采用化学或机械方法直接除藻、生物调控、营养盐稳定的生物脱氮除磷修复技术仍然相对缺乏。本文控制、水生高等植物修复以及物理生态工程技术综述了国内外受污染水体原位生物强化脱氮除磷修等【2一’；对于污染河道(流)主要采用人工湿地处理复技术应用与研究进展，主要包括菌剂投放、反硝化系统、近岸人工生态工程、生物一生态联合修复、固定床、固定化生物膜强化工艺等，以期为地表水体原位化微生物人工强化等水体修复技术【8-12]。生物修复工艺研究提供有效借鉴。众多研究表明，水体发生氮磷污染可引起富营1功能菌剂投加养化，大量藻类释放的藻毒素可诱发肝脏等器官纤维化，促发肿瘤形成，严重危害水生生态安全和人类菌剂投加技术通过直接向污染水体投加具有高健康¨引。固定化生物膜技术是人工模拟土壤自净效分解、转化、吸收污染物功能的高效工程菌株，从和河川自净作用，并加以全方位的技术强化而发展而达到强化微生物修复的效果。目前，常用投菌技起来的一种污水处理技术。随着受污染水体原位修术主要包括高效复合菌液投放、固定化微生物技术收稿日期：2013-07—15项目来源：国家支撑计划课题(2012BAJ25B07)作者简介：王志荣(1979一)，男，浙江诸暨人，高级工程师，主要从事农业生态、农村能源工作，E-mail：wante1979@126．com通信作者：徐向阳，E-mail：fdix79cn@hotmail．com 中国沼气ChinaBiogas2014，32(4)13等。商品化微生物制剂主要研发自美国、英国、加拿体修复治理中得到应用。近年来，国内诸多研究者大、日本等国，如Sybron公司的Bio—cheml008SF和在河流、湖库水体开展菌剂投加生物强化试验，具体1004TX等，并已在工业废水、生活污水、富营养化水水质净化效果见表1。表1菌剂投放工程实施效果采用菌液投放生物强化技术修复污染河流，一率主要与体系有机碳源浓度有关，而河流水体水文般在工程实施前期水质净化效果明显，但由于水体水质特征往往导致异养反硝化微生物难以生长与富流动性和菌剂投放不连续性，微生物菌种处理效果集。反硝化床是一种建立在水体中的内置固体碳源受水体水文水质条件影响较大，制剂中主要功能菌介质的反应装置，其通过缓慢释放溶解性有机碳源可能与水生生态系统中土著微生物发生竞争或拮抗克服生物脱氮过程碳源不足的突出问题，强化NO3-作用，在自然生境条件下难以长期成为优势菌，难以去除】。有研究报道，反硝化床的NO；去除负荷维持高效稳定的净化效果。而采用菌剂投放与生物可达2—22gN·Ind～，其大小与固体碳源种类，膜联合工艺，通过微生物细胞固定化，可有效解决修温度，溶解氧，NOr负荷等因素有关。复过程中微生物生物量的维持和生物活性的高效2．1固体碳源种类性、持续性、稳定性等问题。Meng等开展复合菌目前，研究较多的反硝化床固体碳源介质包括群固定化原位生物强化修复受污染源水研究，随着木片、木屑、纸板报纸、棉花、麦秆、玉米秸秆、海草等反应器连续运行，填充生物载体的菱形模块表面有天然物质和聚羟基丁酸酯、聚己内酸酯、聚乳效附着大量生物膜，膜内氨氧化菌、硝化菌及反硝化菌酸、淀粉、聚乙烯醇等合成化合物引。其中，木片的数量分别从初始的64．3，218，359×103cells·mg和木屑因其廉价易得、碳氮比高、渗透性好、长效性增至117，332，425×10cells·mg～，接种混合菌群高而应用广泛。不同固体碳源介质分解释放溶解性中2株功能菌成功定殖于生物膜内，污染水体氮磷有机碳速率不同，与木片等碳素缓释介质相比，采用去除得到明显强化。然而，当前已分离获得的适用玉米秸秆等易分解碳源作填充介质后水体No；去于受污染地表水体修复的耐低温、贫营养、高效絮凝除率为前者的6．5倍，但碳源快速释放消耗导致该性功能菌株以及好氧反硝化菌株数量仍然有限，因系统长效性差，需频繁补充固体碳源】。Robert．此，针对地表水体水温波动大、污染物浓度低、水体son等研究发现反硝化床中反硝化作用与扩散至流速快、溶解氧含量高等生境特征，筛选分离高效多碳介质内部的反应圈(reactiontim)有关，系统运行4功能脱氮除磷及有机物降解功能菌株仍然是水体原年后厘米级碳源颗粒表面出现多个内陷的黑色“反硝位生物强化脱氮除磷技术的重点和难点。化区”，而毫米级颗粒表面则全部呈现黑色，故碳源粒径大小与有效反应表面积并不呈线性相关。另外，木2反硝化床质碳源介质硬度对水体NO；去除率影响也不显著，但已有研究报道，水生生态系统生物脱氮过程主材质硬的介质可能相对更持久耐用．弼】。要包括：异养反硝化、化能自养反硝化和厌氧氨氧2．