新型生物脱氮工艺

1、新型生物脱氮工艺SHARON-ANAMMOX组合工艺,传统的先硝化后反硝化的生物脱氮工艺一直是国内外广泛采用的废水脱氮工艺，如A/O工艺、A2/O工艺等，都能有效地去除废水中的氮。但是，传统的生物脱氮工艺都普遍存在着基建投资和运行费用较高、运行控制较为复杂等不足。其基本原理是首先将废水中的NH3-N转化为NO2-N再氧化为NO3-N，然后再将NO3-N转化为NO2-N，最终转化为氮气（N2）。因此，在传统的生物脱氮工艺中，废水中的N经历了从其最低的-3价到最高的+5价，然后再逐渐回到0价的一个长而复杂的过程。前一过程即硝化过程，是由两类自养型硝化细菌完成的，分别被称为亚硝化细菌或氨氧化细菌（本

2、文中称氨氧化细菌）和硝化细菌或亚硝酸盐氧化细菌（本文中称硝化细菌）。有学者认为，在自然界中还未发现有任何一种细菌可以直接将氨氮氧化为硝酸盐。它们都是自养型细菌，生长缓慢，硝化过程还会产生H+而导致系统pH下降，需要投加致碱物质来维持合适的pH；后一过程即反硝化过程，由另一类异养型,反硝化细菌完成，在其将氧化态氮（NO3-N或NO2-N）还原的过程中需要利用有机物作为电子供体，消耗一定的有机物。由此看出，传统的生物脱氮工艺流程长、控制复杂、运行费用高，影响了其实际应用。 最近，一些新的研究表明自然界中存在着多种新的氮素转化途径，如好氧反硝化（aerobicdenitrifi-cation）、异养

3、硝化（heterotrophicnitrifica-tion）、厌氧氨氧化（anaerobicammoniumoxida-tion）或者由自养硝化细菌引起的反硝化（denitri-ficationbyautotrophicnitrifyingbacteria）等。对这些新的氮素转化途径的研究又导致了多种新型生物脱氮工艺的出现，如：SHARON，ANAMMOX和OLAND等。与传统生物脱氮工艺不同的是， 这些工艺都力求缩短N素的转化过程，如；SHARON工艺是将硝化过程控制在亚硝化阶段，直接从NO2-N进行反硝化；ANAMMOX工艺则是在厌氧条件下利用NH4+作为电子供体将NO3-N或NO2-N

4、转,化为N2；OLAND工艺则是在溶解氧受限制的条件下将废水中的部分NH3-N氧化成NO2-N，然后利用NO2-作为电子受体将剩余的NH3-N氧化成N2。国内外已有学者对上述新的氮素转化途径和新型生物脱氮工艺进行了综述。从中可知，SHARON与ANAMMOX的组合工艺是目前最简捷的一种生物脱氮途径，也最有可能在实际工程中得以实现，因此我将首先分别介绍SHARON工艺ANAMMOX工艺的基本原理及其研究应用的现状，然后对二者的组合工艺进行介绍，并对其在我国的应用前景进行展望。 1 SHARON工艺 1.1SHARON工艺的提出 SHARON（SingIereactorforHighactivit

5、yAm-moniaRemovaIOverNitrite）工艺是荷兰DeIft技术大学开发的一种新型的脱氮工艺。其基本原理是在同一个反应器内，先在有氧条件下，利用氨氧化细菌将氨氧化生成NO2-；然后在缺氧条件下，以,SHARON工艺,01,ANAMMOX工艺,02,SHARON工艺与ANAMMOX工艺的组合,03,CONTENTS,目 录,2,SHORAN工艺,SingIe reactor for High activity Am-monia RemovaI Over Nitritet,1.1SHARON工艺的提出 SHARON工艺是荷兰DeIft技术大学开发的一种新型的脱氮工艺。其基本原理是在

6、同一个反应器内，先在有氧条件下，利用氨氧化细菌将氨氧化生成NO2-；然后在缺氧条件下，以有机物为电子供体，将亚硝酸盐反硝化，生成氮气。其反应式如下： NH4+1.5O2NO2-+2H+H2O ，NO2-+3H+H+0.5N2+2H2O 1.2 SHARON工艺的微生物 有学者对SHARON工艺中的微生物，特别是其中氨氧化细菌进行了深入的研究。结果表明：SHARON工艺中起主要作用的细菌是Nitro-somonaseuropaea，即一种普遍存在的氨氧化细菌。 1.3影响NO2-N积累的因素 在SHARON工艺中，将氨氧化过程控制在亚硝化阶段是其关键，因此研究如何尽量提高NO2-N的积累、降低N

