【重庆水处理设备网http://xqccscq.com/】随着我国社会经济的不断发展，工业废水和生活污水量逐年增加。由于氨氮是水中的主要污染物之一，水中氨氮的去除已成为水处理领域的焦点和热点。 沸石是一种具有独特多孔结构的天然材料。其三维骨架中大量的孔隙和孔洞决定了沸石具有很强的吸附和离子交换能力。沸石因其价廉易得，常被用作氨氮吸附剂，广泛应用于污水处理领域。 研究表明，沸石可以与活性污泥等生物处理工艺相结合，从而提高系统的脱氮效率，富集功能菌。因此，沸石作为一种天然材料，在强化生物脱氮过程中具有很大的应用前景。 1号沸石对反硝化微生物的影响 传统的生物脱氮主要由好氧环境中的氨氧化菌(AOB)、硝化菌(NOB)和反硝化菌(DNB)来完成。厌氧氨氧化细菌(Anammox细菌)可以在厌氧条件下直接将亚硝酸盐氮与氨氮反应生成氮气。在沸石和微生物联合反硝化工艺中，投加沸石会改变反硝化功能菌的丰度，如表1所示。 沸石组合生物技术在废水脱氮领域的最新研究进展 注:“+”表示菌株丰度增加，“-”表示菌株丰度减少。 杨永元等采用沸石作为曝气生物滤池(BAF)反应器的填料。长期运行结果表明，反应器中AOB的富集效果显著，亚硝化菌科(科级)丰度由1.5%提高到61.6%。 徐鹏等人发现，以沸石为基质的人工湿地系统中NOB的丰度高于其他材料构建的湿地系统。该沸石应用于序批式反应器，并运行了很长时间。结果表明，沸石促进了反硝化细菌数量的增加。 韩振峰等使用沸石作为人工湿地的基质填料，检测结果显示陶氏菌和不动杆菌的丰度明显增加。 子松等采用沸石复合聚氨酯海绵作为移动床生物膜反应器反硝化过程的填料。结果表明，与单一的聚氨酯海绵填料系统相比，沸石复合填料系统中反硝化细菌Thermomonas、Thauera、Brevundimonas和黄杆菌的数量明显增加。 盛远裴等发现，以沸石为填料的人工湿地系统中厌氧氨氧化反应得到强化；重庆实验室纯水设备进一步检测表明，厌氧氨氧化细菌的丰度高于其他填料系统。沸石组合厌氧氨氧化工艺的长期运行结果表明，厌氧氨氧化系统中富集了浮游菌属和变形菌属，在属的水平上富集了库恩假丝酵母属。 沸石对不同属的微生物会有不同的作用。加入沸石后，部分菌株受到抑制。杨永元等研究表明，以沸石为填料的曝气生物滤池长期运行后，硝化螺菌和硝化细菌的丰度下降。 沸石2在生物脱氮过程中的作用机理 沸石在生物脱氮过程中的作用机理包括以下几种方式:重庆纯水设备 (1)沸石作为离子交换剂，可以与氨氮发生离子交换反应； (2)沸石的多孔结构使其成为良好的生物载体； (3)沸石可以改善反硝化过程的反应条件。 沸石作为离子交换剂，具有储存氨氮的特性。在低浓度氨氮条件下，沸石可以用水中的NH4+取代自身结构中的Na+，形成局部富氨微环境，为硝化细菌提供反应底物。系统中的硝化细菌氧化沸石表面的氨氮，促使沸石形成新的吸附位点，完成沸石的生物再生，最终实现硝化细菌的富集。与天然沸石相比，在序批式反应器中使用单位氨氮吸附量更高的改性沸石作为填料，会使亚硝化单胞菌的丰度更高(从15.04%提高到18.26%)，这也证明了沸石吸附氨氮形成的富氨环境是沸石富集AOB和NOB的重要条件。 沸石与氨氮之间的离子交换反应是短程硝化的主要原因。通过控制沸石系统进水中的氨氮负荷，改变沸石与氨氮之间的动态平衡，使系统中FA浓度始终处于NOB的抑制范围内，可以实现短程硝化工艺的稳定运行。 Gyuan Yang等人的研究证实，沸石曝气生物滤池中FA的质量浓度始终高于0.1 mg/L，长期运行会导致NOB丰度下降。 沸石易附着微生物是沸石强化脱氮的另一个主要原因。由于沸石的疏松多孔结构，沸石结合微生物工艺系统的污泥浓度大大提高，极大地解决了由于水流和气流造成的反硝化功能菌流失问题，达到了强化生物脱氮的目的。 沸石反应条件的改善有利于提高脱氮效率。在沸石系统中，沸石对重金属离子等有害物质的吸附可以降低重金属离子等有害物质对反硝化功能菌的毒性。沸石具有储存氨氮的特性，可以改善硝化菌在高氨氮水中的反应条件，降低FA对硝化菌的抑制作用，提高系统的反硝化性能。 3号沸石在传统硝化反硝化工艺中的应用 3.1沸石在硝化过程中的应用 在活性污泥中加入沸石可以使活性污泥具有更高的硝化反应速率。