新型生物脫氮技術(shù)

1、新型生物脫氮技術(shù)新型生物脫氮技術(shù)環(huán)境生物技術(shù)新型生物脫氮技術(shù)新型生物脫氮技術(shù)一、傳統(tǒng)生物脫氮簡介1、脫氮原理2、傳統(tǒng)脫氮工藝二、新型生物脫氮技術(shù)1、半硝化工藝（SHARON）2、厭氧氨氧化工藝（ANAMMOX）3、半硝化-厭氧氨氧化工藝（ SHARON ANAMMOX）4、生物膜內(nèi)自養(yǎng)脫氮工藝 （ CANON）5、總結(jié)三、其他生物脫氮新技術(shù)簡介一、傳統(tǒng)生物脫氮簡介將廢水中的有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為氨氮，通過硝化作用將氨氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，再通過反硝化作用將硝態(tài)氮還原為氮氣從水中逸出，從而實現(xiàn)生物脫氮的目的。有機(jī)氮NH4+NO2-NO3-N2好氧或厭氧氨化作用硝化作用反硝化作用NO2-有機(jī)氮通過酶和微生物作用下

2、釋放氨的過程微生物將氨氧化成亞硝酸鹽，進(jìn)一步氧化成硝酸鹽硝態(tài)氮在反硝化細(xì)菌作用下還原成氮氣細(xì)菌霉菌亞硝化菌硝化菌反硝化菌異養(yǎng)微生物：芽孢桿菌、節(jié)桿菌、木霉、曲霉、青霉等以HCO3-為碳源，自養(yǎng)；硝化反應(yīng)消耗堿度，pH下降；耗氧4.2g/g（ NH4+- NO3-）。O2作為電子供體。異養(yǎng)兼性厭氧細(xì)菌，缺氧條件下反應(yīng)；有機(jī)物作為電子供體，硝酸鹽（亞硝酸鹽）作為電子受體。氨化作用硝化作用反硝化作用微生物1、脫氮原理傳統(tǒng)的氨氮生物脫氮途徑包括硝化和反硝化兩個階段。由于硝化菌和反硝化菌對環(huán)境條件要求不同，硝化和反硝化反應(yīng)往往分開進(jìn)行。由此形成分級硝化、反硝化工藝。硝化過程：O2為電子供體NH4+ 1.

3、5 O2NO2- + 2H+ + 2H2ONO2- + 0.5 O2NO3-反硝化過程：有機(jī)物（甲醇、乙醇、乙酸等）為電子供體2 NO3- + 10H+ + 10e-N2 + 2OH+ + 4H2O2 NO2- + 6H+ + 6e-N2 + 2OH+ + 4H2O2、傳統(tǒng)脫氮工藝1932年，Wuhrmann利用內(nèi)源反硝化建立了后置反硝化工藝。1962年，Ludzack和Ettinger提出前置反硝化工藝。1973年，Barnard結(jié)合前兩種工藝提出A/O工藝。后來出現(xiàn)的各種改進(jìn)工藝，Bardenpho、A/A/O等等以下是兩種傳統(tǒng)生物脫氮工藝：a 、傳統(tǒng)三級生物脫氮工藝：將含碳有機(jī)物的去除和

4、氨化、硝化及反硝化在三個池中獨立進(jìn)行。曝氣池沉淀池硝化池二沉池反硝化池終沉池甲醇污泥回流污泥回流污泥回流進(jìn)水出水b 、A/O工藝：前置反硝化，單級活性污泥脫氮工藝。廢水經(jīng)缺氧池，再經(jīng)過好氧池，并將好氧池出水和沉淀池污泥回流至厭氧池。缺氧池好氧池沉淀池進(jìn)水出水回流污泥回流二、新型生物脫氮技術(shù)傳統(tǒng)的生物脫氮工藝存在著不少問題：1、工藝流程長，占地面積大（傳統(tǒng)工藝認(rèn)為硝化、反硝化不能同時進(jìn)行）。2、硝化菌群繁殖速度慢，且難以維持較高濃度，需要較大曝氣池，費用高。3、需進(jìn)行污泥和硝化液回流，動力成本高。4、系統(tǒng)抗沖擊能力弱，高濃度NH3-N和NO2-會抑制硝化菌生長。5、硝化過程產(chǎn)酸，需投加堿中和。近

5、年來，許多研究表明：硝化反應(yīng)不僅由自養(yǎng)菌完成，某些異養(yǎng)菌也可以進(jìn)行硝化作用；反硝化不只在厭氧條件下進(jìn)行，某些細(xì)菌也可以在好氧條件下進(jìn)行；許多好氧反硝化菌同時也是異養(yǎng)硝化菌（Thiosphaera pantotropha），能把NH4+氧化成NO2-后直接進(jìn)行反硝化。生物脫氮技術(shù)的發(fā)展，突破了傳統(tǒng)理論的認(rèn)識，產(chǎn)生了一些新型生物脫氮技術(shù)。下面幾種主要的新型脫氮工藝1、半硝化工藝（SHARON）2、厭氧氨氧化工藝（ANAMMOX）3、半硝化-厭氧氨氧化工藝（ SHARON ANAMMOX）4、生物膜內(nèi)自養(yǎng)脫氮工藝 （ CANON）1、半硝化工藝（SHARON）SHARON（single reacto