7、O3-N的生成具有重要意义。有研究者对影响NO2-N积累的因素进行了探讨和研 究，归纳起来其主要因素有：温度和污泥龄、溶解氧、pH和游离,态氨等，讨论如下。 1.3.1温度和污泥龄 在常温（520C）下，硝化菌的最小倍增时间要小于氨氧化细菌，因此氨通常被氧化为NO3-N；但是在中温（3035C）下，这两者的关系正好相反。因此，利用这一特性，控制SHARON反应器的污泥龄介于硝化菌和氨氧化细菌最小倍增时间之间，使硝化菌在系统中不能增殖而被自然淘汰，从而可维持稳定的NO2-N积累。SHARON工艺多采用无污泥回流的CSTR反应器，目的是可以方便地控制反应器的污泥龄，因为无污泥回流的CSTR反应器的

8、水力停留时间（HRT）与污泥停留时间（SRT）即污泥龄是相等的，控制反应器的HRT即等于控制了反应器的污泥龄。 1.3.2溶解氧（DO） 氨氧化细菌和硝化菌都是绝对好氧菌，一般认为至少应使DO在0.5mg/L以上时硝化作用才能较好的进行。Hanaki等人研究表明，,在25C时，进水NH3-N为80mg/L，低溶解氧（0.5mg/L）下，氨氧化细菌的增殖速率加快（近1倍），补偿了由于低溶解氧所造成的代谢活性的下降，使得从氨氧化到NO2-N的过程没有受到明显影响；而硝化细菌的增殖速度在低的溶解氧（0.5mg/L）下没有任 何提高，从NO2-N到NO3-N的氧化过程受到了严重的抑制，从而导致了NO2

9、-N的大量积累，在其试验中最高的NO2-N浓度可达60mg/L。因此，即使在较低温度（25C）下，控制较低的溶解氧浓度也可以抑制硝化菌生长获得NO2-N的积累。 1.3.3pH和游离态氨 pH和游离态氨浓度对氨氧化细菌的活性具有直接的影响，因为根据HeIIinga等人的研究，对于氨氧化细菌来说，游离态的NH3才是其真正的底物，而不是NH4+；HNO2对氨氧化过程具有抑制作用。pH的微小变化会对游离NH3和HNO2的浓度产生很大的影响。,底物浓度的变化对底物降解速率即氨的氧化速率会产生直接影响。另外，HNO2的抑制常数约为0.2mg/L（以HNO2-N浓度计），因此在较高的pH下，HNO2的抑制

10、作用非常有限，这正是HeIIinga等人在研究SHARON工艺时将反应器内的pH选择为较高（78）的原因。 1.4 SHARON工艺的优点 SHARON工艺至少具有下述优点： 1、可节省反硝化过程所需要的外加碳源，即NO2-反硝化比NO3-反硝化可节省40%的碳源。 2、因为只需要将氨氮氧化到亚硝酸盐，可减少25%左右的供气量，降低能耗。,荷兰鹿特丹 SHARON工艺实际构筑物,2,ANAMMOX工艺,ANaerobic AMMonium OXica-tion,ANAMMOX（ANaerobicAMMoniumOXica-tion）即厌氧氨氧化工艺也是荷兰Delft大学1990年提出的一种新型

11、脱氮工艺。该工艺的特征是在厌氧条件下，以硝酸盐或亚硝酸盐为电子受体，将氨氮氧化生成氮气。如果说上述的SHARON工艺还只是将传统的硝化反硝化工艺通过运行控制缩短了生物脱氮的途径，ANAMMOX工艺则是一种全新的生物脱氮工艺，完全突破了传统生物脱氮工艺中的基本概念。 2.1ANAMMOX工艺的原理和反应机理 Graaf等人通过同位素15N示踪研究表明，氨被微生物氧化的过程中，羟氨最有可能作为电子受体，而羟氨本身又是由NO2-分解而来，其反应的可能途径如图1所示。Jetten等人通过15N示踪研究也表明，羟氨和联氨是ANAMMOX工艺的重要中间产物。Sc1alk等人研究了联氨的厌氧氧化，并根据15