2温度化，通常以异养反硝化作用占主导。异养反硝化速生化反应速率一般随温度升高而增加。由表2 14中国沼气ChinaBiogo,2014，32(4)可知，在进水NO3-浓度不为限制因子时，反硝化床键因素之一，与污水水质相比，微污染原水营养物质的No；去除率随温度增加总体呈上升趋势，但高温浓度较低，采用自然富集培养挂膜方式容易导致系加快碳源消耗速率，不利于系统维持脱氮长效统启动周期长。一般认为生物膜启动过程完成标志性[36】。为氨氮稳定去除，影响载体挂膜过程的因素有温度、表2不同温度条件下反硝化床NO；去除效果接种微生物、进水污染负荷、气水比、填料性能筇[27—28】寸O温度能影响挂膜过程硝化细菌比增长速率和活性，每升高1O℃即能增加一倍比增长速率，较高温度环境能缩短生物膜系统启动过程缓滞期枷】，生物膜预处理在我国北方未广泛应用原因就在于运行温度低周期较长，导致系统运行性能不高且不稳定；接种微生物细菌数量浓度越多与活性越高，越容易生长，挂膜周期越短，冬季挂膜周期长于夏季不仅在于低温环境降低微生物比生长速率和活性，而且与原水硝化细菌数量少也有关·孔-32]；微污染原水生2．3溶解氧物膜预处理系统细菌均属于贫营养型细菌，提高进地表水体电子受体种类多样，主要包括0：，水污染负荷可有助于细菌增长而缩短挂膜周期，往NO；，Mn(IV)，Fe(m)，SO：一等。当水体富氧情况往通过增加水力负荷方式实现[2B．圳；挂膜过程必下，微生物首先以0：为电子受体将有机碳源氧化须在好氧条件进行以快速富集硝化菌，研究显示氨获得最多能量，若有机碳源过量，则该生物过程将持氮去除率随着溶解氧浓度升高而增大J，一般保持续进行直至溶解氧被耗尽。只有当水体溶解氧被好在2—6mg·L可保证硝化反应正常进行，气水比氧微生物消耗完后，以No；为电子受体的兼氧微生过大容易导致生物膜过早脱落，较难富集比增长速物才可利用有机碳源进行反硝化脱氮。所以，水体率小的微生物；填料比表面积、粗糙度等性能可直接中溶解氧存在有利于好氧微生物与反硝化微生物竞影响挂膜速度，如常用于曝气生物滤池的陶粒颗粒争碳源。研究表明】，水体富氧条件下(8nag·L)，比表面积大，表面粗糙且具微孔结构，挂膜周期短于以木片为介质的反硝化床在1h后可将系统溶解氧弹性填料棚。耗尽。因此，延长反硝化床内水力停留时间，可有效鉴于生物膜富集过程受多种环境因素影响，研赋予系统缺氧环境，提高有机碳源反硝化利用率，增究者开展了大量挂膜方式研究，应用污水处理过程强NO；去除效率。较多，除自然挂膜外主要包括快速排泥挂膜2．4NO；浓度法[3帅’、接种闷曝挂膜法[4、流量递增挂膜水体NO；浓度与反硝化床反硝化反应动力学法[42】、间歇曝气挂膜以及新型填料快速挂密切相关。当污染水体NO；浓度远远大于反硝化膜(如纤维陶粒)[,z-48]等。近年来，相关挂膜方式细菌Kin值，系统反硝化速率由碳质介质碳源释放也逐渐应用到微污染生物膜法预处理中，研究相对速率控制，呈0级反应动力学·45]；当水体NO；浓较少。唐文锋等应用接种闷曝以及流量递增形式成度较低时(雨水、水源水等)，反硝化反应则呈1级功于19天获得NH；-N超过50％的去除率，比流量反应动力学j。递增的自然挂膜法提前一周；刘辉等利用黄浦江综上，反硝化床具有成本低、长效性高、脱氮效上游原水研究不同水力负荷对挂膜过程影响，得出果好等优点，但仍存在以下不足之处：1)启动阶段氨氮稳定去除率大于60％为挂膜成功标志时的临溶解性有机碳源释放过快，系统出水有机物浓度较界水力负荷为5m3·mI2h[。；陆少鸣∞等研究高；2)出水溶解氧浓度低；3)对有机氮、氨氮去除叠式曝气生物滤池挂膜启动处理广州某污染水源，效果差。选用陶粒滤料和自然挂膜方式，经过一周后NH；一N平均去除率即达85．5％。3固定化生物膜强化工艺综上所述，生物膜处理启动过程易受多种因素挂膜方式是影响生物膜处理系统运行性能的关影响，闷曝排泥、进水负荷提升、载体优化等方式均 中国沼气ChinaBiogas2014，32(4)15能有效缩短缩短挂膜周期，但仍存在影响机理不明、CODm去除，而受溶解氧条件和有机碳源限制，水体启动过程微生物群落结构变化不清以及低温环境挂硝态氮及磷去除依然成为生物修复的难点。比较而膜周期长等问题。言，反硝化床是一种具有广阔应用前景的水体生物3．2生物膜系统强化脱氮除磷强化脱氮修复技术。此外，地表水体受径流系数、汇部分研究者改变曝气方式以给予脱氮除磷功能流时间、流态、河床地质、降雨强度等自然因素影响，菌良好的生境，包括分段曝气、间歇曝气、厌氧处理水文水质条件波动大。