新型生物脱氮技术

1、新型生物脱氮技术新型生物脱氮技术 环境生物技术 新型生物脱氮技术新型生物脱氮技术 一、传统生物脱氮简介 1、脱氮原理 2、传统脱氮工艺 二、新型生物脱氮技术 1、半硝化工艺（SHARON） 2、厌氧氨氧化工艺（ANAMMOX） 3、半硝化-厌氧氨氧化工艺（ SHARON ANAMMOX） 4、生物膜内自养脱氮工艺 （ CANON） 5、总结 三、其他生物脱氮新技术简介 一、传统生物脱氮简介 将废水中的有机氮转化为氨氮，通过硝化作用将氨氮转化为硝态氮，再通过 反硝化作用将硝态氮还原为氮气从水中逸出，从而实现生物脱氮的目的。 有机氮NH4+NO2-NO3-N2 好氧或厌氧 氨化作用硝化作用反硝化作

2、用 NO2- 有机氮通过酶和微生物作 用下释放氨的过程 微生物将氨氧化成亚硝酸盐， 进一步氧化成硝酸盐 硝态氮在反硝化细菌作用下还原 成氮气 细菌 霉菌 亚硝化菌 硝化菌 反硝化菌 异养微生物：芽孢 杆菌、节杆菌、木 霉、曲霉、青霉等 以HCO3-为碳源，自 养；硝化反应消耗碱 度，pH下降；耗氧 4.2g/g（ NH4+- NO3-）。 O2作为电子供体。 异养兼性厌氧细菌，缺氧 条件下反应；有机物作为 电子供体，硝酸盐（亚硝 酸盐）作为电子受体。 氨化作用硝化作用反硝化作用 微生物 1、脱氮原理 传统的氨氮生物脱氮途径包括硝化和反硝化两个阶段。由于硝化菌和反硝化菌对 环境条件要求不同，硝化

3、和反硝化反应往往分开进行。由此形成分级硝化、反硝 化工艺。 硝化过程：O2为电子供体 NH4+ 1.5 O2NO2- + 2H+ + 2H2O NO2- + 0.5 O2NO3- 反硝化过程：有机物（甲醇、乙醇、乙酸等）为电子供体 2 NO3- + 10H+ + 10e-N2 + 2OH+ + 4H2O 2 NO2- + 6H+ + 6e-N2 + 2OH+ + 4H2O 2、传统脱氮工艺 1932年，Wuhrmann利用内源反硝化建立了后置反硝化工艺。 1962年，Ludzack和Ettinger提出前置反硝化工艺。 1973年，Barnard结合前两种工艺提出A/O工艺。 后来出现的各种改

4、进工艺，Bardenpho、A/A/O等等 以下是两种传统生物脱氮工艺： a 、传统三级生物脱氮工艺：将含碳有机物的去除和氨化、硝化及反硝化 在三个池中独立进行。 曝气池沉淀池硝化池二沉池反硝化池终沉池 甲醇 污泥回流污泥回流污泥回流 进水 出水 b 、A/O工艺：前置反硝化，单级活性污泥脱氮工艺。废水经缺氧池，再经 过好氧池，并将好氧池出水和沉淀池污泥回流至厌氧池。 缺氧池好氧池沉淀池 进水出水 回流 污泥回流 二、新型生物脱氮技术 传统的生物脱氮工艺存在着不少问题： 1、工艺流程长，占地面积大（传统工艺认为硝化、反硝化不能同时进行）。 2、硝化菌群繁殖速度慢，且难以维持较高浓度，需要较大曝

5、气池，费用高。 3、需进行污泥和硝化液回流，动力成本高。 4、系统抗冲击能力弱，高浓度NH3-N和NO2-会抑制硝化菌生长。 5、硝化过程产酸，需投加碱中和。 近年来，许多研究表明： 硝化反应不仅由自养菌完成，某些异养菌也可以进行硝化作用； 反硝化不只在厌氧条件下进行，某些细菌也可以在好氧条件下进行； 许多好氧反硝化菌同时也是异养硝化菌（Thiosphaera pantotropha）， 能把NH4+氧化成NO2-后直接进行反硝化。 生物脱氮技术的发展，突破了传统理论的认识，产生了一些新型生物脱氮技 术。下面几种主要的新型脱氮工艺 1、半硝化工艺（SHARON） 2、厌氧氨氧化工艺（ANAMM

