新型生物脱氮工艺

摘要：本论文介绍几种新型的生物化脱氮工艺，其中有新型脱氮工艺： 短程硝化反硝化, 同时硝化反硝化, 厌氧氨氧化, 固定化微生物脱氮技术工艺等几种。

关键词：生物脱氮工艺 短程硝化反硝化 同时硝化反硝化 厌氧氨氧化

　　1.短程硝化反硝化

　　短程硝化反硝化生物脱氮（shortcut nitrification denitrification）是由荷兰Delft技术大学开发出来的脱氮新工艺^[1-3]。其基本原理是将NH₃-N氧化控制在亚硝化阶段，然后进行反硝化。反应方程式可表示为：

　　               (2-15)

　　    (2-16)

　　短程硝化反硝化的生物脱氮途径与传统硝化反硝化相比，在处理高浓度有机氮废水中具有潜在的优势：⑴短程硝化反硝化生物脱氮比传统硝化反硝化生物脱氮节省了25%的耗氧量；⑵在反硝化过程中是以有机碳源作为电子供体,短程硝化反硝化仅需传统硝化反硝化60%的有机碳源,节省了40%的碳源。理论上计算,传统硝化反硝化C/N为2.86:1,短程硝化反硝化C/N为1.71:1,即较低的C/N下就可以实现短程硝化反硝化反应；⑶缩短了反应历程,提高了脱氮效率。在好氧过程中短程硝化反硝化生物脱氮比传统硝化反硝化生物脱氮减少了由NO₂^－-N氧化为NO₃^－-N的过程，缩短了总的反应历程。另外,在短程硝化反硝化过程中由于省去了由NO₃^－-N到NO₂^－-N这一转化过程,反硝化碳源不再为硝酸盐还原菌优先利用,也不存在硝酸盐还原酶对亚硝酸盐还原酶的竞争性抑制,加速了脱氮效率。

　　2.同时硝化反硝化

　　同时硝化反硝化（simulataneous nitrification denitrification）工艺，简单地说，是在同一个反应器中同时实现硝化和反硝化。Munch.Elisabeth V等研究了SBR法中的同时硝化反硝化现象^[4。G.Bertanza运用延时曝气法对废水处理过程中的同时硝化反硝化现象进行了三年的研究^[5]。试验结果表明：处理系统中的氧化还原电位在120～180mv范围内（此时DO浓度均在1.5mg/L以下）同时硝化反硝化的处理效果最好，总氮去除率可达到60%～70%。

　　根据以上可知，同时硝化反硝化现象确实存在于多种废水处理工艺中。目前大多数学者认为其机理的探讨主要从微环境理论、微生物学和生物化学的角度来研究：

　　⑴从微环境角度来看，由于微生物个体形态非常微小,一般属μm级,影响生物的生存环境也是微小的。由于微生物种群结构、基质分布、代谢活动和生物化学反应的不均匀性,以及物质传递的变化等因素的相互作用,在活性污泥菌胶团和生物膜内部会存在多种多样的微环境类型。即使在好氧性微环境占主导地位的活性污泥系统中,也常常同时存在少量的微氧、缺氧、厌氧等状态的微环境。

　　⑵从生物学和生物化学角度来看，主要有两种观点存在：一种是Lloyd等及Robertson和Kuennen提出的好氧反硝化的概念，认为好氧反硝化菌和好氧反硝化酶系的存在导致了这种现象。目前已知的好氧反硝化菌有Pseudoonas、Spp、Alcaligensfaecalis、Thiosphaera、Pantotropha等^[6]，这些菌种为好氧反硝化的解释提供了生物学依据。另一种是Bock等提出的好氧反氨化的概念，即在有氧气限制的情况下，NH₃-N直接转化为氮气。

　　同时硝化反硝化有以下优点^[7]：⑴硝化过程中消耗碱度,反硝化过程中产生碱度,这样同时硝化反硝化能有效地保持反应器中pH值稳定,而且无需添加外碳源,考虑到硝化菌最适pH值范围很窄,仅为7.15～8.16,因此这一点是很重要的。⑵同时硝化反硝化意味着在同一反应器、相同的操作条件下,硝化和反硝化应能同时进行。如果能够保证在好氧池中一定效率的反硝化与硝化反应同时进行,那么对于连续运行的同时硝化反硝化工艺污水处理厂,可以省去缺氧池的费用，或至少减少反应池容积。对于仅由一个反应池组成的序批式反应器来讲,同时硝化反硝化能够降低实现完全硝化反硝化所需的时间。同时硝化反硝化系统提供了今后降低投资并简化生物脱氮技术的可能性。然而,对于同时硝化反硝化的机理还缺乏深入的认识与了解,要使该项技术实用化还有大量研究工作有待完成。

　　3.厌氧氨氧化

　　1990年，荷兰Delft技术大学Kluyver生物技术实验室开发了ANAMMOX工艺。该工艺的特点是：在厌氧的条件下，以NO₃^―为电子受体，将NH₃-N转化为氮气。最近研究表明NO₃^―是一个关键的电子受体。由于这类细菌是自养菌,因此不需要添加有机物来维持反硝化。试验研究发现:厌氧反应器中NH₃-N浓度的降低与NO₃^―的去除存在一定的比例关系^[8]。发生的反应可假定为:

　　            (2-17)

　　ΔG=-297KJ/molNH₄⁺

　　最近研究表明，NO₂^―也可以作为电子受体进行如下反应：

　　                     (2-18)

　　ΔG=-358KJ/molNH₄⁺

　　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的。厌氧氨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,它可以利用NH₃-N作为电子供体还原NO₃^―-N,或者说它可以利用NO₃^―-N作为电子受体来氧化NH₃-N。

　　从方程式2-17和2-18可以知道，该工艺不需要氧气和外加碳源，处理低C/N的高浓度NH₃-N废水很有前景的。

　　4.固定化微生物脱氮技术 

　　固定化微生物技术是指通过化学或物理的方法将游离的细胞或微生物加以固定，使之成为不溶于水但仍具有高的生物活性固定生长体的一项新技术^[9]。

　　固定化微生物技术是20世纪60年代直接从固定化酶技术发展起来的一项新技术，最初主要用于工业微生物的发酵，70年代后期由于水污染问题的日益严重，迫切要求开发高效的废水处理新技术，于是人们开始考虑将固定化微生物技术引入废水处理领域。该技术可将筛选的优势菌种或微生物加以固定，从而构成一个高效的废水处理系统，与传统的悬浮生物处理法相比较具有处理效率高、稳定性强、产泥量少、无污泥膨胀、固液分离效果好、装置容积小等优点，在废水处理，尤其是特种工业废水处理领域中显示出广阔的应用前景。固定化微生物脱氮技术就是利用固定化微生物技术的特点，将硝化菌和反硝化菌固定在一起，以保证反应器的菌体浓度和脱氮性能，成为近10多年来生物脱氮领域研究的热点之一。国内外学者对硝化菌和反硝化菌单独固定及固定化细胞的脱氮性能作了详细的研究，在日本已有将固定化硝化菌用于废水处理能力11300m³/d的工业装置^[10]。