環境學院研究團隊提出利用超聲波技術實現處理廢水脫氮過程控制的...

2020-12-22 清華大學新聞網

環境學院研究團隊提出利用超聲波技術實現處理廢水脫氮過程控制的新方法

清華新聞網2月25日電 日前，清華大學環境學院博士後鄭敏、汪誠文教授、劉豔臣副研究員和美國史丹福大學高級研究員吳唯民等在國際環境科學與技術領域頂尖期刊《環境科學與技術》（Environmental Science and Technology）上發表了題為「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有效控制廢水處理微生物群落組成從而實現高效、節能的短程硝化脫氮的新方法。

人類生活產生的汙水含有大量的氮素汙染物，排入水體可造成富營養化，因此除氮是廢水處理過程中的重要環節。傳統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，然後由另一類細菌將亞硝酸鹽氧化為硝酸鹽（全程硝化過程），最後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），然後將亞硝酸鹽還原為氮氣。該方法較傳統全程硝化脫氮方法可大大節省曝氣所耗的能耗、節省反硝化所需碳源、減少汙泥產量，縮短反應時間及減少相應反應器容積。近年來又開發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，國內外研究者一直在致力於尋找操作簡便、具有大規模應用前景的短程硝化過程控制方法。

2011年，在環境學院攻讀博士學位的鄭敏在利用超聲波技術進行汙泥源頭減量化的試驗研究中發現，利用適宜的超聲波條件處理活性汙泥後的菌群可以在反應器內穩定地積累亞硝酸鹽而使硝酸鹽生成量大幅減小。此後，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構、獲取高效穩定短程硝化的全面系統研究。本次發表的論文是其中的重要成果之一。該文章報導了研究組成功通過超聲波的條件優化與控制，利用適當的超聲波強度刺激短程硝化必需的好氧氨氧化細菌（Ammonia-oxidizing Bacteria，AOB）生長，同時抑制滅活產生硝酸鹽的亞硝酸鹽氧化細菌（Nitrite-oxidizing Bacteria，NOB），從而實現反應器的持續運行，並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。該方法將為開發高效汙水處理與汙泥資源化組合新工藝提供一條全新思路。今後，研究人員將進一步探明系統控制的微生物生理學和生態學機理和實現從小型試驗到生產示範過渡。

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，劉豔臣參與了試驗設計和微生物學的分析工作。

論文連結：http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.est.5b04178

供稿：環境學院 編輯：田心

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