6、OX） 3、半硝化-厌氧氨氧化工艺（ SHARON ANAMMOX） 4、生物膜内自养脱氮工艺 （ CANON） 1、半硝化工艺（SHARON） SHARON（single reactor system for high ammonia removal over nitrite) 是由荷兰的Delft大学开发的一种新型生物脱氮工艺 。 该工艺可以采用CSTR（连续搅拌反应器），适用NH4+-N浓度（0.5gN/L)较高的 废水生物脱氮,反应常在3035内进行。 氨氮的氧化是酸化的过程，因此水体的pH是影响硝化反应的重要因子。 在碱度足够的条件下，废水中50%的NH4+-N被亚硝化细菌氧化为NO

7、2N。 NH4+ + HCO3- + 0.75 O20.5NH4+ + 0.5NO2- + CO2 + 1.5H2O 半硝化工艺除了要有足够的HCO3-碱度外，还要求较高的温度。 当温度高于25时： 亚硝化菌群的世代时间比硝化菌群世代时间短。为使硝化反应停留在亚硝化 阶段，可以控制泥龄将硝化菌群清洗出反应器，留下亚硝化菌群。 出水对NH4+要求高时，可在缺氧条件下，用有机物作为电子供体，将亚硝酸 盐反硝化成N2脱去。 半硝化工艺的硝化、反硝化代谢过程如下： 1-4是NH4+的硝化阶段：包括亚硝化阶段， NH4+经氧化形成羟胺（NH2OH），再 经过2、3、4氧化成NO3-. 5-8是反硝化阶段

8、： NO3-经过反硝化细菌作用最终转化成N2。 2、厌氧氨氧化工艺（ANAMMOX） 是有荷兰Delft 大学在20世纪90年代开发的一种新型脱氮工艺。 指在厌氧条件下，微生物直接以NH4+为电子供体，以NO3-或NO2-为电子受体， 将NH4+、 NO3-或NO2-转变成N2的生物氧化过程。 早在1977年，Broda就做出了自然界应该存在反硝化氨氧化菌（denitrifying ammonia oxidizers）的预言。 1994年Kuenen发现某些细菌在硝化、反硝化中利用NO2-或NO3-作电子受体， 将NH4+氧化成N2和气态氮化物。 1995年Mulder等发现了氨氮的厌氧生物氧

9、化现象。 Straous M.等用生物固定床和流化床反应器研究了厌氧氨氧化污泥，表明氨氮 和硝态氮去除率分别高达82%和99%。 进一步的研究揭示：在缺氧条件下，氨氧化菌可以利用NH4+或NH2OH作为电子 供体将NO3-或NO2-还原，NH2OH、NH2NH2、NO和N2O等为重要的中间产物。 氨氧化菌在厌氧条件下，利用CO2作碳源，无需外加有机碳源、无需供氧 ，以NH4+作电子供体，NO3-或NO2-为电子受体，将水体中的氮转变成N2。 发生的反应为： 该工艺可将NH3-N 从1100mg/L降到560mg/L。 在NH3-N和NO3- 浓度为1000mg/L时不会受到抑制。但在100mg

10、/L 的NO2-条件下， 厌氧氨氧化过程会受到抑制。 厌氧氨氧化过程是在自养菌作用下完成，这种自养菌生成速度慢，泥龄长， 但产生的剩余污泥量较少。 厌氧氨氧化的化学计量方程式： 厌氧氨氧化的代谢途径： 1：NH4+与羟胺氧化成联胺，联胺经过两次脱氢氧化（2、3），最终生成N2。 生成的联胺与NO2-反应生成羟胺。 3、半硝化-厌氧氨氧化工艺（ SHARON ANAMMOX） 将前面两种工艺联合起来，在反应系统中，进水总NH4+的50%在半硝化反应器 内发生如下反应： 半硝化反应器的出水（含有NH4+和NO2-）作为厌氧氨氧化反应器的进水。在厌氧氨 氧化反应器内发生厌氧反应，有95%的氮转变成

