環(huán)境學院研究團隊提出利用超聲波技術(shù)實現(xiàn)處理廢水脫氮過程控制的新方法
清華新聞網(wǎng)2月25日電 日前，清華大學環(huán)境學院博士后鄭敏、汪誠文教授、劉艷臣副研究員和美國斯坦福大學高級研究員吳唯民等在國際環(huán)境科學與技術(shù)領域頂尖期刊《環(huán)境科學與技術(shù)》（Environmental Science and Technology）上發(fā)表了題為“Ultrasonic Treatment Enhanced Ammonia-oxidizing Bacterial (AOB) Activities for Nitritation Process”（超聲波處理增強亞硝化工藝中氨氧化細菌（AOB）活性）的研究論文，首次提出一種利用超聲波技術(shù)有效控制廢水處理微生物群落組成從而實現(xiàn)高效、節(jié)能的短程硝化脫氮的新方法。
人類生活產(chǎn)生的污水含有大量的氮素污染物，排入水體可造成富營養(yǎng)化，因此除氮是廢水處理過程中的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的廢水生物脫氮是利用細菌先將水中的氨氮曝氣氧化為亞硝酸鹽，然后由另一類細菌將亞硝酸鹽氧化為硝酸鹽（全程硝化過程），最后在無氧條件下利用有機物將硝酸鹽還原成氮氣釋放到大氣（反硝化過程）。1975年Voet等學者提出了一種短程硝化—反硝化的工藝，即將氨氮氧化為亞硝酸鹽（短程硝化），然后將亞硝酸鹽還原為氮氣。該方法較傳統(tǒng)全程硝化脫氮方法可大大節(jié)省曝氣所耗的能耗、節(jié)省反硝化所需碳源、減少污泥產(chǎn)量，縮短反應時間及減少相應反應器容積。近年來又開發(fā)了將半量氨氮曝氣氧化為亞硝酸鹽，再與另外半量氨氮反應生成氮氣的厭氧氨氧化工藝，可進一步減少一半的曝氣能耗。以上兩種工藝，短程硝化是關(guān)鍵，但實施的難點是要控制廢水處理的細菌僅將氧化氨氮至亞硝酸鹽。迄今，國內(nèi)外研究者一直在致力于尋找操作簡便、具有大規(guī)模應用前景的短程硝化過程控制方法。
2011年，在環(huán)境學院攻讀博士學位的鄭敏在利用超聲波技術(shù)進行污泥源頭減量化的試驗研究中發(fā)現(xiàn)，利用適宜的超聲波條件處理活性污泥后的菌群可以在反應器內(nèi)穩(wěn)定地積累亞硝酸鹽而使硝酸鹽生成量大幅減小。此后，在導師汪誠文的指導下，鄭敏開展了利用超聲波控制細菌種群結(jié)構(gòu)、獲取高效穩(wěn)定短程硝化的全面系統(tǒng)研究。本次發(fā)表的論文是其中的重要成果之一。該文章報道了研究組成功通過超聲波的條件優(yōu)化與控制，利用適當?shù)某暡◤姸却碳ざ坛滔趸匦璧暮醚醢毖趸毦ˋmmonia-oxidizing Bacteria，AOB）生長，同時抑制滅活產(chǎn)生硝酸鹽的亞硝酸鹽氧化細菌（Nitrite-oxidizing Bacteria，NOB），從而實現(xiàn)反應器的持續(xù)運行，并建立了評價超聲波對不同細菌作用的動力學試驗模型。此研究首次全面系統(tǒng)地證實了在超聲波處理條件下，可以控制反應器的細菌種群、富集馴化出含高豐度AOB無NOB的微生物達到高效的短程硝化。該方法將為開發(fā)高效污水處理與污泥資源化組合新工藝提供一條全新思路。今后，研究人員將進一步探明系統(tǒng)控制的微生物生理學和生態(tài)學機理和實現(xiàn)從小型試驗到生產(chǎn)示范過渡。
鄭敏為論文第一作者，汪誠文為通訊作者。合作者中吳唯民參與試驗設計和指導研究工作，劉艷臣參與了試驗設計和微生物學的分析工作。
論文鏈接：http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.est.5b04178
