生物脱氮讲义
(内部稿)
目录
一、基本概念 (3)
二、脱氮原理及影响脱氮的因素 (4)
(一)生物脱氮原理 (4)
(二)生物脱氮过程的影响因素 (9)
三、主要生物脱氮工艺介绍 (12)
1、生物脱氮传统工艺 (12)
2、缺氧/好氧(A1/O)脱氮工艺 (13)
四、生物脱氮新工艺及其技术原理介绍 (19)
(一)半硝化工艺(SHARON) (19)
(二)厌氧氨氧化工艺(ANAMMOX) (20)
(三)半硝化-厌氧氨氧化工艺(SHARON–ANAMMOX) (22)
(四)生物膜内自养脱氮工艺(CANON) (23)
一、基本概念
1、名词解释
1.1总氮(TN):水中各种形态无机和有机氮的总量。包括NO3-、NO2-和NH4+
等无机氮和蛋白质、氨基酸和有机胺等有机氮,以每升水含氮毫克数计算。常被用来表示水体受营养物质污染的程度。通常可以简单的理解为水体中各种形态氮的总和。
1.2总凯氏氮(TKN):包括氨氮和能转化为铵盐而被测定的有机氮化合物。此类有机氮化合物主要有蛋白质、氨基酸、肽、胨、核酸、尿素以及合成的氮为负三价形态的有机氮化合物。通常可以简单的理解为水中氨氮和有机氮的总和。
1.3氨氮(NH3-N):又名氨态氮,是指水中以游离氨(NH3)和铵离子(NH4+)形式存在的氮。
1.4硝态氮:是指硝酸盐及亚硝酸盐中所含有的氮元素
以上四者之间的关系图如下:
2、脱氮基本概念
废水中存在着有机氮、氨氮、硝态氮等形式的氮,而其中以氨氮和有机氮为主要形式。在生物处理过程中,有机氮被异养微生物氧化分解,即通过氨化作用转化为成氨氮,而后经硝化过程转化变为NO3-N和NO2-N,最后通过反硝化作用使硝态氮转化成氮气,而逸入大气,从而降低废水中N的含量。
二、脱氮原理及影响脱氮的因素
(一)生物脱氮原理
污(废)水中的氮一般以氨氮和有机氮的形式存在,通常是只含有少量或不含亚硝酸盐和硝酸盐形态的氮,在未经处理的污水中,氮有可溶性的氮,也有非溶性的氮。可溶性有机氮主要以尿素和氨基酸的形式存在;一部分非溶性有机氮在初沉池中可以去除。在生物处理过程中,大部分的非溶性有机氮转化成氨氮和其他无机氮,却不能有效地去除氮。废水生物脱氮的基本原理就在于,在有机氮转化为氨氮的基础上,通过硝化反应将氨氮转化为亚硝态氮、硝态氮,再通过反硝化反应将硝态氮转化为氮气从水中逸出,从而达到除去氮的目的。
1、氨化作用
(1)概念
氨化作用是指将有机氮化合物转化为氨态氮的过程,也称为矿化作用。
(2)细菌
参与氨化作用的细菌成为氨化细菌。在自然界中,它们的种类很多,主要有好氧性的荧光假单胞菌和灵杆菌,兼性的变形杆菌和厌氧的腐败梭菌等。
(3)降解方式(分好氧和厌氧)
在好氧条件下,主要有两种降解方式,一是氧化酶催化下的氧化脱氨。例如氨基酸生成酮酸和氨:
丙氨酸亚氨基丙酸丙酮酸
另一是某些好氧菌,在水解酶的催化作用下能水解脱氮反应。例如尿素能被许多细菌水解产生氨,分解尿素的细菌有尿八联球菌和尿素芽孢杆菌等,它们式好氧菌,其反应式如下:
在厌氧条件或缺氧的条件下,厌氧微生物和兼性厌氧微生物对有机氮化合物进行还原脱氨、水解脱氨和脱水脱氨三种途径的氨化反应。
2、硝化作用
(1)概念
硝化作用是指将氨氮氧化为亚硝酸氮和硝态氮的生物化学反应,
(2)细菌
这个过程由亚硝酸菌和硝酸菌共同完成。
亚硝化菌有亚硝酸单胞菌属、亚硝酸螺杆菌属和亚硝酸球菌属。硝酸菌有硝化杆菌属、硝化球菌属。亚硝酸菌和硝化菌统称为硝化菌。
(3)反应过程
包括亚硝化反应和硝化反应两个阶段。该反应历程为:
1.第一阶段:
生化氧化:
生化合成:
则第一阶段的总反应式(包括氧化和合成)为:2.
