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国际上的生物脱氮技术介绍
添加时间:2019-09-19

现如今,传统的生物脱氮技术存在一些局限性:如曝气耗能量大、有机碳源缺乏、操作流程繁琐、耐冲击负荷能力差等。1995年,NH4+-N在NO2--N减少的同时也发生减少的现象被Mulder等人在厌氧流化床反应器中观察到,大量国内外学者提出了一些区别于传统生物脱氮技术的新型脱氮过程。例如荷兰Delft大学提出了一种名为厌氧氨氮化的新型脱氮技术,具有无需外加有机碳源,污泥的产量少、脱氮的效率高等优点。

1.厌氧氨氮化机理

Graaf等采用15N追踪进行试验,提出了厌氧氨氮化反应可能的代谢过程。首先NO2-还原生成羟胺(NH2OH),然后AnAOB以NH2OH作为电子受体将NH4+氧化为联氨(N2H4),又进一步将N2H4氧化成N2,同时产生2H+。之后,M.S.M.Jetten等发现了厌氧氨氮化反应是在AnAOB的细胞内进行,对反应机理的了解得到进一步加深并称其为厌氧氨氮化体,提出了一种厌氧氨氮化反应的过程模拟。该过程分为3步:
第1步,细胞质一侧的NO2-,在亚硝酸盐还原酶(NIR)的作用下被还原成NH2OH;
第2步,NH2OH转运到厌氧氨氮化体一侧,NH4+在联氨水解酶(HH)的作用下氧化成N2H4;
第3步,厌氧氨氮化体一侧的联氨氧化酶(HZO)将N2H4氧化为N2,同时释放4H+和4e,通过跨膜运输物质将4e转运给细胞质一侧的NIR,用于下一轮的厌氧氨氮化。

2.厌氧氨氮化工艺

厌氧氨氮化工艺分成两级系统的分体式工艺和一级系统的一体式工艺两种反应器类型。将两个反应在不同的反应器内进行就是分体式工艺,比如SHARON-ANAMMOX工艺。只在单个反应器内进行反应就是一体式工艺,主要包含了CANON工艺、OLAND工艺和DEMON工艺等。

⑴SHARON-ANAMMOX工艺

SHARON-ANAMMOX工艺是目前使用最多的厌氧氨氮化工艺,它主要分为两个步骤,第一步是SHARON部分,50%~60%左右的NH4+-N被氧化成NO2--N。根据氨氧化菌(AOB)和亚硝酸盐氧化菌(NOB)的不同生长条件,控制其运行温度、水力停留时间(HRT)以及污泥停留时间(SRT)等,逐渐淘汰反应器中的NOB使AOB成为该反应器的主体菌,累积获得稳定的NO2--N,控制氨的氧化过程只发生到生成NO2--N阶段。第二步是ANAMMOX部分,剩下未反应的NH4+-N与新生成的NO2--N发生厌氧氨氮化反应生成N2,并形成一部分NO3--N。当SHARON工艺和ANAMMOX工艺联合使用时,只将50%的NH4+-N转化成NO2--N,这样就不需要再额外加入NO2--N,此外,硝化反应引起的碱度消耗可由厌氧出水中含有的重碳酸盐来补偿,因而无需再额外投加碱度物质。

⑵CANON工艺

CANON工艺是指通过控制单个反应器中的溶解氧(DO)实现亚硝化和厌氧氨氮化。CANON工艺反应器中主要是絮状或颗粒形态的污泥。在曝气条件下,絮状或颗粒形态的污泥表层呈现好氧状态,AOB数量很多并且丰富,NH4+-N在表层被氧化生成NO2--N,与此同时存在于表层的DO也被完全耗尽,有效地防止了DO进一步转移到内部,从而在絮状或颗粒形态的污泥内部形成厌氧区为AnAOB提供了适宜的生长环境。原水中剩余的未反应的NH4+-N和生成的NO2--N进入其内部,经过厌氧氨氮化反应脱氮。CANON工艺易受到NOB的干扰,与AnAOB竞争底物,因此保证CANON工艺稳定运行的条件是控制NOB的生长,一般可以通过控制DO或NO2--N来实现。

⑶OLAND工艺

OLAND工艺是2005年由Windey等提出的,与CANON工艺不同,OLAND工艺是在生物转盘反应器的基础上运行。在生物转盘反应器的表面由AnAOB和AOB形成生物膜,位于生物膜表层的是AOB,位于生物膜底层的是AnAOB,空气或水中的DO被AOB作为电子受体,将NH4+-N氧化成NO2--N,与此同时,DO被完全耗尽,生物膜底层呈现出厌氧环境,扩散转移进入底层的NH4+-N以及NO2--N进行了厌氧氨氮化反应生成N2,实现脱氮。该工艺的优点是在适宜的操作条件下运行耗能量低,管理方便,氮的去除率高。该工艺在工程应用中仍很少见,随着生物转盘反应器的应用发展,该工艺有希望更广泛地应用到工程实例当中。

⑷DEMON工艺

DEMON工艺是1996年由Hannover大学的Hippen等提出的。控制供养条件是DEMON工艺的关键,该工艺主要以SBR方式运行。与CANON工艺和OLAND工艺的不同之处在于,DEMON工艺是通过调节pH值进而控制反应器中NO2--N的浓度,防止过量累积的NO2--N抑制AnNOB的生长。Rosenwinkel[5]等运用DEMON工艺对污水处理厂污泥废水进行了实验研究,通过控制温度、pH值、DO浓度等操作条件,实现了AOB和AnAOB的积累。在氨氧化负荷为120kg/d时,去除率达到70%,且运行稳定。

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