高濃度氨氮廢水-高效生物脫氮途徑

1、高濃度氨氮廢水-高效生物脫氮途徑            摘要：回顧了傳統(tǒng)生物脫氮的一般原理，介紹了亞硝酸鹽硝化/反硝化、同時硝化/反硝化、好氧反硝化和厭氧氨氧化等提高生物脫氮效率的可能途徑，并分析了他們各自的原理、實現(xiàn)條件和應(yīng)用前景。 關(guān)鍵詞：氨氮 生物脫氮 好氧反硝化 厭氧氨氧化  垃圾填埋場的滲濾液屬高濃度氨氮廢水，后期滲濾液的氨氮濃度達(dá)2000mg/L以上，如利用生物法脫氮，反硝化需7500mg/L以上的碳源，而滲濾液本身所能提供的碳源明顯不足，外加碳源則會增

2、加處理成本。因此，研究高效脫氮工藝具有重要意義。近些年來在生物脫氮理論方面有了許多進(jìn)展，亞硝酸鹽硝化反硝化受到重視，發(fā)現(xiàn)了厭氧氨氧化和好氧反硝化微生物的生物化學(xué)作用，從而為高濃度氨氮廢水的高效生物脫氮提供了可能的途徑。 1傳統(tǒng)生物脫氮原理 硝化反應(yīng)是由一類自養(yǎng)好氧微生物完成的，它包括兩個步驟：第一步稱為亞硝化過程，是由亞硝酸菌將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽，亞硝酸菌中有亞硝酸單胞菌屬、亞硝酸螺桿菌屬和硝化球菌屬；第二步稱為硝化過程，由硝酸菌(包括硝酸桿菌屬、螺菌屬和球菌屬)將亞硝酸鹽進(jìn)一步氧化為硝酸鹽。亞硝酸菌和硝酸菌統(tǒng)稱為硝化菌，都利用無機(jī)碳化合物如CO32-、HCO3-和CO2作為碳源，從NH3、N

3、H4+或NO2-的氧化反應(yīng)中獲取能量。亞硝酸菌和硝酸菌的特性大致相似，但前者的世代期較短，生長率較快，因此較能適應(yīng)沖擊負(fù)荷和不利的環(huán)境條件；當(dāng)硝酸菌受到抑制時，有可能出現(xiàn)NO-2積累的情況。反硝化反應(yīng)是由一群異養(yǎng)型微生物完成的，它的主要作用是將硝酸鹽或亞硝酸鹽還原成氣態(tài)氮或N2O，反應(yīng)在無分子態(tài)氧的條件下進(jìn)行。反硝化細(xì)菌在自然界很普遍，多數(shù)是兼性的，在溶解氧濃度極低的環(huán)境中可利用硝酸鹽中的氧作為電子受體，有機(jī)物則作為碳源及電子供體提供能量并被氧化穩(wěn)定。 由于從反硝化獲得的能量低于氧氣還原所獲取的能量，所以反硝化被認(rèn)為僅在缺氧條件下發(fā)生。 從NH4+至NO2-的轉(zhuǎn)化，經(jīng)歷了3個步驟、6個電子的轉(zhuǎn)

4、移，可見亞硝酸菌的酶系統(tǒng)十分復(fù)雜，而硝化過程則相對簡單些，只經(jīng)歷了一步反應(yīng)、2個電子的變化。因此也有人認(rèn)為，亞硝酸菌往往比硝酸菌更易受到抑制。 反硝化反應(yīng)一般以有機(jī)物為碳源和電子供體。當(dāng)環(huán)境中缺乏有機(jī)物時，無機(jī)物如氫、Na2S等也可作為反硝化反應(yīng)的電子供體，微生物還可以消耗自身的原生質(zhì)進(jìn)行所謂的內(nèi)源反硝化。 C5H7O2N+4NO3-5CO2+NH3+2N2+ 4OH- 可見內(nèi)源反硝化的結(jié)果是細(xì)胞物質(zhì)的減少，并會有NH3的生成，因此廢水處理中均不希望此種反應(yīng)占主導(dǎo)地位，而應(yīng)提供必要的碳源。 硝化和反硝化反應(yīng)的進(jìn)行是受到一定制約的，一方面，自養(yǎng)硝化菌在大量有機(jī)物存在的條件下，對氧氣和營養(yǎng)物的競爭

