生物脫氮新工藝及其技術(shù)原理
王建龍
(清華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程系,北京 100084)
摘 要:介紹了生物脫氮領(lǐng)域最近開發(fā)的若干新工藝,為水處理工藝設(shè)計(jì)提供了新的理論和思路。
關(guān)鍵詞:生物脫氮;新工藝;技術(shù)原理
中圖分類號(hào): X703
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B
文章編號(hào):1000-4602(2000)02-0025-04
由于常規(guī)的活性污泥工藝過(guò)程中硝化作用不完全,反硝化作用則幾乎不發(fā)生,總氮(TKN)的去除率僅在10%~30%之間。因此,對(duì)于城市污水、含氮工業(yè)廢水,若采用常規(guī)的活性污泥法處理,出水中還含有大量的氮(NO3-)和磷,引起受納水體富營(yíng)養(yǎng)化。這就促使人們對(duì)傳統(tǒng)的活性污泥工藝流程進(jìn)行改造,以提高N、P的去除效果,如A/O法、A2/O法等工藝。這些工藝在廢水脫氮除磷方面起到了一定的作用,但仍存在以下問(wèn)題:?
① 硝化菌群增殖速度慢且難以維持較高生物濃度,特別是在低溫冬季。因此造成系統(tǒng)總水力停留時(shí)間較長(zhǎng),有機(jī)負(fù)荷較低,增加了基建投資和運(yùn)行費(fèi)用;?
?、? 系統(tǒng)為維持較高生物濃度及獲得良好的脫氮效果,必須同時(shí)進(jìn)行污泥回流和硝化液回流,增加了動(dòng)力消耗及運(yùn)行費(fèi)用;
③ 抗沖擊能力弱,高濃度氨氮和亞硝酸鹽進(jìn)水會(huì)抑制硝化菌生長(zhǎng);?
?、? 為中和硝化過(guò)程產(chǎn)生的酸度,需要加堿中和,增加了處理費(fèi)用。
最近的一些研究表明:生物脫氮過(guò)程中出現(xiàn)了一些超出人們傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)的新現(xiàn)象,如硝化過(guò)程不僅由自養(yǎng)菌完成,異養(yǎng)菌也可以參與硝化作用[1];某些微生物在好氧條件下也可以進(jìn)行反硝化作用[2];特別值得一提的是有些研究者在實(shí)驗(yàn)室中觀察到在厭氧反應(yīng)器中NH3-N減少的現(xiàn)象[2~5],這些現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)為水處理工作者設(shè)計(jì)處理工藝提供了新的理論和思路。
1 SHARON 工藝
SHARON工藝(Single reactor for High activity Ammonia Removal Over Nitrite)是由荷蘭Delft技術(shù)大學(xué)開發(fā)的脫氮新工藝[6]。其基本原理為簡(jiǎn)捷硝化—反硝化,即將氨氮氧化控制在亞硝化階段,然后進(jìn)行反硝化。硝化過(guò)程可分為兩個(gè)階段,第一步是由亞硝化菌(Nitroso monas)將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽(NO2-),亞硝化菌包括亞硝酸鹽單胞菌屬和亞硝酸鹽球菌屬。第二步是由硝化菌(Nitrobacter)將亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為硝酸鹽(NO3-),硝化菌包括硝酸鹽桿菌屬、螺旋菌屬和球菌屬。這類菌利用無(wú)機(jī)碳化物如CO32-、HCO3-和CO2作碳源,從NH3、NHO4+或NO2-的氧化反應(yīng)中獲得能量,兩步反應(yīng)均需在有氧條件下進(jìn)行。生成的NO3-由反硝化菌在缺氧條件下還原成N2或氮氧化物。
亞硝化菌和硝化菌的特征總結(jié)如表1。
SHARON工藝具有以下特點(diǎn):
?、傧趸c反硝化兩個(gè)階段在同一反應(yīng)器中完成,可以簡(jiǎn)化工藝流程;
?、谙趸a(chǎn)生的酸度可部分地由反硝化產(chǎn)生的堿度中和;
?、劭梢钥s短水力停留時(shí)間(HRT),減小反應(yīng)器體積和占地面積。
如果將硝化過(guò)程控制在亞硝化階段,實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)捷硝化—反硝化,則該工藝還具有下述優(yōu)點(diǎn) :?
① 可節(jié)省反硝化過(guò)程需要的外加碳源,以甲醇為例,NO2-反硝化比NO3-反硝化可節(jié)省碳源40%;?
?、诳蓽p少供氣量25%左右,節(jié)省動(dòng)力消耗。?
然而,將硝化階段控制在亞硝化階段的成功報(bào)道并不多見.這是因?yàn)?硝化菌(Nitrobacter)能夠迅速地將亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為硝酸鹽.SHARON工藝的成功在于:巧妙地應(yīng)用了硝化菌(Nitrobacter)和亞硝化菌(Nitrosomonas)的不同生長(zhǎng)速率,即在較高溫度下,硝化菌的生長(zhǎng)速率明顯低于亞硝化菌的生長(zhǎng)速率(見圖1)。
因此,在完全混合反應(yīng)器中通過(guò)控制溫度和停留時(shí)間,可以將硝化菌從反應(yīng)器中沖洗出去(wash out),使反應(yīng)器中亞硝化菌占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),從而使氨氧化控制在亞硝化階段。同時(shí)通過(guò)間歇曝氣,可以達(dá)到反硝化的目的。
