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什么是短程硝化和短程反硝化?

  
評(píng)論: 更新日期:2024年08月09日

在脫氮工藝中氨氮轉(zhuǎn)化成氮?dú)庥泻芏嗟耐緩剑泊嬖诤芏嚯y以控制的中間過程及中間產(chǎn)物,恰恰是這些難控制的中間過程決定了最新的脫氮工藝的研究方向,本文將介紹一下短程硝化及短程反硝化的內(nèi)容!

什么是短程硝化?

廢水生物脫氮,一般由硝化和反硝化兩個(gè)過程完成,而硝化過程分為氨氧化階段和亞硝酸鹽氧化階段。這兩個(gè)階段分別由氨氧化菌(AOB)和亞硝酸鹽氧化菌(NOB)獨(dú)立催化完成。

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第一階段是在AOB的作用下,將氨氮NH3-N氧化為亞硝態(tài)氮NO2―N;而第二階段是在NOB的作用下,將亞硝態(tài)氮NO2―N氧化為硝態(tài)氮NO3―N。

由于硝化反應(yīng)是由兩類生理特性完全不同的細(xì)菌獨(dú)立催化完成的不同反應(yīng),所以需要通過適當(dāng)控制條件,可以將硝化反應(yīng)控制在NO2―N階段,阻止NO2―N的進(jìn)一步氧化,短程硝化的成功的標(biāo)準(zhǔn)就是系統(tǒng)中大量NO2-N累積!隨后直接進(jìn)行反硝化或者厭氧氨氧化,這就是為什么短程硝化如此重要的原因!

什么是短程反硝化?

短程反硝化(partial denitrification):在反硝化過程中,有機(jī)物提供電子供體,細(xì)菌將NO3ˉ還原為NO2ˉ,而不是直接將NO3ˉ還原為N2的過程,稱為短程反硝化。反應(yīng)式為:

3NO3ˉ+CH3OH→3NO2ˉ+CO2+2H2O

2011年,彭永臻院士團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)短程反硝化的特殊現(xiàn)象后,開展了長(zhǎng)達(dá)10余年的機(jī)理研究,最終在世界范圍內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破,并建立相關(guān)理論。

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短程硝化與短程反硝化的應(yīng)用

短程硝化和短程反硝化的應(yīng)用主要是實(shí)現(xiàn)厭氧氨氧化過程中的亞硝酸鹽氮產(chǎn)生,如圖:

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厭氧氨氧化是公認(rèn)的最經(jīng)濟(jì)的脫氮技術(shù)之一。厭氧氨氧化Anammox是在無氧條件下,以氨為電子供體、亞硝酸為電子受體,產(chǎn)生氮?dú)夂拖跛岬纳锓磻?yīng)。Anammox包括兩個(gè)過程:一是分解(產(chǎn)能)代謝,即以氨為電子供體,亞硝酸鹽為電子受體,兩者以1:1的比例反應(yīng)生成氮?dú)?,并把產(chǎn)生的能量以ATP的形式儲(chǔ)存起來;二是合成代謝,即以亞硝酸鹽為電子受體提供還原力,利用碳源二氧化碳以及分解代謝產(chǎn)生的ATP合成細(xì)胞物質(zhì),并在這一過程中產(chǎn)生硝酸鹽。

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在這過程中,大約89%的無機(jī)氮都將被轉(zhuǎn)化產(chǎn)生氮?dú)?,另?1%的無機(jī)氮被轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮,與傳統(tǒng)硝化反硝化工藝相比,厭氧氨氧化工藝有著巨大的技術(shù)優(yōu)勢(shì),其曝氣能耗只有傳統(tǒng)工藝的55-60%;該工藝幾乎無需碳源,如果為了去除硝酸鹽產(chǎn)物需要在厭氧氨氧化過程中投加碳源,其投加量也比傳統(tǒng)工藝中碳源投加量降低90%;厭氧氨氧化工藝可以減少45%堿度消耗量。同時(shí),由于厭氧氨氧化菌細(xì)胞產(chǎn)率遠(yuǎn)低于反硝化菌,所以,厭氧氨氧化過程的污泥產(chǎn)量只有傳統(tǒng)生物脫氮工藝中污泥產(chǎn)量的15%左右,這將顯著降低剩余污泥的處理和處置成本。

