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廢水生物處理中的物質和能量循環的方法與技術探索

發布日期:2019-12-31 23:53:01   瀏覽次數:742
目前,我國各類工業廢水年排放總量超過200億噸,是城市水環境的主要污染源之一,但同時也是一種來源穩定、具有潛在利用價值的

目前,我國各類工業廢水年排放總量超過200億噸,是城市水環境的主要污染源之一,但同時也是一種來源穩定、具有潛在利用價值的可再生資源[1]。傳統的以達標排放為核心目標的廢水處理工藝往往以高能耗換取污染物削減,形成了“減排污染物、增排溫室氣體”的尷尬局面,并不符合可持續發展的理念[2]。日趨嚴重的能源危機和氣候變化問題要求我們在保證污染物達標排放的同時,積極探索廢水處理中物質和能量資源化利用的新方法和新技術。

甲烷是城市污(廢)水處理中剩余污泥厭氧消化的產物,同時也是一種重要的溫室氣體,其全球變暖潛能(Global Warming Potential, GWP)是二氧化碳的20~30倍[3]。合理利用消化過程產生的甲烷是有效控制碳排放的重要手段。通常,甲烷可作為能源物質直接使用,但近年來甲烷氧化耦合氧化態污染物還原的研究表明,甲烷也可以作為碳源和電子供體來還原硝氮、高氯酸鹽、硒酸鹽、銻酸鹽等氧化態污染物,這為廢水處理中碳源和能源的循環利用提供了新的途徑。

過去幾年里,我國城市廢水處理系統日趨完善。傳統的有機污染物得到有效削減,但是廢水中的一些氧化態污染物并沒有得到有效控制,廢水處理過程中產生的一些物質及能源并未得到合理的回收與應用。曲久輝院士等[2]倡導建設面向未來的中國污水處理概念廠,探索污水再生及循環的物質轉化與能源轉換機制。對此,俞漢青等[4]提出了一種“廢水資源工廠”的概念水廠模式(圖2),富含碳氮磷的污水首先經過活性炭床和厭氧膜生物反應器,活性炭床可以吸附水體中的生物固體,而厭氧膜反應器可以阻留有機物和厭氧微生物,厭氧微生物進而可以將有機物代謝為甲烷。生物固體燃燒后可作為土壤改良劑,而甲烷燃燒可以發電產能。


除碳后的污水一部分用于灌溉,另一部分經過離子交換來富集氮磷,氮磷可用于制造肥料;脫氮除磷后的水可直接用于工業或進一步高級純化后作為飲用水,從而實現了碳、氮、磷及水資源的二次利用。王東波等[5]也展望了以甲烷氧化技術為主體的新型污水廠,將剩余污泥厭氧消化產生的部分甲烷用于深度脫氮?;谝陨夏J?,我們設想將厭氧生物處理過程中產生的部分甲烷收集起來,通過中空纖維膜生物反應器(MBfR)來深度處理廢水中氧化態污染物,同時探索碳循環過程中產生的PHA、粗蛋白及生物碳等的回收技術,使城市廢水處理系統中的碳源得到充分利用,另一方面也減緩了溫室效應。

3 甲烷氧化耦合氧化態污染物還原的機理研究

近年來,甲烷氧化技術由于在廢水生物處理中物質和能源的循環利用方面有著巨大潛力,因而廣受人們的關注。根據體系的氧氣濃度,該過程可以分為好氧甲烷氧化和厭氧甲烷氧化。好氧甲烷氧化的研究最先始于對好氧甲烷氧化菌與反硝化菌混合菌群的研究。好氧甲烷氧化耦合反硝化(Aerobic oxidation of methane coupled to denitrification, AOM-D)的代謝途徑主要有兩種(如圖3)。起初人們普遍認為該過程是由混合菌群協同完成:甲烷氧化菌首先氧化甲烷,并釋放甲醇、甲醛、甲酸、乙酸等中間代謝產物[6],反硝化菌利用這些有機小分子進一步還原硝氮;而在2015年,Kits等人[7]首次報道了一種甲基單胞菌,能夠在氧氣受限的環境中,獨立完成甲烷氧化反硝化的功能,并在該菌的基因組中檢測到了所有必需的功能基因,豐富了好氧甲烷氧化耦合反硝化的代謝機理。

 
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