短程硝化反硝化生物脱氮工艺李娜

第47卷第7期2018年7月Vol.47No.7Jul.2018化工技术与开发Technology&DevelopmentofChemicalIndustry基金项目：水体污染控制与治理科技重大专项(2013ZX07202-010-02)；辽宁省自然基金项目（201602683）；辽宁省教育厅一般项目（L2014437）；沈阳市科技计划项目（F15-199-1-21）；省级大学生创新创业训练计划项目（201710166045）；校级大学生创新创业训练计划项目（201710166274）作者简介：李娜(1981-)，女，汉族，盘锦人，高级实验师，从事环境工程与水处理技术研究。E-mail:[e-mail]收稿日期：2018-04-03短程硝化反硝化生物脱氮工艺李　娜1，刘　燕1，赵梓彤1，胡筱敏2，李国德1，武士威1（1.沈阳师范大学实验教学中心，辽宁沈阳110034；2.东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳110004）摘　要:水体中的氨氮含量过高，会导致水体富营养化，影响和破坏水体生态平衡。氨氮污染控制消减技术成为了水环境污染控制日益紧迫的重要课题，迫切需要开发经济高效的废水脱氮技术来治理被污染的水环境。本文讨论了传统生物脱氮的机理及存在的问题，介绍了短程硝化反硝化工艺的机理及优越性。关键词:短程硝化反硝化；生物脱氮；机理；优越性中图分类号：X703.1文献标识码：A文章编号：1671-9905(2018)07-0039-03目前，我国氨氮污染排放量已远远超出受纳水体的环境容量，这一问题成为地表水体氨氮超标的主要原因[1]，水中过量的氮会导致水体富营养化[2-3]。水污染问题已经成为制约我国经济社会发展的最重要因素之一，氨氮污染问题更是重中之重，已经引起国家和地方政府的高度重视。1　传统生物脱氮理论1.1　传统生物脱氮机理传统生物脱氮过程包括氨化反应、硝化反应、反硝化反应三个过程[4]。1）氨化过程RCHNH2COOH+O2→RCH(OH)COOH+CO2+NH32）硝化过程第一步：2NH3+3O2→2NO2-+2H++2H2O第二步：2NO2-+O2→2NO3-总反应：NH3+2O2→NO3-+H++H2O3）反硝化过程NO3--N还原为NO2--N：2NO3-+4H++4e-→2NO2+2H2ONO2--N还原为NO：2NO2-+4H++2e-→2NO+2H2ONO还原为N2O：2NO+2H++2e-→N2O+H2ON2O还原为N2：N2O+2H++2e-→N2+H2O总的反硝化过程：2NO3-+10e-+12H+→N2+6H2O1.2　传统生物脱氮存在的问题近年来，虽然生物脱氮技术发展迅速，研究者们也结合传统生物脱氮机理，研究出了系列强化生物脱氮工艺如A/O工艺、UCT工艺等，但是这些基于传统生物脱氮机理的脱氮工艺的硝化和反硝化过程，仍是在具有不同溶解氧环境的独立反应器中，或在时间或空间上交替出现好氧和缺氧环境的一个反应器中运行，这使得传统的生物脱氮工艺存在如下问题[5]：1）基建费用高。硝化过程中，硝化细菌增殖速度慢，世代周期较长。为了在反应器中维持较高的硝化细菌浓度，需延长系统水力停留时间，增加了反应装置的占地面积，进而增加了污水处理的基建投资。2）运行费用高。反硝化过程中，由于有机碳源不充足，需外加碳源；为了解决硝化过程产生的酸以维持较好的脱氮效果，需投加一定量的碱；为了使微生物保持较高的浓度以保证良好的脱氮效果，必须回流污泥和硝化液；为了维持硝化细菌活性，需保持较高的供氧量。以上这些都将导致能耗和运行费用的增加，另外大量的废弃污泥不但增加了操作成本也增加了污泥处置的难度。40化工技术与开发第47卷3）系统抗负荷冲击能力低。硝化细菌对污染物负荷变化敏感，活性易受到抑制，对整个系统的脱氮能力影响较大。4）硝化反硝化条件控制复杂。传统生物脱氮过程中，硝化及反硝化两个过程，一个要求好氧，一个需要缺氧，这很难在时间和空间上进行控制。2　短程硝化反硝化生物脱氮新工艺伴随着对生物脱氮理论更深层次的研究，研究者们发现了一系列超出对传统生物脱氮理论认识的奇怪现象，如某些微生物可以在好氧条件下进行反硝化[6]，除了自养菌外，异氧菌也能够参与硝化反应[7]，已有研究者在厌氧反应器中发现了氨氮减少的现象[8]。这些新奇的现象为研究者们提供了新的研究理论和新的研究思路，新的生物脱氮理论也由此而被发现，短程硝化反硝化工艺就是其中之一。2.1　短程硝化反硝化生物脱氮机理短程硝化是将硝化反应控制在NO2--N大量生成的阶段，不继续氧化为NO3--N，而是将NO2--N直接作为电子受体进行反硝化。从传统生物脱氮的机理可以看出，NO2--N是硝化和反硝化过程的中间产物[9]，从生物脱氮的整个过程来看，NH4+-N转化为NO3--N是由氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌两类不同的细菌完成的不同的反应过程[10]，这两类菌的世代周期以及最佳生存条件是不同的，因此是可以分开的。另外，对作用于反硝化过程的反硝化菌而言，NO2--N和NO3--N都可作为最终受氢体，由此可见，短程硝化反硝化是可行的。短程硝化反硝化脱氮反应方程如下：硝化：NH4++1.5O2→NO2-+H2O+2H+反硝化：2NO2-+CH3OH→N2+H2O+CO2+2OH-2.2　短程硝化反硝化工艺的优越性短程硝化反硝化相比于全程硝化反硝化，缩短了反应步骤。正是由于生物脱氮过程中反应步骤的减少，使短程硝化反硝化具有如下优势[11]：1）硝化阶段只需将氨氮氧化为亚硝氮，可减少需氧量，降低了污水处理的运行能耗；2）反硝化阶段节省了外加碳源，降低污水处理运行费用的同时，使低碳氮比废水高效率地脱氮成为可能；3）亚硝氮反硝化的速率是硝氮反硝化速率的近2倍，缩短了系统的水力停留时间，减小了反应器有效容积和占地面积，节省了污水处理的基建投资费用；4）短程硝化反硝化能够减少剩余污泥的排放量，节省了污水处理中的污泥处理费用；5）减少了碱的投加量，运行管理更为简单。