短程硝化-厭氧氨氧化工藝

這一過程其關(guān)鍵的一步是快速啟動(dòng)短程硝化工藝且保持穩(wěn)定的運(yùn)行效果,即在短程硝化反應(yīng)器中將氨氮的氧化控制并維持在亞硝態(tài)氮階段(即亞硝化階段)。通過調(diào)控和優(yōu)化溫度、水力停留時(shí)間、污泥齡、溶解氧(DO)、pH、游離氨(FA)等工作參數(shù)強(qiáng)化氨氧化菌(AOB)活性、抑制亞硝酸鹽氧化菌(NOB)活性,提高AOB純度和菌群競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),可以實(shí)現(xiàn)亞硝態(tài)氮積累。較低DO濃度、較高pH和較高FA濃度都有利于短程硝化過程。

短程反硝化-厭氧氨氧化工藝

這一過程的必要條件和關(guān)鍵步驟是其中的短程反硝化,因?yàn)槿绻麤]有 NO2ˉ產(chǎn)生,就不可能發(fā)生厭氧氨氧化反應(yīng)(簡(jiǎn)化為NH4*+NO2ˉ→N2+2H2O),而在缺氧池中,又不存在好氧條件及其短程硝化(NH4+至NO2ˉ)來產(chǎn)生NO2ˉ,因此,只能以污水中的有機(jī)物作為電子供體,通過短程反硝化將回流污泥和內(nèi)回流硝化液中的NO3ˉ還原為NO2ˉ,同時(shí)利用來源于污水并過量存在于厭氧和缺氧池的NH4+,形成與促進(jìn)部分Anammox反應(yīng)過程。目前,短程反硝化耦合厭氧氨氧化技術(shù)在西安四污已經(jīng)實(shí)現(xiàn)規(guī)?;瘧?yīng)用!

彭永臻院士:短程反硝化或是城市污水厭氧氨氧化的研究方向

在第14屆水處理行業(yè)熱點(diǎn)技術(shù)論壇上舉辦了主題為“城鎮(zhèn)污水處理行業(yè)的提質(zhì)增效”和“城鎮(zhèn)污水處理新技術(shù)發(fā)展方向”的圓桌對(duì)話環(huán)節(jié)上,中國(guó)工程院院士、城鎮(zhèn)污水深度處理及資源化利用技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室主任、北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)科首席教授彭永臻等進(jìn)行了多方面的討論,提出了各自獨(dú)到的見解。

彭永臻:首先我拋磚引玉,把近兩年對(duì)城市污水處理脫氮技術(shù)的一些想法分享給大家。目前城市污水脫氮技術(shù)發(fā)展得很快,但主流厭氧氨氧化應(yīng)用幾乎還是零。厭氧氨氧化技術(shù)主要有3個(gè)特點(diǎn):一是附著性,厭氧氨氧化技術(shù)中存在的顆粒污泥和填料使得懸浮污泥很難進(jìn)行培養(yǎng)。二是該技術(shù)需要較高的溫度,32℃最好,低溫則不行。三是增殖速度非常慢。城市污水一般存在低氨氮、低溫、大水量等特點(diǎn),而正因?yàn)檫@三個(gè)理由,厭氧氨氧化技術(shù)在城市污水處理應(yīng)用中受到了很大的阻礙。

但厭氧氨氧化技術(shù)也有其優(yōu)勢(shì)所在。目前主流城市污水脫氮技術(shù)存在一大難點(diǎn),就是能耗高、消耗大。厭氧氨氧化可以把一半左右的氨氮氧化為亞硝酸根,然后在厭氧氨氧化作用下還原為氮?dú)?,這對(duì)于城市污水處理的節(jié)能是非常有利的。眾所周知,新加坡的氣溫較高,很適用于厭氧氨氧化技術(shù),但那里依舊有許多厭氧氨氧化技術(shù)工程被廢棄,可見該技術(shù)在城市污水處理中推廣難度之大。所以,將厭氧氨氧化技術(shù)徹底應(yīng)用于城市污水處理之中還任重道遠(yuǎn)。

最后談一下我們團(tuán)隊(duì)正在研究的短程反硝化技術(shù),這個(gè)技術(shù)對(duì)于未來厭氧氨氧化技術(shù)的應(yīng)用推廣十分重要。短程反硝化是將硝酸鹽還原為亞硝酸鹽的過程,在污水處理中,短程反硝化過程可以縮短厭氧氨氧化反應(yīng)時(shí)間,提高厭氧氨氧化的脫氮效率,同時(shí)減少有機(jī)碳源的需求。例如,A2O回流百分之百的污泥,內(nèi)循環(huán)后就是百分之二百,在缺氧厭氧條件下去除1毫升的氨氮,將伴隨去除1.32毫升的亞硝,亞硝把回流液中的硝酸氮還原為亞硝酸氮,這樣一共就能去除近8毫升的總氮,非??捎^。因此從這個(gè)意義上來說,短程反硝化有可能是今后城市污水厭氧氨氧化的研究重點(diǎn)。

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