还含有大量的氮( NO3 ) 和磷
厌氧反应器中 NH 3 -N 减少的现象 , 这些现象 的发现为水处理工作者设计处理工艺提供了新的理 论和思路 。 1 SHARON 工艺 SHARON 工艺 ( Single react or for Hig h activity Am mo nia Removal Over Ni trite) 是由荷兰 Delf t 技术 大学开发的脱氮新工 艺
+ - + [ 7] -
如果将硝化过程控制在亚硝化阶段 , 实现简捷 硝化 —反硝化 , 则该工艺还具有下述优点 : ① 可节省反硝化过程需要的外加碳源 , 以甲醇 为例 , NO2 反硝化比 NO3 反硝化可节省碳源 40 %; ② 可减少供气量 25 %左右 , 节省动力消耗 。 然而 , 将硝化阶段控制在亚硝化阶段的成功报 道并不多见 。 这是因为 , 硝化菌 ( Nit robacter ) 能够 迅速地将亚硝酸盐转化为硝酸盐 。 SHARON 工艺 的成功在于 : 巧 妙地应用了硝化菌 ( Nit robacter ) 和 亚硝化 菌( Nit rosomonas) 的不同 生长速率 , 即在 较 高温度下 , 硝化菌的生长速率明显低于亚硝化菌的 生长速率( 见图 1) 。
图 1 硝化菌 、亚硝 在完全混合反应器中通过控制温度和停 留时间 , 可以将硝 化菌从反应器中冲洗出 去( wash out) , 使反应器中亚硝化菌占绝对优势 , 从而使氨氧 化控制在亚硝化阶段 。 同时通过间歇曝气 , 可以达
反应序号 1 2 3 4 5 反应方 程式
表 1 亚硝化菌和硝化菌的特征 项 目 亚硝化菌 硝化菌 细胞形状 椭球或棒状 椭球或棒状 细胞尺寸( μ m) 1. 0 ×1 . 5 0. 5 ×1 . 0 革兰氏染色 阴性 阴性 世代周 期( h) 8 ～ 36 12 ～ 59 自养性 专性 专性 需氧性 严格好氧 严格好氧 最大比生长速率 μ h -1) m( 0. 04 ～ 0 . 08 0 . 02 ～ 0 . 06 04 ～ 0 . 13 0 . 02 ～ 0 . 07 产率系数 Y ( mg 细胞/ mg 基质) 0 . 0. 6 ～ 3. 6 0. 3～ 1 . 7 饱和常数 K S( mg/ L)
De-ammonification 工艺 3
Hippen 等人[ 9] 报道了一个 适用于处理高 浓度 含氮废水的新工艺 。 该工艺中 , 氨转化为氮气的过 程不需要按化学计量式消耗电子供体 , 这种特殊的 转化过程 命名为 `aerobic de-ammonificat ion ' ( 好氧 反氨化) 工艺 。 该工艺中涉及到的微生物目前尚不 太清楚 。 工艺的关键是控 制供氧 。 M uller 等人[ 10] 也报道过自养硝化污泥在非常低的氧压力下( 1 kP a 或气相中约 2 . 0 %O2 ) 可以产生氮气 。 当溶解氧压 力在 0 . 3 kPa 时 , 氨的最大氧化率达 58 %。 然而 , 该 过程还未实现稳定和可行的工艺设计 。 Binsw anger 等人[ 11] 报道过利用生物转盘反应器通过硝化 — 反 硝化工艺去除高浓度 NH 4 废水中的氨 。 结果表明 : 当表面负荷为 2 . 5 gN /( m 2·d) 时 , 去除速率达 90 ～ 250 gN/( m ·d) 。 在 整个过程中 , 不需要添 加任何 可生物降解的有机碳化合物 。 反应机理可假定为 :
中国给水排水 2000 Vol . 16 CHINA WAT ER & WAS T EWAT ER No . 2
生物脱氮新工艺及其技术原理
王建龙
( 清华大学 环境科学与工程系 , 北京 100084)
摘 要: 介绍了生物脱氮领域最近开发的若干新工艺 , 为水处理工艺设计提供了新的理论和 思路 。 关键词 : 生物脱氮 ; 新工艺 ; 技术原理 中图分类号 : X703 文献标识码 : B 文章编号 :1000 4602( 2000) 02 -0025 04 由于常规的活性污泥工艺过程中硝化作用不完 全 , 反硝化作用则几乎不发生 , 总氮 ( TKN ) 的去除 率仅在 10 %～ 30 %之间 。 因此 , 对于城市污水 、含 氮工业废水 , 若采用常规的活性污泥法处理 , 出水中
N O3 +H 2O +2H + + NO3 +H +0 . 83CH 3OH 0. 5N 2 +2 . 17H 2O +0 . 83CO2 + NH 4 +2O2 +0 . 83CH3 OH 0. 5N2 +3 . 17H 2O +H + +0 . 83CO2
O LA ND 工艺 :
[ 6]
[ 2 ～ 5]
, 引起受纳水体富营养
2