3　结语相比于全程硝化反硝化，短程硝化反硝化存在诸多优势，将其应用于污水处理，在经济和技术方面都具有非常高的可行性，适用于高效、低耗的污水处理目标，具有非常好的应用前景。参考文献：[1]何瑞，荆肇乾，杨凯华，等.水中氨氮污染脱除技术研究进展[J].化工技术与开发，2015，44(7)：36-38.[2]FrankPersson,RaziaSultana,MarcoSuarez,etal.Structureandcompositionofbiofilmcommunitiesinamovingbedbiofilmreactorfornitritation-anammoxatlowtemperatures[J].BioresourceTechnology,2014,154:267-273．[3]陆宇燕，李丕鹏.氮肥污染的危害[J].沈阳师范大学学报（自然科学版），2014，32(1)：1-5.[4]FengWang,YiLiu,JinghanWang.Influenceofgrowthmanneronnitrifyingbacterialcommunitiesandnitrificationkineticsinthreelab-scalebioreactors[J].J.Ind.Microbiol.Biotechnol,2012,39:595-604.[5]LingxiaoGong,LiJun,QingYang,etal.Biomasscharacteristicsandsimultaneousnitrification-denitrificationunderlongsludgeretentiontimeinanintegratedreactortreatingruraldomesticsewage[J].BioresourceTechnology,2012,119:277-284.[6]CDu,CWCui,SQiu,etal.NitrogenremovalandmicrobialcommunityshiftinanaerobicdenitrificationreactorbioaugmentedwithaPseudomonasstrainforcoal-basedethyleneglycolindustrywastewatertreatment[J].EnvironmentalScienceandPollutionResearch,2017,24(12):11435-11445.[7]WenjieWan,DonglanHe,ZhijunXue,etal.Removalofnitrogenandphosphorusbyheterotrophicnitrification-aerobicdenitrificationofadenitrifyingphosphorus-accumulatingbacteriumEnterobactercloacaeHW-15[J].EcologicalEngineering,2017,99:199-208.[8]MarcStrous,EricPelletier,SophieMangenot,etal.Modelingofanammoxprocesswiththebiowinsoftwaresuite[J].AppliedBiochemistryandMicrobiology,2017,53(1):78-84.[9]李帅，徐金有，林仙键，等.短程硝化反硝化影响因素41第7期李　娜等：短程硝化反硝化生物脱氮工艺ShortcutNitrificationandDenitrificationBiologicalNitrogenRemovalTechniqueLINa1,LIUYan1,ZHAOZitong1,HUXiaomin2,LIGuode1,WUShiwei1(1.ExperimentalCenter,ShenyangNormalUniversity,Shenyang110034,China;2.SchoolofResourcesandCivilEngineering,NortheasternUniversity,Shenyang110004,China)Abstract:Thehighammonianitrogencontentinwatercouldleadtoeutrophicationofwaterbody,affectanddestroythewaterecologicalbalance.Ammoniareductiontechnologybecameanincreasinglyurgentandimportantissueinthecontrolofwaterenvironmentpollution.Itwasurgenttodevelopaneconomicalandefficienttechnologyforwastewaterdenitrificationtocontrolthepollutedwaterenvironment.Inthispaper,themechanismandproblemsoftraditionalbiologicaldenitrificationwerediscussed,andthemechanismandsuperiorityofshortcutnitrificationanddenitrificationwereintroduced.Keywords:shortcutnitrificationanddenitrification;biologicalnitrogenremoval;mechanism;advantage研究进展[J].广州化工，2014，42(24)：24-26.[10]XiaolianWang,YongMa,YongzhenPeng,etal.Short-cutnitrificationofdomesticwastewaterinapilot-scale