6、r system for high ammonia removal over nitrite)是由荷蘭的Delft大學(xué)開發(fā)的一種新型生物脫氮工藝 。 該工藝可以采用CSTR（連續(xù)攪拌反應(yīng)器），適用NH4+-N濃度（0.5gN/L)較高的廢水生物脫氮,反應(yīng)常在3035內(nèi)進(jìn)行。氨氮的氧化是酸化的過程，因此水體的pH是影響硝化反應(yīng)的重要因子。在堿度足夠的條件下，廢水中50%的NH4+-N被亞硝化細(xì)菌氧化為NO2N。NH4+ + HCO3- + 0.75 O20.5NH4+ + 0.5NO2- + CO2 + 1.5H2O半硝化工藝除了要有足夠的HCO3-堿度外，還要求較高的溫度。當(dāng)溫度高于25時：亞

7、硝化菌群的世代時間比硝化菌群世代時間短。為使硝化反應(yīng)停留在亞硝化階段，可以控制泥齡將硝化菌群清洗出反應(yīng)器，留下亞硝化菌群。出水對NH4+要求高時，可在缺氧條件下，用有機(jī)物作為電子供體，將亞硝酸鹽反硝化成N2脫去。半硝化工藝的硝化、反硝化代謝過程如下：1-4是NH4+的硝化階段：包括亞硝化階段， NH4+經(jīng)氧化形成羥胺（NH2OH），再 經(jīng)過2、3、4氧化成NO3-.5-8是反硝化階段： NO3-經(jīng)過反硝化細(xì)菌作用最終轉(zhuǎn)化成N2。2、厭氧氨氧化工藝（ANAMMOX）是有荷蘭Delft 大學(xué)在20世紀(jì)90年代開發(fā)的一種新型脫氮工藝。指在厭氧條件下，微生物直接以NH4+為電子供體，以NO3-或NO2

8、-為電子受體，將NH4+、 NO3-或NO2-轉(zhuǎn)變成N2的生物氧化過程。早在1977年，Broda就做出了自然界應(yīng)該存在反硝化氨氧化菌（denitrifying ammonia oxidizers）的預(yù)言。1994年Kuenen發(fā)現(xiàn)某些細(xì)菌在硝化、反硝化中利用NO2-或NO3-作電子受體，將NH4+氧化成N2和氣態(tài)氮化物。1995年Mulder等發(fā)現(xiàn)了氨氮的厭氧生物氧化現(xiàn)象。Straous M.等用生物固定床和流化床反應(yīng)器研究了厭氧氨氧化污泥，表明氨氮和硝態(tài)氮去除率分別高達(dá)82%和99%。進(jìn)一步的研究揭示：在缺氧條件下，氨氧化菌可以利用NH4+或NH2OH作為電子供體將NO3-或NO2-還原，

9、NH2OH、NH2NH2、NO和N2O等為重要的中間產(chǎn)物。氨氧化菌在厭氧條件下，利用CO2作碳源，無需外加有機(jī)碳源、無需供氧，以NH4+作電子供體，NO3-或NO2-為電子受體，將水體中的氮轉(zhuǎn)變成N2。發(fā)生的反應(yīng)為：該工藝可將NH3-N 從1100mg/L降到560mg/L。在NH3-N和NO3- 濃度為1000mg/L時不會受到抑制。但在100mg/L 的NO2-條件下，厭氧氨氧化過程會受到抑制。厭氧氨氧化過程是在自養(yǎng)菌作用下完成，這種自養(yǎng)菌生成速度慢，泥齡長，但產(chǎn)生的剩余污泥量較少。厭氧氨氧化的化學(xué)計量方程式：厭氧氨氧化的代謝途徑：1：NH4+與羥胺氧化成聯(lián)胺，聯(lián)胺經(jīng)過兩次脫氫氧化（2、3

10、），最終生成N2。生成的聯(lián)胺與NO2-反應(yīng)生成羥胺。 3、半硝化-厭氧氨氧化工藝（ SHARON ANAMMOX）將前面兩種工藝聯(lián)合起來，在反應(yīng)系統(tǒng)中，進(jìn)水總NH4+的50%在半硝化反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生如下反應(yīng)：半硝化反應(yīng)器的出水（含有NH4+和NO2-）作為厭氧氨氧化反應(yīng)器的進(jìn)水。在厭氧氨氧化反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生厭氧反應(yīng)，有95%的氮轉(zhuǎn)變成 N2，另外，還有少量的NO3-隨出水排出。半硝化-厭氧氨氧化工藝適合處理高濃度NH4+-N廢水和有機(jī)碳含量低的高NH4+-N濃度工業(yè)廢水。出水NH4+-N 可達(dá)到6.7mg/L、TN為24mg/L。較之傳統(tǒng)的硝化-反硝化工藝，該工藝耗氧量由4.6kg O2 /kg N2