5、不如好氧異養(yǎng)菌，從而導(dǎo)致異養(yǎng)菌占優(yōu)勢；另一方面，反硝化需要提供適當(dāng)?shù)碾娮庸w，通常為有機(jī)物。上述硝化菌和反硝化菌的不同要求導(dǎo)致了生物脫氮反應(yīng)器的不同組合，如硝化與反硝化由同一污泥完成的單一污泥工藝和由不同污泥完成的雙污泥工藝。前者通過交替的好氧區(qū)與厭氧區(qū)來實現(xiàn)，后者則通過使用分離的硝化和反硝化反應(yīng)器來完成。如果硝化在后，需要將硝化廢水進(jìn)行回流；如果硝化在前，需要外加電子供體，這就是傳統(tǒng)脫氮工藝存在的問題和困難所在。 這種兩難處境在氨氮濃度低的城市污水處理中表現(xiàn)得還不很明顯，在高濃度氨氮廢水生物脫氮處理中則表現(xiàn)得很突出。近些年來，人們試圖從各個方面突破生物脫氮的困境，如開發(fā)亞硝酸硝化/反硝化脫氮

6、工藝；與傳統(tǒng)生物脫氮理論相反的一些生物過程被發(fā)現(xiàn)，例如發(fā)現(xiàn)了氨與亞硝酸鹽/硝酸鹽在缺氧條件下被同時轉(zhuǎn)化為氮氣的生物化學(xué)過程，這一過程被稱為厭氧氨氧化(Anammox)；好氧反硝化和異養(yǎng)硝化作用也被發(fā)現(xiàn)，好氧反硝化往往與異養(yǎng)硝化同時發(fā)生；在有氧條件下能夠反硝化的細(xì)菌也被分離出來，其中有異養(yǎng)菌(Thiosphaera pantotropha和Alcaligenes sp)及自養(yǎng)硝化菌。 2亞硝酸硝化/反硝化工藝 在硝化反應(yīng)中，一般認(rèn)為硝酸鹽是反應(yīng)的主產(chǎn)物，而從氨向亞硝酸鹽的轉(zhuǎn)化一般認(rèn)為是硝化過程(Nitrification)的速度控制步驟，但是出現(xiàn)亞硝酸鹽積累的報道也很多。 人們認(rèn)為，出現(xiàn)亞硝酸積

7、累是有害的。為了減少亞硝酸的積累，許多研究人員進(jìn)行了控制其積累的工藝條件的研究工作，并得到了有關(guān)自由氨可抑制亞硝酸積累的結(jié)論，其結(jié)果也得到了證實并被廣泛接受。隨后，開始把注意力放在通過亞硝酸硝化反硝化縮短脫氮過程上，這種工藝的潛在優(yōu)勢在于：節(jié)省25%的硝化曝氣量。節(jié)省40%的反硝化碳源。節(jié)省50%的反硝化反應(yīng)器容積。 這些對于高濃度氨氮廢水的脫氮處理具有非常大的經(jīng)濟(jì)效益，特別是對于諸如垃圾滲濾液等碳源不足的廢水更是如此。 在硝化系統(tǒng)中，與亞硝酸積累有關(guān)的因素包括：自由氨的存在，較高的pH值，溶解氧濃度低，溫度的變化，氨氮負(fù)荷高，污泥齡長，硝酸鹽的還原。大多數(shù)研究人員認(rèn)為自由氨濃度高(高pH值條