化 。 这就促使人们对传统的活性污泥工艺流程进行 改造 , 以提高 N 、 P 的去除效果 , 如 A/O 法 、A /O 法 等工艺 。 这些工艺在废水脱氮除磷方面起到了一定 的作用 , 但仍存在以下问题 : ① 硝化菌群增殖速度慢且难以维持较高生物 浓度 , 特别是在低温冬季 。 因此造成系统总水力停 留时间较长 , 有机负荷较低 , 增加了基建投资和运行 费用 ; ② 系统为维持较高生物浓度及获得良好的脱 氮效果 , 必须同时进行污泥回流和硝化液回流 , 增加 了动力消耗及运行费用 ; ③ 抗冲击能力弱 , 高浓度氨氮和亚硝酸盐进 水会抑制硝化菌生长 ; ④ 为中和硝化过程产生的酸度 , 需要加碱中 和 , 增加了处理费用 。 最近的一些研究表明 : 生物脱氮过程中出现了 一些超出人们传统认识的新现象 , 如硝化过程不仅 由自养菌完成 , 异 养菌也可以参 与硝化作用
+ 0 . 5NH 4 +0 . 75O 2
+ 0 . 5NH 4 +0 . 5N O2 0. 5N 2 +H 2O + NH 4 +0 . 75O2 0. 5N2 +1 . 5H 2O +H +
0. 5N O2 +0 . 5H2 O +H +
与传统工艺比较 , O LAN D 工艺可节省 : O2 碱度 电子供体
-297 -358 -310 -435 -316
+ 2NH 4 +2O2 +H 2 N 2 +4H2 O +2H + + 8NH 4 +6O2 4N2 +12H2 O +8H +
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2000 Vol . 16 中国给水排水 No . 2
+ CO 2 HCO 3 和 CO 2 作碳源 , 从 NH 3 、 NH 4 或 NO2 3 、 -
的氧化反应中获得能量 , 两步反应均需在有氧条件 下进行 。 生成的 NO 3 由反硝化菌在缺氧条件下还 原成 N2 或氮氧化物 。 亚硝化菌和硝化菌的特征总结如表 1 。 SHARON 工艺具有以下特点 : ① 硝化与反硝化两个阶段在同一反应器中完 成 , 可以简化工艺流程 ; ② 硝化产生的酸度可部分地由反硝化产生的 碱度中和 ; ③ 可以缩短水力停留时间( HRT) , 减小反应
反应过程中生成的 NO2 被 NAD +还原 。 如图 3 所 3 +
图 3 氨转化为 N O2 和 N 2 的可能途径
4 OLAND 工艺 该工艺称为 Oxy gen Limited Autot rophic Ni trification Deni trif ication( 氧限制自养硝化反硝化 ) ,简 称 OLAND 工艺 , 由比利时 Gent 微生物生态实验室 开发 。 该工艺的关键是控制溶解氧 , 使硝化过程仅 + 进行到 NH 4 氧化为 NO2 阶段 , 由于缺乏电子受体 , 由 NH 4 氧化产生的 NO 2 氧化未反应的 NH 4 形成 N 2 。 该反应机理为由亚硝化菌( Nit rosomonas) 催化
4N 2 +9H 2O +2H
+
+ ΔG =297 kJ/ molNH 4 最近研究表明 , NO 2 也可作为电子受体进行如
下反应 :
+ NH 4 + NO2
N 2 +2H 2 O
+ ΔG =358 kJ/ molNH 4
根据化学热力学理论 , 上述反应的 ΔG <0 , 说 + 明反应可自发进行 , 厌氧 NH 4 氧化过程的总反应 是一个产生能量的反应 。 从理论上讲 , 可以提供能 量供微生物生长 。 因此 , 可以假定厌氧反应器中存 在微生物 , 它可利用氨作为电子供体还原硝酸盐 , 或 者说它可利用硝酸盐作为电子受体来氧化氨 。 ANAM MOX 工艺的可能途径如图 2 所示[ 8] 。
结语 5 上述工艺如 ANAMMOX 、OLAND 等 , 其基 本 原理为氨的氧化与 NO 2 的还原相偶联 , 从理论上 讲并不新颖 。 早在 1972 年 Ritchie 等人就已经从他 们的研究中得出结论 : 认为脱氮中间产物 N 2 O 既可
以由氨和羟氨在 好氧条件下 产生 , 也可以由
+ 5N H 4 +3NO3
图 2 A N A MM OX 工艺的可能途径
+ NH 4 的厌氧氧化 途径及反应自由能变化总结
于表 2 。
+ ΔG( kJ/ molNH 4 )
+ 表 2 NH4 的氧化途径 及反应自由能
+ NH 4 +N O2 + 10NH 4 +2NO 3 +5O 2
4N2 +9H 2O +2H + N 2 +2H2 O 6N 2 +16H 2O +8H +
-
; 某
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