因此，在生物强化修复工艺等。针对北京官厅水库受到有机物、氨氮和总氮污设计中应全面考察水体污染特征与时空变化规律，染问题，常丽春等人采用弹性填料的生物接触分着重考虑流量、污染负荷、水温、溶解氧等影响因子，段曝气A／O工艺，仍能保持高NH-N去除(<0．5合理配置优化各种生物强化脱氮除磷工艺，建立高mg·L)，COD。稳定在25mg·L左右，但TN平效运行调控技术方法与稳定运行管理方案。均去除率仅为16．O％；徐京等研究间歇曝气方式优参考文献：化生物预处理脱氮除磷效果，结果显示停曝时间一曝气时间8h一16h和16h一8h间歇曝气条件下，[1]中华人民共和国环境保护部．2OO9年中国环境状况其NH4．N，TN，COD平均去除率分别稳定在公报[EB／OL]．http：／／www．mep．gov．cn／弘／xz珏／wdxz／201O06／PO2O10o603551633387739．pa．2010—0693．O％，19．4％，78．1％和81．2％，50％，76．4％，表明缩短曝气时间可明显提升脱氮性能；有研究者一O3．[2]oE，LiikanenA，SalonenV，MardkainenP．Anew指出适当延长缺氧水力停留时间，强化反硝化菌富gypsum—basedtechniquetoreducemethaneandphopho-集可获得同步硝化反硝化性能【5副；张永明等设计类nIsreleasefromse~ntsofeutrophledlakes(Gypsum似氧化沟生物膜反应器处理受污染河水(蜂窝陶瓷treatmenttoreduceinternal1oaaing)[J]．WaterRes，为载体)，控制DO<0．5mg·L～，获得同步硝化反2003，37(1)：1—10．硝化和厌氧氨氧化性能，NH4一N，TN去除率分别可[3]成小英，李世杰，濮培民．城市富营养化湖泊生态恢达40％～60％，40％～45％。复——南京莫愁湖物理生态工程试验[J]．湖泊科学，由于微污染水体可利用有机物较少，脱氮除磷20o6，18(3)：218—224．性能仅靠曝气方式优化提升有限，部分研究者从改[4]陆开宏，晏维金，苏尚安．富营养化水体治理与修复变水力负荷、分段配水等方式提高碳源有效利用率。的环境生态工程[J]．环境科学学报，2002，22(6)：732—737．王曼等采用稀释后的污水模拟富营养化水体，控制[5]uX，SongH，LiW，LuX，Nishimura0．AnintegratedDO浓度为2．9—6．6mg·L～，采用分段进水生物ecologicalⅡ0atiIlg—bedemployingplant，freshwaterdam膜处理后平均去除率由40％提升到70％；李andbiofilmcarrierforpurificationofeutrophicwater[J]．璐等通过调整水力停留时间、分段配水比例等参数，EcolEng，2010，36(4)：382—390．系统CODc，TP去除率可分别稳定在50％和40％左[6]zkundakciD，HamiltonD，ScholesP．Efectofintensive右J，进一步比较研究分段配水和内循环生物接触catchmentandin—-lakerestorationproceduresOilphos··氧化2种新型工艺，发现分段进水对CODc¨TiN，TPphotosconcentrationsinaeutrophiclake[J]．EcolEng，去除率更高¨。排泥是影响除磷的重要因素，徐京2010。36(4)：396—4o5．等研究表层生物膜排泥(SBD)和全层生物膜排泥[7]HuL，HuW，DeIIgJ，LiQ，GaoF，ZhuJ，HanT．Nu-(FBD)对系统除磷长效性和运行稳定性的影响，结trientmmov~inwetlandswithdiferentmacmphyteStrtlC-taresineasternLakeTaihu，China[J]．EcolEng，2010，果表明生物膜脱除后系统除磷效果得到恢复，其中36(4)：410-418．溶解性磷酸盐(DP)去除率维持在30％以上近1个[8]L／XN，SongHL，hlXW，XieXF，InamoriY．Charae—月，而SBD处理后仅维持1周左右。teristicsandmechanismofthebyd~pomchio—fdter综上，根据实际水体生境特征，合理优化组合人methodforpuriilcationofeutrophicsurfacewater[J]．