12、N示踪研究的结果，提出了ANAMMOX工艺的反应机理（见图2）。可见该反应机理与Graaf等人提出的很相似。,2.2ANAMMOX工艺的微生物特性 Graaf研究表明，参与厌氧氨氧化的细菌是一种自养菌，是ANAMMOX细菌，在厌氧氨氧化过程中不需要添加有机物。同时他们还发现，随着试验的进行，反应器内污泥的颜色由褐色逐渐变为红色。Jetten等人和Stous等人在其各自的试验中也都观察到了同样的现象。Jetten等人从上述发现ANAMMOX工艺的反硝化流化床反应器中分离并获取了ANAMMOX细菌，经富集培养后获得了一种优势自养菌，该优势菌种为一种具有不规则球状的革兰氏阴性菌，尚未能确定其在分类学

13、的归属。该菌被认为同时具有将亚硝酸盐氧化为硝酸盐的功能，生长缓慢，其在PH=8、温度在40oC时的生长世代期为11d。,ANAMMOX细菌,2.3ANAMMOX工艺的影响因素 2.3.1基质抑制 厌氧氨氧化过程的基质是氨和亚硝酸盐，但如果二者的浓度过高，也会对厌氧氨氧化过程产生抑制作用。郑平的研究结果表明，较高浓度的氨和亚硝酸盐分别存在或同时存在时，都会对厌氧氨氧化菌的活性产生一定的抑制作用。Jetten等人认为，在NO2-浓度高于20mmoI/L时，ANAMMOX工艺受到NO2-N的抑制，长期处于高NO2-浓度下，ANAMMOX活性会完全消失，但在较低的浓度（10mmoI/L左右）下，其活性

14、仍会很高。 2.3.2pH 由于氨和NO-2在水溶液中会发生离解，因此pH对厌氧氨氧化具有影响作用。郑平的研究表明ANAMMOX反应的最适pH在7.5附近。,2.4.3温度 郑平研究表明，当温度从15升到300C时，厌氧氨氧化速率随之增大，但继续升至35时，反应速率下降。他认为其最适温度在30C左右。Jetten等人认为，ANAMMOX工艺的温度范围为2043C，最佳温度为40。,Anammox厌氧反应器研制成功,帕克环保ANAMMOX 生物脱氮反应器,3,SHARON工艺与ANAMMOX工艺的组合,如上所述，SHARON工艺可以通过控制温度、水力停留时间、pH等条件，使氨氧化控制在亚硝化阶段

15、。目前尽管SHARON工艺以好氧/厌氧的间歇运行方式处理富氨废水取得了较好的效果，但由于在反硝化期需要消耗有机碳源，并且出水浓度相对较高，因此目前很多研究改为以SHARON工艺作为硝化反应器，而ANAMMOX工艺作为反硝化反应器进行组合工艺的研究。通常情况下： SHARON工艺可以控制部分硝化，使出水中的NH4+与NO2-比例为1：1，从而可以作为ANAMMOX工艺的进水，组成一个新型的生物脱氮工艺，其反应如下式所示： 0.5NH4+0.75O20.5NO2-+H+0.5H2O 0.5NH4+0.5O20.5N2+H2O NH4+0.75O20.5N2+H+1.5H2O 联合的SHARON-A

16、NAMMOX工艺具有耗氧量少、污泥产量少、不需外加碳源等优点（见表2），是迄今为止最简捷的生物脱氮工艺，,具有很好的应用前景，成为当前生物脱氮领域内的一个研究重点。,Jetten等人研究结果显示，在以污泥消化出水作为该组合工艺的进水时，SHARON反应器的总氮负荷为0.8kg/（m3d），氨转化率为83%，从而表明该新型生物脱氮工艺具有较好的脱氮效果。但是该如何控制组合工艺的运行条件和运行参数等问题仍在进一步研究中。此外，胡宝兰等人采用生物膜反应器和ANAMMOX工艺结合进行了为期一个月的脱氮研究，硝化反应器的负荷约为0.55kg/（m3d）。该组合也是对传统生物脱氮工艺的改进，但是与SHARON-ANAMMOX联合工艺比较，由于在生物膜反应器中无法将硝化过程稳定地控制在亚硝化阶段，所以其优点并不如后者显著。 SHARON-ANAMMOX组合工艺是一种全新的生物脱氮工艺，与传统的生物脱氮工艺相比具有十分明显的优势，国外特别