8、件下)和溶解氧濃度低是亞硝酸鹽積累的主要原因，指出亞硝酸積累的內(nèi)在原因在于自由羥氨(NH2OH)的積累1。根據(jù)對前人試驗結(jié)果的分析，表明自由羥氨不應(yīng)是亞硝酸積累的最終原因，自由羥氨積累主要受溶解氧、pH的控制。 然而，實現(xiàn)亞硝酸反硝化的成功報道并不多見。Jetten等人利用硝酸菌和亞硝酸菌在較高溫度下生長速度的顯著差異，通過控制溫度和污泥停留時間，將在高溫下生長速度較慢的硝酸菌從反應(yīng)器中沖洗出去，使亞硝酸菌在反應(yīng)器中占優(yōu)勢，從而將氨氧化控制在亞硝化階段，這種工藝叫作SHARON工藝(Single Reactor for High Activity Ammonia Removal Over Ni

9、trite)2。但該工藝須在3040 的溫度下進(jìn)行，只對溫度較高的污水如厭氧消化排水的脫氮處理有實際意義。對于垃圾滲濾液等廢水，必須從控制溶解氧及pH值來實現(xiàn)穩(wěn)定的亞硝酸反硝化脫氮。     2007-05-18        3同時硝化/反硝化(SND) 當(dāng)好氧環(huán)境與缺氧環(huán)境在一個反應(yīng)器中同時存在，硝化和反硝化在同一反應(yīng)器中同時進(jìn)行時則稱為同時硝化/反硝化。同時硝化/反硝化不僅可以發(fā)生在生物膜反應(yīng)器中，如流化床、曝氣生物濾池、生物轉(zhuǎn)盤35；也可以發(fā)生在活性污泥系統(tǒng)中，如曝氣

10、池、氧化溝6、7。 同時硝化/反硝化的活性污泥系統(tǒng)為今后簡化生物脫氮技術(shù)并降低投資提供了可能性。但目前對SND現(xiàn)象的機(jī)理還沒有一致的解釋，一般認(rèn)為三個主要機(jī)理是：混合形態(tài)。由于充氧裝置的充氧不均和反應(yīng)器的構(gòu)造原因，造成生物反應(yīng)器形態(tài)不均，在反應(yīng)器內(nèi)形成缺氧/厭氧段。此種情況稱為生物反應(yīng)的大環(huán)境，即宏觀環(huán)境。菌膠團(tuán)或生物膜。缺氧/厭氧段可在活性污泥菌膠團(tuán)或生物膜內(nèi)部形成，即微觀環(huán)境。生物化學(xué)作用。在過去幾年中，許多新的氮生物化學(xué)菌族被鑒定出來，其中包括部分菌種以組團(tuán)形式對SND起作用，包括起反硝化作用的自養(yǎng)硝化菌及起硝化作用的異養(yǎng)菌。 在生產(chǎn)規(guī)模的生物反應(yīng)器中，完全均勻的混合狀態(tài)并不存在。菌膠團(tuán)

11、內(nèi)部的溶解氧梯度目前也已被廣泛認(rèn)同，使實現(xiàn)SND的缺氧/厭氧環(huán)境可在菌膠團(tuán)內(nèi)部形成。由于生物化學(xué)作用而產(chǎn)生的SND更具實質(zhì)意義，它能使異養(yǎng)硝化和好氧反硝化同時進(jìn)行，從而實現(xiàn)低碳源條件下的高效脫氮。     4好氧反硝化 最初，反硝化被認(rèn)為是一個嚴(yán)格的厭氧過程，因為反硝化菌作為兼性菌優(yōu)先使用溶解氧呼吸，甚至在濃度低達(dá)0.1 mg/L時也是如此，這樣就阻止了使用硝酸鹽和亞硝酸鹽作為最終電子受體，不過這種限制只是對專性厭氧反硝化菌起作用。20世紀(jì)80年代后期以來，在生物脫氮生物學(xué)方面有了很大進(jìn)展。人們曾多次觀察到在沒有明顯缺氧段的活性污泥法中存在脫氮現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)