第二阶段:
生化氧化:
生化合成:
则第二阶段的总反应式为:
第一阶段反应放出能量多,该能量供给亚硝酸菌,将NH 4+合成NO 2-,维持反应的持续进行,第二阶段反应放出的能量较小。从NH 4+→NO 3-的反应历程如下表所示。
硝化过程总反应过程如下
该式包括了第一阶段、第二阶段的合成及氧化,由总反应式可知,反应物中的N大部分被硝化为NO3-,只有2.1%的N合成为生物体,硝化菌的产量很低,且主要在第一阶段产生(占1/55)。若不考虑分子态以外的氧合成细胞本身,光从分子态氧来计量,只有1.1%的分子态氧进入细胞体内,因此细胞的合成几乎不需要分子态的氧。
硝化过程总氧化式为:
(4)特点
从上式可以看出硝化过程的三个重要特点:
⑴NH3的生物氧化需要大量的氧,大约每去除1g的NH3-N需要4.2gO2;
⑵硝化过程细胞产率非常低,且难以维持较高胜物浓度,特别是在低温的冬季;
⑶硝化过程中产生大量的的质子(H+),为了使反应能顺利进行,需要大量的碱中和,其理论上大约为每氧化1g的NH3-N需要碱度7.14g(以CaCO3计)。
3、反硝化作用
(1)概念
反硝化作用是指在厌氧或缺氧(DO<0.3-0.5mg/L)条件下,硝态氮、亚硝态氮及其其它氮氧化物被用作电子受体而还原为氮气或氮的其它气态氧化物的生物学反应。
(2)细菌
这个过程反硝化菌完成。
反硝化细菌包括假单胞菌属、反硝化杆菌属、螺旋菌属和无色杆菌属等。它们多数是兼性细菌,有分子态氧存在时,反硝化菌氧化分解有机物,利用分子氧作为最终电子受体。在无分子态氧条件下,反硝化菌利用硝酸盐和亚硝酸盐中的N5+和N3+作为电子受体。O2-作为受氢体生成H2O和OH-碱度,有机物则作为碳源及电子供体提供能量,并得到氧化稳定。
反硝化过程中亚硝酸盐和硝酸盐的转化是通过反硝化细菌的同化作用和异化作用来完成的。异化作用就是将NO2-和NO3-还原为NO、N2O、N2等气体物质,主要是N2。而同化作用是反硝化菌将NO2-和NO3-还原成为NH3-N供新细胞合成之用,氮成为细胞质的成分,此过程可称为同化反硝化。
(3)反硝化过程
反硝化反应式如下:
[H]可以是任何能提供电子,且能还原NO3―及NO2―为的物质,包括有机物、硫化物、H+等。
反硝化反应历程如下:
(二)生物脱氮过程的影响因素
1、硝化反应影响因素
(1)有机碳源
硝化菌是自养型细菌,有机物浓度不是它的生长限制因素,故在混合液中的有机碳浓度不应过高,一般BOD值应在20mg/L以下。如果BOD浓度过高,就会使增殖速度较高的异养型细菌迅速繁殖,从而使自养型的硝化菌得不到优势而不能成为优占种属,严重影响硝化反应的进行。
(2)温度
在生物硝化系统中,硝化细菌对温度的变化非常敏感,在5~45℃的范围内,硝化菌能进行正常的生理代谢活动,且随着温度的升高,硝化反应的速率也增加。当废水温度低于15℃时或大于35℃,硝化速率会明显下降,当温度低于10℃时已启动的硝化系统可以勉强维持,硝化速率只有30℃时的硝化硝化速率的25%,当温度低于5℃时,硝化菌的活性基本停止。尽管温度的升高,生物活性增大,硝化速率也升高,但温度过高将使硝化菌大量死亡,实际运行中要求硝化反应温度低于35℃。
(3)pH值
硝化菌对pH值的变化非常敏感,最佳pH值范围内为7.5~8.5,当pH值低于7时,硝化速率明显降低,低于6和高于9.6时,硝化反应将停止进行.。由于硝化反应中每消耗1g氨氮要消耗碱度7.14g,如果污水氨氮浓度为20mg/L,则需消耗碱度143mg/L。一般地,污水对于硝化反应来说,碱度往往是不够的,因此应投加必要的碱量,以维持适宜的pH值,保证硝化反应的正常进行。
(4)溶解氧
氧是硝化反应过程中的电子受体,反应器内溶解氧高低,必将影响硝化反应得进程。在活性污泥法系统中,大多数学者认为溶解氧应该控制在1.5~2.0mg/L