11、N2，另外，还有少量的NO3-随出水 排出。 半硝化-厌氧氨氧化工艺适合处理高浓度NH4+-N废水和有机碳含量低的高NH4+-N浓 度工业废水。出水NH4+-N 可达到6.7mg/L、TN为24mg/L。 较之传统的硝化-反硝化工艺，该工艺耗氧量由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。产生的剩余污泥量很少。 SHARON 工艺可采用完全混合式好氧连续反应器；ANAMMOX 工艺可采用生物膜法 和生物流化床。 4、生物膜内自养脱氮工艺 （ CANON） 在限氧的条件下，利用完全自养性微生物将氨氮和亚硝酸盐同时去除的一 种方法 。

12、该工艺可用以低有机物浓度的废水生物脱氮，可以采用单一反应器或生物 膜反应器。 反应器内进行部分硝化和氨的厌氧氧化。 在限氧条件下，系统中有两类自养微生物：好氧硝化细菌和厌氧氨氧化细菌。 自养菌经过NO2-中间体直接将NH4+转变为N2。 在限氧条件下，好氧硝化细菌将NH4+氧化成 NO2-。反应如下： 然后，厌氧氨氧化细菌将NH4+和NO2-转变成N2和少量的NO3-。反应如下： 总的脱氮反应式为： 从上面反应式中看出，大部分的N都转变成N2，也有少量的N转变为NO3-。 当反应器里的溶解氧（DO）浓度达到0.5mg/L时，氨化作用不受影响，但亚硝 化作用受到强烈抑制。 生物膜内自养脱氮工艺适

13、用于污水生物脱氮尤其是低有机物高氮废水。由于 该工艺过程微生物是完全自养的，所以不需要外加碳源。另外，在整个脱氮 过程中也不需要通风曝气，节约能耗。相对于传统脱氮工艺，该工艺的耗氧 量降低63%。 5、总结： 新型脱氮工艺与传统脱氮工艺比较 三、其他生物脱氮新技术简介 1、De-ammonification（反氨化)工艺 一种适用于处理高浓度含氮废水的新工艺。通过控制供氧，使该工艺中氨转 化为氮气的过程不需要按化学计量式来消耗电子供体。这一过程被称为好氧 反氨化工艺（aerobic de-ammonification）。 Binswangrer等报道利用生物转盘反应器，通过硝化-反硝化工艺去除

14、高浓度 NH4+废水中的氮，结果表明：当表面负荷率为2.05gN/(m2.d)时，去除速率 达90250gN/(m2.d)。不需添加任何可生物降解的有机碳化合物。总的来说， De-ammonification工艺目前还不成熟，尚未实现可行的工程应用。 1、De-ammonification（反氨化)工艺 2、固定化催化氧化技术 将 Nitrosomonas ,Nitrosospira,Nitrosococcus和Nitrosolobus 等亚硝化细菌混 合固定在一起。 选择合适的无机催化剂（如含铁化合物）。 废水中的NH4+ 首先被微生物氧化成NO2-、NO3-, 再在无机催化剂下分解为N2和

15、 N2O。 3、生物纤维膜反应器 把膜技术优点（从污水中截留和分离微生物）和细胞固定化技术优点（高浓度 微生物、传质比表面积大）结合起来。 反映器中膜不仅具有生物降解功能，同时还具有分离功能。 如PSB（permeable support biofilm），生物膜附着在渗透性纤维膜载体上， 氧气渗透进入生物膜。生物膜中微生物自然分层，碳氧化、硝化和反硝化在 生物膜的不同部位进行。微生物间无干扰，避免微生物间竞争和抑制作用。 4、臭氧湿式氧化 一种处理含氨氮废水比较有效的技术。碱性条件下，通过O3的湿式氧化过程产 生一些氧化能力很强的OH自由基，氧化水中氨氮。 可作为含有机物又含无机污染物废水的预处理； 也可作为废水深度处理后处理进一步降解废水中污染物。 5、生物电极脱氮技术 生物法和电化学结合起来的一种处理硝酸态氮污染水的生物电极法。 污水中的硝酸态氮在生物和电化学双重作用下降解，而微电流又可以刺激微生 物代谢活动。 把脱氮菌作为生物膜固定在一炭