2 ANAMMOX工藝?
1990年,荷蘭Delft技術(shù)大學(xué)Kluyver生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出ANAMMOX工藝(ANaero bic AMMonium OXidation)[7],即在厭氧條件下,以NO3-為電子受體,將氨轉(zhuǎn)化為N2。最近研究表明,NO2-是一個(gè)關(guān)鍵的電子受體。由于該菌是自養(yǎng)菌,因此不需要添加有機(jī)物來(lái)維持反硝化。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn):厭氧反應(yīng)器中NH4+濃度的降低與NO3-的去除存在一定的比例關(guān)系。發(fā)生的反應(yīng)可假定為:
5NH4++3NO3-→4N2+9H2O+2H+
ΔG=-297kJ/molNH4+
最近研究表明,NO2-也可作為電子受體進(jìn)行如下反應(yīng):
NH4++NO2-→N2+2H2O
ΔG=-358kJ/molNH4+
根據(jù)化學(xué)熱力學(xué)理論,上述反應(yīng)的ΔG<0,說(shuō)明反應(yīng)可自發(fā)進(jìn)行,厭氧NH4+氧化過(guò)程 的總反應(yīng)是一個(gè)產(chǎn)生能量的反應(yīng)。從理論上講,可以提供能量供微生物生長(zhǎng)。因此,可以假定厭氧反應(yīng)器中存在微生物,它可利用氨作為電子供體還原硝酸鹽,或者說(shuō)它可利用硝酸鹽 作為電子受體來(lái)氧化氨。
ANAMMOX工藝的可能途徑如圖2所示[8]。
NH4+的厭氧氧化途徑及反應(yīng)自由能變化總結(jié)于表2。?
3 De?ammonification工藝 ?
Hippen等人[9]報(bào)道了一個(gè)適用于處理高濃度含氮廢水的新工藝。該工藝中,氨轉(zhuǎn)化為氮?dú)獾倪^(guò)程不需要按化學(xué)計(jì)量式消耗電子供體,這種特殊的轉(zhuǎn)化過(guò)程命名為“aerobic de?ammonification”(好氧反氨化)工藝。該工藝中涉及到的微生物目前尚不太清楚。工藝的關(guān)鍵是控制供氧。Muller等人[10]也報(bào)道過(guò)自養(yǎng)硝化污泥在非常低的氧壓力下(1kPa或氣相中約2.0%O2)可以產(chǎn)生氮?dú)?。?dāng)溶解氧壓力在0.3kPa時(shí),氨的最大氧化率達(dá)58%。然而,該過(guò)程還未實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定和可行的工藝設(shè)計(jì)。Binswanger等人[11]報(bào)道過(guò)利用生物轉(zhuǎn)盤反應(yīng)器通過(guò)硝化—反硝化工藝去除高濃度NH4+廢水中的氨。結(jié)果表明:當(dāng)表面負(fù)荷為2.5gN/(m2·d)時(shí),去除速率達(dá)90~250gN/(m2·d)。在整個(gè)過(guò)程中,不需要添加任何可生物降解的有機(jī)碳化合物。反應(yīng)機(jī)理可假定為:反應(yīng)過(guò)程中生成的NO2-被NAD+還原。如圖3所示。
4 OLAND工藝?
該工藝稱為Oxygen Limited Autotrophic Nitrification Denitrification(氧限制自養(yǎng)硝化反硝化),簡(jiǎn)稱OLAND工藝,由比利時(shí)Gent微生物生態(tài)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)。該工藝的關(guān)鍵是控制溶解氧,使硝化過(guò)程僅進(jìn)行到NH4+氧化為NO2-階段,由于缺乏電子受體,由NH4+氧化產(chǎn)生的NO2-氧化未反應(yīng)的NH4+形成N2。該反應(yīng)機(jī)理為由亞硝化菌(Nitrosomonas)催化的NO2-的歧化反應(yīng)。該工藝涉及到的化學(xué)反應(yīng),反應(yīng)自由能及其與傳統(tǒng)工藝的比較總結(jié)如表3所示。
(kJ/molN) △G
(kJ/mol反應(yīng)) 傳統(tǒng)的硝化—反硝化工藝: NH4++2O2→NO3-+H2O+2H+ -349.3 -349.3 NO3-+H++0.83CH3OH→0.5N2+2.17H2O+0.83CO2 -546.1 -546.1 NH4++2O2+0.83CH3OH→0.5N2+3.17H2O+H++0.83CO2 -895.4 -895.4 ILAND工藝: 0.5NH4++0.75O2→0.5NO2-+0.5H2O+H+ -217 -135.5 0.5NH4-+0.5NO2-→0.5N2+H2O -358.8 -179.4 NH4-+0.75O2→0.5N2+1.5H2+1.5H2O+H- -316 -316 與傳統(tǒng)工藝比較,OLAND工藝可節(jié)?。? O2 62.5% 堿度 0% 電子供體 100%
5 結(jié)語(yǔ)
上述工藝如ANAMMOX、OLAND等,其基本原理為氨的氧化與NO2-的還原相偶聯(lián),從理論上講并不新穎。早在1972年Ritchie等人就已經(jīng)從他們的研究中得出結(jié)論:認(rèn)為脫氮中間產(chǎn)物N2O既可以由氨和羥氨在好氧條件下產(chǎn)生,也可以由NO2-在好氧或厭氧條件下還原產(chǎn)生。眾多研究表明:硝化過(guò)程中氮氧化物的產(chǎn)生隨氧濃度的降低而增加。Poth等人從一系列15N同位素示蹤實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):亞硝化菌(Nitrosomonas europaea)可利用NO2-作為終端電子受體進(jìn)行反硝化,導(dǎo)致氮氧化物的產(chǎn)生。而上述工藝的新穎之處在于利用這些生化原理開發(fā)出了實(shí)用可行的生物脫氮新工藝。
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電 話:(010)62785684?
傳 真:(010)62771472?
E-mail : wangjl@tsinghua.edu.cn?
收稿日期: 1999-09-17
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