内,低于0.5mg/L则硝化作用趋于停止。当前,有许多学者认为在低DO(1.5mg/L)下可出现SND现象。在DO>2.0mg/L,溶解氧浓度对硝化过程影响可不予考虑。但DO浓度不宜太高,因为溶解氧过高能够导致有机物分解过快,从而使微生物缺乏营养,活性污泥易于老化,结构松散。此外溶解氧过高,过量能耗,在经济上也是不适宜的。
(5)C/N比
在活性污泥系统中,硝化菌只占活性污泥微生物的5%左右,这是因为与异养型细菌相比,硝化菌的产率低、比增长速率小。而BOD5/TKN值的不同,将会影响到活性污泥系统中异养菌与硝化菌对底物和溶解氧的竞争,从而影响脱氧效果。一般认为处理系统的BOD负荷低于0.15BOD5/(gMLSS·d),处理系统的硝化反应才能正常进行。
(6)生物固体平均停留时间(污泥龄)
为保证连续流反应器中存活并维持一定数量和性能稳定的硝化菌,微生物在反应器的停留时间。即污泥龄应大于硝化菌的最小世代时间,硝化菌的最小世代时间是其最大比增长速率的倒数。脱氮工艺的污泥龄主要由亚硝酸菌的世代时间控制,因此污泥龄应根据亚硝酸菌的世代来确定。实际运行中,一般应取系统的污泥龄为硝化菌最小世代时间的三倍以上,并不得小于3~5d,为保证硝化反应的充分进行,污泥龄应大于10d。
(7)重金属及有毒物质
除了重金属外,对硝化反应产生抑制作用的物质还有:高浓度氨氮、高浓度硝酸盐有机物及络合阳离子等。据研究,当污水中氨氮浓度小于200mg/L,亚硝态氮浓度小于100mg/L时,对硝化作用没有影响。
2、反硝化反应影响因素
(1)温度
反硝化细菌对温度变化虽不如硝化细菌那样敏感,但反硝化效果也会随温度变化而变化。温度越高,硝化速率也越高,在30~35℃时增至最大。当低于15℃时,反硝化速率将明显降低;至5℃时,反硝化将趋于停止。
(2)pH值
pH值是反硝化反应的重要影响因素,对反硝化最适宜的pH值是6.5~7.5,在这个pH值的条件下,反硝化速率最高,当pH值高于8或者低于6时,反硝化速率将大为下降。
(3)外加碳源
反硝化菌是属于异养型兼性厌氧菌,在厌氧的条件下以NO x-N为电子受体,以有机物(有机碳)为电子供体。由此可见,碳源是反硝化过程中不可少的一种物质,进水的C/N直接影响生物脱氮除氮效果的重要因素。一般BOD/TKN=3~5,有机物越充分,反应速度越快,当废水中BOD/TKN小于3时,需要外加碳源才能达到理想的脱氮目的。因此碳源对反硝化效果影响很大。反硝化的碳源来源主要分三类:一是废水本身的组成物,如各种有机酸、淀粉、碳水化合物等;二是废水处理过程中添加碳源,一般可以添加附近一些工业副产物,如乙酸、丙酸和甲醇等;三是活性污泥自身死亡自溶释放的碳源,称为内源碳。
(4)溶解氧
反硝化菌是兼性菌,既能进行有氧呼吸,也能进行无氧呼吸。含碳有机物好氧生物氧化时所产生的能量高于厌氧硝化时所产生的能量,这表明,当同时存在分子态氧和硝酸盐时,优先进行有氧呼吸,反硝化菌降解含碳有机物而抑制了硝酸盐的还原。所以,为了保证反硝化过程的顺利进行,必须保持严格的缺氧状态。微生物从有氧呼吸转变为无氧呼吸的关键是合成无氧呼吸的酶,而分子态氧的存在会抑制这类酶的合成及其活性。由于这两方面的原因,溶解氧化对反硝化过程有很大的抑制作用。一般认为,系统中溶解氧保持在0.5mg/L以下时,反硝化反应才能正常进行。但在附着生长系统中,由于生物膜对氧传递的阻力较大,可以容许较高的溶解氧浓度。
三、主要生物脱氮工艺介绍
1、生物脱氮传统工艺
由巴茨(Barth)开创的传统活性污泥法脱氮工艺为三级活性污泥法流程,它是以氨化、硝化和反硝化3段生化反应过程为基础建立的。其工艺流程如下图所示:
该工艺流程将去除BOD5与氨化、硝化和反硝化分别在三个反应池中进行,并各自有其独立的污泥回流系统。第一级曝气池为一般的二级处理曝气池,其主要功能是去除BOD、COD,将有机氮转化为NH3-N,即完成有机碳的氧化和有机氮的氨化功能。第一级曝气池的混合液经过沉淀后,出水进入第二级曝气池,称为硝化曝气池,进入该池的污水,其BOD5值已降至15~20mg/L的较低水平,在硝化曝气池内进行硝化反应,使NH3-N氧化为NO3--N,同时有机物得到进一步离解,污水中BOD5进一步降低。硝化反应要消耗碱度,所以需投加碱,以防pH值下降。硝化曝气池的混合液进入沉淀池,沉淀后出水进入第三级活性污泥系统,称为反硝化反应池,在缺氧条件下,NO3--N还原为气态N2,排入大气。因为进入该级的污水中的BOD5值很低,为了使反硝化反应正常进行,所以需要投加CH3OH(甲醇)作为外加碳源,但为了节省运行成本,也可引入原污水充作碳源。
在这一系统的后面,为了去除由于投加甲醇而带来的BOD值,可设后曝气池,经处理后排放水体。
这种系统的优点是有机物降解菌、硝化菌、反硝化菌分别在各自反应器内生
长增殖,环境条件适宜,并具有各自的污泥回流系统,反应速度快,而且比较彻底。但也存在处理设备多、造价高、处理成本高、管理不够方便等缺点。
为了减少处理设备,根据去除BOD和硝化反应都需在曝气好氧条件下进行,故可以将三级活性污泥法脱氮工艺中的去除BOD为目的的第一级曝气池和第二
级硝化曝气池相合并,将BOD去除和硝化两个反应过程放在统一的反应器内进行,于是就产生了两级生物脱氮系统,两级生物脱氮系统工艺如下图所示:
该两级生物脱氮传统工艺仍存在处理设备较多、管理不太方便、造价较高和处理成本高等缺点。
上述生物脱氧传统工艺目前已应用得很少。
2、缺氧/好氧(A1/O)脱氮工艺
(1)A1/O生物脱氮工艺
为了克服传统的生物脱氮工艺流程的缺点,根据生物脱氮的原理,在20世
纪80年代初开创了A1/O工艺流程,如上图所示,图中,生物脱氮工艺将反硝化反应器放置在系统之前,所以又称为前置反硝化生物脱氮系统。在反硝化缺氧池中,回流污泥中的反硝化菌利用原污水中的有机物作为碳源,将回流混合液中的大量硝态氮(NO X--N)还原成N2,而达到脱氮目的。然后再在后续的好氧池中进行有机物的生物氧化、有机氮的氨化和氨氮的硝化等生化反应,所以,A1/O工艺具有以下主要优点:
①流程简单,构筑物少,只有一个污泥回流系统和混合液回流系统,基建费用可大大节省。
②反硝化池不需外加碳源,降低了运行费用。
③A1/O工艺的好氧池在缺氧池之后,可以使反硝化残留的有机污染物得到进一步去除,提高出水水质。
④缺氧池在前,污水中的有机碳被反硝化菌所利用,可减轻其后好氧池的有机负荷。同时缺氧池中进行的反硝化反应产生的碱度可以补偿好氧池中进行硝化反应对碱度的需求的一半左右。
A1/O工艺的主要缺点是脱氮效率不高,一般为70%~80%。此外,如果沉淀池运行不当,则会在沉淀池内发生反硝化反应,造成污泥上浮,使处理水水质恶化。尽管如此,A1/O工艺仍以它的突出特点而受到重视,该工艺是目前采用比较广泛的脱氮工艺。
(2)A1/O工艺的影响因素
1.水力停留时间
要使脱氮效率达到70%~80%,硝化反应的水力停留时间不应小于6h,而反硝化反应的水力停留时间在2h之内即可。一般,硝化与反硝化的水力停留时间比为3:1。否则,脱氮效率迅速下降。
2.BOD5
进入硝化反应池(好氧池)BOD5值在80mg/L以下。当BOD5浓度过高,导致异养型细菌迅速繁殖,从而使自养型硝化菌得不到优势而不能成为优占种属,则硝
化反应无法进行。
3.DO值
硝化好氧池中的DO值应控制2.0mg/L左右,以保证硝化菌的好氧状态,并要满足其“硝化需氧量”的要求,即氧化1g的NH3-N需4.75g氧。
4.pH值
随着硝化反应的进行,混合液的pH值下降,而硝化菌对pH值的变化十分敏感,最佳PH值是8.0~8.4。为了保持适宜的pH值,就应当在废水中保持足够的碱度,从而起到缓冲作用。通常来说,1g氨态氮(以N计)完全硝化,约需碱度7.1g(以CaCO3计)。而反硝化过程中产生的碱度(3.57g碱度/gNO x--N)可补偿硝化反应耗碱度的一半左右。