工强化曝气配套技术、污水生物强化脱氮除磷工艺，EcolEng，2009，35(11)：1574—1583．有望实现受污染水体氨氮，COD，TN，TP有效去除。[9]YousefiZ，Mohseni—BandpeiA．Nitrogenandphosphor-1．18removalfromwastewaterbysubs~acewetlandsplan-4小结tedwithIrispseudacoros[J]．EeolEng，2010，36(6)：当前，受污染水体生物修复研究多集中于氨氮，777—782． 16中国沼气ChinaBiogas2014，32(4)[1O]SunL，uuY，JiIIH．Nitrogenremovalfrompollutedriv-[24]GrecnanCM，McormanTB，KasparTc，ParkinTB，erbyenhancedfloatingbedgrowncanna[J]．EcolEng，JaynesDB．Comparingc~rbonsubstrat~fordenitrillca-2009，35(1)：135—140．tionofsubsurfacedgainagewater[J]．JEnvironQual，[11]JingS，LinY．SeasonalefectonAmmonianitrogenre-2006，35(3)：824—829．movalbyconstructedwetlandstreatingpollutedriverwa-[25]HeMyMG，RodgemM，MttlqueenJ．DenitrillcationofaterinsouthernTaiwan[J]．EnvironPolut，2004，127nitrate—richsyntheticwastewateru8iIlgvariouswood—(2)：291—301．basedmediamaterials[J]．JEnvironSeiHealth，2006，[12]WuQ，GaoT，ZcngS，ChuaH．Plant—biofihnoxida-4l(5)：779—788．tionditchforinsitutreatmentofpollutedwaters[J]．[26]GibertO，PomiemyS，RoweI，KalinR．Selectionofor-EcolEng，2006。28(2)：124—130．ganicsubstratesaspotentialreactivematerialsforuseina[13]It0E，TakaiA，KondoF，MasuiH，ImanishiS，Haradadenitrificationpermeablereactivebarrier(PRB)[J]．K．ComparisonofproteinphosphataseinhibitoryactivityBioresourTechnol，2008，99(16)：7587—7596．andapparenttoxicityofmicrocystinsandrelatedcom-[27]VolokitaM，BelkinS，AbelioviehA，SoaresM．Biologi-pounds[J]．To．con，2002，40(7)：1017—1025．ealdenitrificationofdrinkingwaterusingnewspaper[J]．[14]李捍东，王庆生，张国宁，刘洪亮．优势复合菌群用WaterRes，1996，30(4)：965—971．于城市生活污水净化新技术的研究[J]．环境科学研[28]suc，PulsRW．Removalofaddednitrateinthesingle，究，2000，13(5)：l4—16．binary，andternarysystemsofcottonburrcompost，盔e-[15]nzK，PuPM，HuWP，HuCH．ImprovementofrovMentiron，andsediment：ImplicationsforgroundwaterTaihuwaterqualitybythetechnologyofimmobilizedni-nitrateremediationusingpermeablerPMtetivebarriers[J]．trogencyclebacteria[J]．NuelSeiTech，2002，13(2)：Chemosphere，2007，67(8)：1653—1662．