魏云等人在序批式反应器中投加粉状沸石，活性污泥附着在沸石表面形成沸石生物絮体，使反应器中亚硝酸氮和硝酸氮的产生速率由10.0mg/(l·h)提高到13.5mg/(l·h)。厌氧阶段沸石快速吸附氨氮，好氧阶段污泥絮体氧化沸石富集的氨氮是系统具有较高硝化速率的原因。 沸石可以提高生物硝化的性能。A. A. FORBIS-STOKES等人分别采用生物炭、活性炭、沸石、鲍尔环和砾石作为滴滤介质处理氨氮废水。实验结果表明，沸石滴滤塔的氨氮去除效果最好，氨氮去除率可达85%。 W.S. CHANG等人研究了以沸石、砂和活性炭为填料的曝气生物滤池系统的硝化性能。保氮分析表明，沸石介质中氨氮的去除有离子交换、硝化和细胞合成等不同方式，以沸石为填料的曝气生物滤池系统脱氮性能最好。 B.HUNTER等在用不同填料构建硝化滴滤塔的实验中发现，沸石填料的反硝化性能最好。随着系统的运行，沸石滴滤床出水的硝态氮浓度高于其他材料，证明添加沸石有利于强化硝化作用。 投加沸石后，系统的污泥浓度增加。蒙自王等在生物反应器中加入沸石，发现系统的悬浮生物量增加；系统中污泥质量浓度可达1 577.2 mg/L，提高了34.2%。 子松等研究表明，与单一聚氨酯海绵相比，沸石复合聚氨酯海绵填料的系统生物量更高，能更好地防止接种期污泥絮体被冲刷。而且沸石粉提高了复合生物载体的比表面积，有利于污泥絮体的固定。 徐等在硝化细菌溶液中添加沸石制备生物沸石。实验结果表明，硝化细菌可以在沸石表面富集，沸石作为生物载体在富集硝化细菌方面表现出优越的性能。 3.2沸石在脱氮工艺中的应用 投加沸石可以提高反硝化系统的污泥浓度。S. MONTALVO等人发现沸石可以提高反硝化系统的微生物多样性和污泥浓度。投加沸石后，上流式厌氧污泥床反应器的脱氮率提高，运行稳定性增强。 S. J. PARK等人的研究证实，投加沸石粉可以提高缺氧活性污泥系统混合液中悬浮固体(MLVSS)的浓度。即使在低碳氮比条件下，有机物的自溶也会使反应器拥有大量潜在的反硝化碳源，反硝化细菌可以有效利用。 子松等将沸石粉与聚氨酯海绵复合物应用于同步硝化反硝化工艺，研究了复合物对系统反硝化性能的影响。结果表明，沸石的加入增加了聚氨酯海绵的比表面积，重庆纯水设备使反硝化细菌更容易附着在复合材料表面。沸石堵塞了聚氨酯海绵的通道，生物膜厚度的增加阻碍了溶解氧的扩散，而不断增大的氧浓度梯度最终促进了反硝化菌的快速增殖。由于复合填料系统中悬浮生物量更多，反硝化细菌在复合填料系统中的代谢速率比传统海绵载体更快，最终提高了脱氮性能。 沸石良好的微生物载体功能及其生物可再生特性实现了同步硝化反硝化，其反应机理如图1所示。由于氧气不能完全穿透沸石形成的生物膜系统，膜内反硝化细菌利用反硝化多糖细胞内储存的有机碳来脱氮。 沸石组合生物技术在废水脱氮领域的最新研究进展 沸石可以改善脱氮反应条件。S. MONTALVO等人将沸石与升流式厌氧污泥床反应器组合起来处理含氮废水，并研究了反应器中自养反硝化过程的启动。结果表明，与未加沸石的反应器相比，相同条件下加沸石的反应器不存在亚硝酸盐氮积累的反应环境，降低了亚硝酸盐氮对反硝化菌的抑制，从而提高了反硝化系统的启动速率和反硝化速率。 4沸石正在进行短程硝化？厌氧氨氧化工艺的应用 4.1沸石在短程硝化工艺中的应用 硝化作用可以通过抑制NOB和用AOB氧化氨氮来积累亚硝酸盐氮。短程硝化是低能耗低碳源完成污水脱氮的关键步骤。 沸石能成功实现系统短程硝化。Gyuanyang等人采用沸石作为曝气生物滤池的填料，成功实现了系统的短程硝化。沸石颗粒与NH4+发生离子交换反应，重庆实验室纯水设备解决了由于反应曝气阶段吹脱效应和AOB氧化氨氮导致FA浓度难以控制的问题。通过沸石对溶液中FA的动态调节，实现了对NOB的抑制和短程硝化的稳定运行。 以沸石为填料，系统更容易形成短程硝化。陈振国等研究表明，沸石作为生物固定床填料，在低浓度氨氮条件下仍能形成短程硝化反应。沸石吸附氨氮提供的富氨微环境和沸石的生物再生特性是短程硝化系统快速启动和稳定运行的主要原因。 具有强离子交换能力的沸石可以改善反应条件，从而强化短程硝化反应。