12、了好氧反硝化菌：Pseudomonas spp,Alcaligenes faecalis,Thiosphaera Pantotropha，這些好氧反硝化菌同時也是異養(yǎng)硝化菌，而傳統(tǒng)上的硝化菌是化學(xué)自養(yǎng)型的。這樣，這類細(xì)菌就可將氨在好氧條件下直接轉(zhuǎn)化成氣態(tài)產(chǎn)物。 生物學(xué)研究表明，在好氧和缺氧條件下Nitrosmonas spp能夠通過硝酸鹽的生物還原形成氧化氮和氧化亞氮。有人認(rèn)為，在好氧條件下氧化氮和氧化亞氮產(chǎn)生速率依賴于亞硝酸鹽濃度，而大多數(shù)人則認(rèn)為這一速率與溶解氧濃度成反比8。眾多研究表明，Nitrosmonas spp的反硝化活動在低溶解氧條件下是明顯的，但對Nitrobacter spp

13、的反硝化能力研究得比較少。有人認(rèn)為在好氧條件下，Nitrobacter菌株不能進(jìn)行反硝化，某些菌株可以在無氧的丙酮酸、氨和硝酸鹽的培養(yǎng)物中生長，丙酮酸和硝酸鹽被消耗，在低溶解氧條件下生產(chǎn)的氧化氮可能參與到NADH的形成。 反硝化的初始基質(zhì)可能是亞硝酸鹽或硝酸鹽，研究比較電子轉(zhuǎn)移平衡可以確定初始基質(zhì)是硝酸鹽還是亞硝酸鹽。氨氧化為亞硝酸鹽產(chǎn)生2個電子，亞硝酸鹽氧化為硝酸鹽也產(chǎn)生2個電子，完全的亞硝酸鹽還原需要3個電子，而完全的硝酸鹽還原需要5個電子。因此，當(dāng)亞硝酸鹽被完全還原時，氧化氨產(chǎn)生氮氣的最大可能因數(shù)為0.67 N-molN2/N-molNH3，而對于硝酸鹽這一因數(shù)為0.4，所以亞硝酸鹽為反

14、硝化的初始基質(zhì)。Muller等證明了好氧反硝化是與硝化相伴發(fā)生的。假設(shè)a是流向最終細(xì)胞色素C氧化酶的電子占氨氧化凈放出電子的比例，則(1-a)就是用于完全亞硝酸鹽還原的電子比例。氨氧化菌完成氧化還原反應(yīng)為：NH3+O2NO2-+3H+2e-a(0.5O2+2e-+2H+H2O)(1-a)(0.67NO2-+2.67H+2e-0.33N2+1.33H2O) 剩下的(0.33+0.67a)亞硝酸鹽(mol)/被氧化的氨(mol)根據(jù)總反應(yīng)得：NH3+(1.17+0.83a)O2(0.33+0.67a)·NO3-+(0.33-0.33a)N2+(0.33+0.67a)·H+(1.

15、33-0.33a)H2O 若以qN2和qO2分別表示氮氣產(chǎn)生和氧氣消耗的速率，則qN2+qO2(0.33-0.33a)/(1.17+0.83a) 或a=(qO2-3.5 qN2)/(2.5 qN2+qO2) 顯然，a的數(shù)值介于01。如果氨氧化菌的呼吸消耗硝酸鹽，在0.3 kPa溶解氧壓力條件下流向最終細(xì)胞色素C氧化酶的電子流將是負(fù)值。所以，氨氧化僅可以供給呼吸的亞硝酸鹽電子。Muller等人9得到的在不同溶解氧壓力下好氧反硝化特征參數(shù)如表1所示。 表1不同溶解氧壓力條件下好氧反硝化特征參數(shù)溶解氧壓力(kPa)氨消耗速率(mol·g-1·h-1)氮氣產(chǎn)率(mol·g