11、降到1.9 kg O2 /kg N2，降低了耗氧60%，且不需要添加碳源。產(chǎn)生的剩余污泥量很少。SHARON 工藝可采用完全混合式好氧連續(xù)反應(yīng)器；ANAMMOX 工藝可采用生物膜法和生物流化床。4、生物膜內(nèi)自養(yǎng)脫氮工藝 （ CANON）在限氧的條件下，利用完全自養(yǎng)性微生物將氨氮和亞硝酸鹽同時去除的一種方法 。該工藝可用以低有機(jī)物濃度的廢水生物脫氮，可以采用單一反應(yīng)器或生物膜反應(yīng)器。反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行部分硝化和氨的厭氧氧化。在限氧條件下，系統(tǒng)中有兩類自養(yǎng)微生物：好氧硝化細(xì)菌和厭氧氨氧化細(xì)菌。自養(yǎng)菌經(jīng)過NO2-中間體直接將NH4+轉(zhuǎn)變?yōu)镹2。在限氧條件下，好氧硝化細(xì)菌將NH4+氧化成 NO2-。反應(yīng)如下

12、：然后，厭氧氨氧化細(xì)菌將NH4+和NO2-轉(zhuǎn)變成N2和少量的NO3-。反應(yīng)如下：總的脫氮反應(yīng)式為：從上面反應(yīng)式中看出，大部分的N都轉(zhuǎn)變成N2，也有少量的N轉(zhuǎn)變?yōu)镹O3-。當(dāng)反應(yīng)器里的溶解氧（DO）濃度達(dá)到0.5mg/L時，氨化作用不受影響，但亞硝化作用受到強(qiáng)烈抑制。生物膜內(nèi)自養(yǎng)脫氮工藝適用于污水生物脫氮尤其是低有機(jī)物高氮廢水。由于該工藝過程微生物是完全自養(yǎng)的，所以不需要外加碳源。另外，在整個脫氮過程中也不需要通風(fēng)曝氣，節(jié)約能耗。相對于傳統(tǒng)脫氮工藝，該工藝的耗氧量降低63%。5、總結(jié)：新型脫氮工藝與傳統(tǒng)脫氮工藝比較三、其他生物脫氮新技術(shù)簡介1、De-ammonification（反氨化)工藝一種

13、適用于處理高濃度含氮廢水的新工藝。通過控制供氧，使該工藝中氨轉(zhuǎn)化為氮氣的過程不需要按化學(xué)計量式來消耗電子供體。這一過程被稱為好氧反氨化工藝（aerobic de-ammonification）。Binswangrer等報道利用生物轉(zhuǎn)盤反應(yīng)器，通過硝化-反硝化工藝去除高濃度NH4+廢水中的氮，結(jié)果表明：當(dāng)表面負(fù)荷率為2.05gN/(m2.d)時，去除速率達(dá)90250gN/(m2.d)。不需添加任何可生物降解的有機(jī)碳化合物。總的來說， De-ammonification工藝目前還不成熟，尚未實現(xiàn)可行的工程應(yīng)用。1、De-ammonification（反氨化)工藝2、固定化催化氧化技術(shù)將 Nitro

14、somonas ,Nitrosospira,Nitrosococcus和Nitrosolobus 等亞硝化細(xì)菌混合固定在一起。選擇合適的無機(jī)催化劑（如含鐵化合物）。廢水中的NH4+ 首先被微生物氧化成NO2-、NO3-, 再在無機(jī)催化劑下分解為N2和N2O。3、生物纖維膜反應(yīng)器把膜技術(shù)優(yōu)點（從污水中截留和分離微生物）和細(xì)胞固定化技術(shù)優(yōu)點（高濃度微生物、傳質(zhì)比表面積大）結(jié)合起來。反映器中膜不僅具有生物降解功能，同時還具有分離功能。如PSB（permeable support biofilm），生物膜附著在滲透性纖維膜載體上，氧氣滲透進(jìn)入生物膜。生物膜中微生物自然分層，碳氧化、硝化和反硝化在生物膜的不同部位進(jìn)行。微生物間無干擾，避免微生物間競爭和抑制作用。4、臭氧濕式氧化一種處理含氨氮廢水比較有效的技術(shù)。堿性條件下，通過O3的濕式氧化過程產(chǎn)生一些氧化能力很強(qiáng)的OH自由基，氧化水中氨氮?？勺鳛楹袡C(jī)物又含無機(jī)污染物廢水的預(yù)處理；也可作為廢水深度處理后處理進(jìn)一步降解廢水中污染物。5、生物電極脫氮技術(shù)生物法和電化學(xué)結(jié)合起來的一種處理硝酸態(tài)氮污染水的生物電極法。污水中的硝酸態(tài)氮在生物和電化學(xué)雙重作用下降解，而微電流又可以刺激微生物代謝活動。把脫氮菌作為生物膜固定在一炭