115—118．[29]OyezB，MefgaJ，SaglamM．Biologicaldenitrification[16]黄民生，徐亚同，戚仁海．苏州河污染支流——绥宁indrinkingwatertw~tmentusingtheseaweedGracilaria河生物修复试验研究[J]．上海环境科学，2003，22verrucosaascarbonsourceandbiofihncarder[J1．Water(6)：384—388．EnvironRes，2006，78(4)：430—434．[17]张宗才，张新申，江涛，张铭让．CMF微生物菌剂修[30]HiraishiA，KhanST．Applicationofpolyhydroxyalka-复河流污水的动力学分析[J]．四川环境，2OO4，23noatesfordenitritlcationinwaterandwastewatertreatment(3)：22—25．[J]．ApplMicrobiolBiotechnol，2O03，61(2)：103—109．[18]邓柳，胡开林，王丽凤，韩冰．西坝河生物修复工程[31]BoleyA，MttllerWR，HaiderG．Biodegradablepo]y-试验研究[J]．环境科学与技术，2006，29(7)：100—mersassolidsuhstrateandhiofilmcarrierfordenitrlfica-102．tioninrecireulatedaquaculturesystems[J]．Aquacul[19]卫明，冯坤范，赵政一．应用微生物技术对城市黑臭Eng，2OOO，22(1—2)：75—85．河道进行生态修复的试验研究[J]．上海水务，2006，[32]WaitersE，HilleA，HeM，OchmarmC，HomH．Sire-22(1)：18—21．uhaneousnitrification／denitrifieationinabiofllmairlift[20]杨竹攸，李正魁，石鲁娜，张晓姣．固定化氮循环细suspension(BAS)reactortllbiodegradablecarrierma-菌修复城市湖泊水体脱氮效果及NO排放[J]．湖泊terial[J]．WaterRes，2009，43(18)：4461—4468．科学，2009，21(6)：789—794．[33]王旭明，从二丁，罗文龙，王建龙．固体碳源用于异[21]张晓姣，李正魁，杨竹攸，石鲁娜．固定化土著氮循养反硝化去除地下水中的硝酸盐[J]．中国科学B环细菌在城市湖泊水体净化中的应用[J]．湖泊科学，辑：化学，2008，38(9)：824—828．2009，21(3)：351—356．[34]张大奕，李广贺，王允周．缓释有机碳源材料释碳模[22]MengZQ，ZhaoY，LuzM，MinH，Shen唧，)【ux型与生物脱氮效应[J]．清华大学学报(自然科学Y．DevelopmentofanAdvancedBiologicalTreatment版)，2009，49(9)：1507—1511．SystemUsingBioaugmentationTechnologyfortheTreat-[35]范振兴。王建龙．利用聚乳酸作为反硝化固体碳源的mentofEutrophicDrinkingWaterResources[J]．Clean研究[J]．环境科学，2009，30(8)：2315—2319．SoilAirWater，20o9，37(12)：970—981．[36]CameronSC，SchipporLA．Nitratel~movalandhydrau-[23]RobertsonWD，CherryJA．InSituI)enitrificationoflicperformanceofcarbonsubstratesforpotentialuseinSeptic—SystemNitrateUsingReactivePorousMediaBar-denitrifieationbeds[J]．EcolEng，2010，36：1588—tiers：FieldTrials[J]．GroundWater，1995，33(1)：991595．一】11．[37]RobertsonWD．Treatmentofwastewaterphosphatebyre- 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