16、-1·h-1)消耗1 mol氨的氮氣產(chǎn)率(N-molN2/N-molNH3從表中可見，好氧反硝化速率與氨消耗速率基本處于同一數(shù)量級，這使好氧反硝化更具實際的工程意義，這將在節(jié)省能源消耗的情況下，使污水脫氮處理的效率大大提高。好氧反硝化在以往的研究與生產(chǎn)中之所以沒有得到證實，主要是由于如下原因9：其一，空氣中含有高濃度氮氣，要通過產(chǎn)氣監(jiān)測證實好氧反硝化的存在需要使用氮同位素、無氮載氣、密閉反應(yīng)器和質(zhì)譜儀；其二，好氧反硝化菌濃度要足夠高才能檢測到氮氣的產(chǎn)生，由于Muller研究中的氨氧化菌為0.3 g/L、約占活性污泥的10%，而在一般活性污泥中，好氧反硝化菌Nitrosomonas s

17、pp僅有10 mg/L，結(jié)果是產(chǎn)氣量太低而檢測不到；其三，過去研究的細(xì)菌常常是不能產(chǎn)生氮氣的Nitrosomonas europaea ATTC 19718。 5厭氧氨氧化(Anammox) 在理論上，氨也可以作為反硝化的無機(jī)物電子供體，其時的反應(yīng)自由能幾乎與好氧硝化的一樣有利(參見表2)。早在1997年，Broda就發(fā)表了一篇題為“自然界中遺失的兩種微生物”    2007-05-18        10之論文，指出在自然界中可能存在一些微生物(chemolithotrop

18、hic bacteria)能夠以硝酸鹽、二氧化碳和氧氣為氧化劑將氨氧化為氮氣。根據(jù)這個預(yù)言，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)Nitrosomonas eutropha能夠進(jìn)行這種生物化學(xué)反應(yīng)。 表2有關(guān)反硝化與氨氧化的反應(yīng)自由能 反應(yīng)G02NO3-+5H2+H+N2+6H2O -1211 kJ 8NO3-+5HS-+3H+4N2+5SO42-+4H2O-3 721 kJ3NO3-+5NH4+4N2+9H2O+2H+-297 kJ/mol NH4+NH4+2O2NO3-+H2O+2H+-349 kJ/mol NH4+8NH4+6O24N2+12H2O+8H+-315 kJ/mol NH4+NH4+NO2-N2+2H

19、2O -358 kJ/mol NH4+Mulder在實驗室規(guī)模的反硝化流化床反應(yīng)器中，發(fā)現(xiàn)了氨和硝酸鹽的同時消失11，推測反應(yīng)如下：5NH4+3NO3-4N2+9H2O+2H+G0-297kJ/molNH4+ 這個厭氧氨氧化(Anammox)過程的總反應(yīng)是產(chǎn)能的，在理論上可以提供能量供微生物生長。隨后Graaf又證明了這一反應(yīng)是一個生物化學(xué)反應(yīng)12，亞硝酸鹽是最合適的電子受體：NH4+NO2-N2+2H2OG0-358kJ/molNH4+1996年Graaf的試驗研究又表明厭氧氨氧化過程是由自養(yǎng)菌完成的13。Schmidt的試驗研究則表明二氧化氮(NO2)對于厭氧氨氧化是必需的14，N2O是Anammox過程的中間產(chǎn)物，而NO被證明對該過程有抑制作用。MarcStrous總結(jié)比較了厭氧氨氧化和好氧氨氧化的微生物生理學(xué)參數(shù)15(見表3)。好氧硝化和厭氧氨氧化微生物在生理學(xué)方面是相似的，都是專屬微生物，厭氧氨氧化沒有好氧活動，好氧硝化微生物的厭氧活動只是厭氧氨氧化的5%。二者的生物產(chǎn)量、溫度