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?dú)鈴乃幸莩?，從而?shí)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

2、用 NO2- 有機(jī)氮通過酶和微生物作 用下釋放氨的過程 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?dú)?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(gè)階段。由于硝化菌和反硝化菌對(duì) 環(huán)境條件要求不同，硝化

3、和反硝化反應(yīng)往往分開進(jìn)行。由此形成分級(jí)硝化、反硝 化工藝。 硝化過程：O2為電子供體 NH4+ 1.5 O2NO2- + 2H+ + 2H2O NO2- + 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+ + 4H2O 2 NO2- + 6H+ + 6e-N2 + 2OH+ + 4H2O 2、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

4、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(jí)生物脫氮工藝：將含碳有機(jī)物的去除和氨化、硝化及反硝化 在三個(gè)池中獨(dú)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(jí)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(shí)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

5、氣池，費(fèi)用高。 3、需進(jìn)行污泥和硝化液回流，動(dòng)力成本高。 4、系統(tǒng)抗沖擊能力弱，高濃度NH3-N和NO2-會(huì)抑制硝化菌生長。 5、硝化過程產(chǎn)酸，需投加堿中和。 近年來，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(shí)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(shí)，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（ANAMM

6、OX） 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 reactor 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NO

7、2N。 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(shí)： 亞硝化菌群的世代時(shí)間比硝化菌群世代時(shí)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(duì)NH4+要求高時(shí)，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

8、： 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-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

9、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，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(shí)不會(huì)受到抑制。但在100mg

10、/L 的NO2-條件下， 厭氧氨氧化過程會(huì)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(jì)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），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

11、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(shí)去除的一 種方法 。

12、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： 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(shí)，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

13、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(gè)脫氮 過程中也不需要通風(fēng)曝氣，節(jié)約能耗。相對(duì)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?dú)獾倪^程不需要按化學(xué)計(jì)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(bào)道利用生物轉(zhuǎn)盤反應(yīng)器，通過硝化-反硝化工藝去除

14、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(shí)，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?？偟膩碚f， De-ammonification工藝目前還不成熟，尚未實(shí)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 Nitrosomonas ,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

15、 N2O。 3、生物纖維膜反應(yīng)器 把膜技術(shù)優(yōu)點(diǎn)（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(diǎn)（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(shí)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。 可作為含有機(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(dòng)。 把脫氮菌作為生物膜固定在一炭