李强等人用5% NaCl溶液对沸石进行改性，并将其作为曝气生物滤池的填料用于含氮废水的处理。发现生物膜上的AOB占菌落总数的47.9%，亚硝化单胞菌在AOB和菌落总数中占优势，亚硝酸盐氮的积累速率进一步提高。陈静等人利用粉煤灰合成沸石，增强了沸石对氨氮的吸附能力。在抑制NOB浓度的条件下，合成沸石通过降低水中FA浓度为AOB提供了更好的反应条件。 对一些研究者的研究成果进行了总结和比较，如表2所示。 沸石组合生物技术在废水脱氮领域的最新研究进展 4.2沸石在厌氧氨氧化工艺中的应用 厌氧氨氧化(ANAMMOX)是一种新型的脱氮工艺，它利用亚硝酸盐氮作为电子受体，在厌氧条件下将氨氧化成氮气。 沸石通过离子交换与NH4+反应，结合生物反应，使出水亚硝酸盐氮与氨氮的化学计量比稳定在1.15，从而实现厌氧氨氧化工艺的稳定运行。采用沸石-厌氧氨氧化系统处理污水处理厂二级出水。沸石对氨氮的吸附和氨氮生物氧化的循环效应为系统提供了自我再生能力，从而实现了厌氧氨氧化工艺的长期运行。 沸石作为一种良好的生物载体，可以富集厌氧氨氧化细菌。R. COLLISON等人选用沸石作为滴滤塔的填料去除水中的氨氮。第6周滴滤塔内出现厌氧氨氧化，说明沸石有利于反硝化过程中厌氧氨氧化菌的富集。 沸石可以优化厌氧氨氧化过程的反应条件。冯兴辉等。为了提高厌氧氨氧化工艺对废水的处理效果，设置曝气沸石床，并将其置于整个自养反硝化系统中。当进水溶解氧浓度为6.5 mg/L时，通过曝气生物滤池的硝化作用，系统内仍发生厌氧氨氧化反应，沸石和微生物组合系统的吸附-解吸作用形成有效的铵缓冲系统，降低了高浓度氨氮和高强度曝气对厌氧氨氧化菌的冲击。 5号沸石与微生物组合工艺结合的应用 如表3所示，组合沸石微生物工艺可用于处理各种类型的废水。 沸石组合生物技术在废水脱氮领域的最新研究进展 组合沸石微生物系统在处理高浓度有机废水时可以实现稳定的反硝化。陈振国等采用沸石曝气生物滤池处理高COD的垃圾渗滤液。结果表明，沸石填料能很好地缓冲进水氨氮，重庆纯水设备有效维持适宜的FA范围，实现系统稳定脱氮。 朱晓标等采用沸石生物滤池和膜生物反应器组合工艺处理焦化废水，其稳定的氨氮去除率表明沸石提高了系统抗氨氮负荷的能力；第58天和第389天的取样试验结果表明，AOB和NOB均有积累，说明沸石生物滤池在处理高浓度有机废水时仍能稳定脱氨。 组合沸石微生物系统可以在低浓度氨氮条件下提高反应器的脱氮效率。J. S. KIM等人对比研究了沸石和聚丙烯曝气生物滤池在低氨氮浓度下的硝化性能。结果表明，当进水氨氮为3 mg/L时，以沸石为载体的反应器氨氮去除率可达(63.38±4.08)%，以聚丙烯为载体的反应器氨氮去除率为(3.79±3.13)%，且未发现硝酸盐氮。 利用沸石耦合微生物系统可以增强硝化作用对低温的抵抗力。陈静的研究表明，在8℃下，采用沸石生物固定床和陶粒生物好氧过滤组合工艺处理氨氮浓度为30~37 mg/L的进水，出水氨氮浓度为1.5 ~ 2.5 mg/L，该组合工艺可作为低温下氨氮废水的处理工艺。贺胜斌等研究表明，在7~10℃时，沸石填料生物滤池对氨氮的去除率可达81.06%，高于膨润土填料生物滤池的去除率(65.42%)。 在反应器长期稳定运行的条件下，沸石可以提高系统中微生物抵抗进水氨氮冲击负荷的能力。蒙自王等人的研究表明，沸石组合微生物工艺系统在系统长期稳定运行后，通过改变进水氨氮浓度，可以迅速恢复到原来的运行性能。去除沸石的系统抗氨氮冲击负荷能力仍高于未添加沸石的对照系统。 结论与展望 沸石的多孔结构和生物相容性可以实现生物反应体系中微生物的富集，可以很好地解决反硝化功能菌富集难、易流失的问题。沸石表面形成的富氨微环境是增加生物反应系统中硝化细菌丰度的重要原因。通过调节沸石系统中游离氨的浓度，可以保证短程硝化工艺的稳定运行，为后续的厌氧氨氧化工艺提供保障。 关于沸石在生物脱氮中的应用，仍需研究沸石与生物膜的相互作用、沸石对功能微生物代谢途径的影响，开发基于沸石的脱氮新工艺，以更好地促进沸石在污水脱氮中的应用。

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