反硝化反应的最适宜的PH值为6.5~7.5,此时反硝化速率最高,当大于8或低于6时,则反硝化速度大为下降。
5.温度
硝化反应适宜温度是20~30℃。在15℃以下时,硝化速度下降,5℃则完全停止。而反硝化反应的适宜温度是20~40℃,低于15℃时,反硝化菌的增殖速率降低,代谢速率随之也降低,使反硝化速率下降。因此,在冬季低温季节,应考虑提高反硝化的污泥龄、降低负荷率、提高废水停留时间等措施来保持一定的反硝化速率。
6.污水中的溶解性BOD5/NOX--N的比值
污水中的溶解性BOD5/NO X--N的比应大于4,否则使反硝化速率很快下降。当该比值小于4时,需另投加有机碳源,如甲醇(CH3OH)。
7.混合液回流比R
混合液回流比的大小直接影响反硝化的脱氮效果。一般来说,混合液回流比升高,脱氮率也提高。但混合液回流比太高,工艺过程动力消耗太大,运行费用大大提
高。根据在好氧池中和缺氧池中的硝化率和反硝化率为100%,并忽略细菌合成代谢所去除NH4+-N的影响,A1/O工艺系统的脱氮率与混合液回流比可根据公式
η=R÷(1+R)×100%
计算,其关系如下表所示。
A1/O工艺系统脱氮率与混合液回流比关系
R(%)50.0100.0200.0300.0400.0500.0600.0700.0800.0900.01000.0η(%)33.350.066.775.080.083.385.087.588.890.090.9可见,回流比在50%以下时,脱氮率很低,混合液回流比在200%以下时,则脱氮率随回流比增高而显著上升。但回流比大于200%以后,脱氮率提高就比较缓慢了。一般地,混合液回流比的取值为200%~500%,太高则动力消耗太大,故A1/O工艺
的脱氮率一般为70%~80%,难以达到90%。
8.MLSS:
A1/O工艺的MLSS一般应在3000mg/L以上,低于此值,则A1/O工艺系统的脱氮效果将明显降低。
9.KN/MLSS负荷率
在硝化反应中,该负荷率应在0.05g kN/(gMLSS·d)之下。
10.BOD5/MLSS负荷率
在硝化反应中,影响硝化的主要因素是硝化菌的存在和活性,因为自养型硝化菌的最小比增殖速度为0.21/d,而异养型好氧菌的最小比增殖速度为1.2/d,前者比后者的比增殖速度小得多。要使硝化菌存活并占有优势,成为优占菌种,则要求污泥龄应大于4.76d,但对于异养型好氧菌,则污泥龄只需0.8d,在传统活性污泥法中,由于污泥龄只有2~4d,所以硝化菌不能存活并占优势,故不能完成硝化任务。对此,要加大曝气池容积或增加MLSS的浓度,以降低有机负荷,从而增
大污泥龄。试验证明,其污泥负荷率应小于0.18kgBOD5/(kgMLSS·d)。
11.污泥龄θc
硝化菌的平均世代时间约3.3d(20℃),为了保证在硝化池内保持足够数量的硝化菌以进行NH4+-N硝化,设计的污泥龄应为硝化菌世代时间的3倍,否则硝化菌不能得到大量繁殖,影响硝化效果,硝化菌的世代时间与污水温度有密切关系。污水温度(℃)5101520
硝化菌世代时18105 3.5如果冬季水温为10℃,硝化菌的世代时间为10d,则设计污泥龄应为30d。(3)A1/O工艺设计参数
1.水力停留时间:硝化时水力停留时间不小于5~6h;反硝化时水力停留时间不大于2h;A段:O段的水力停留时间的比例一般为3。
2.污泥回流比为50%~100%。
3.混合液回流比为:300%~400%。
4.BOD5/TN>4(反硝化段),理论BOD消耗量为1.72gBOD/gNO x--N。
5.硝化段污泥负荷率为<0.05kgBOD5/(kgMLSS·d)。
6.硝化段的KN/MLSS负荷率<0.18kgKN/(kgMLSS·d)。
7.反应池内混合液浓度X为3000mg/L,一般为3000~4000mg/L。
8.溶解氧。A段缺氧池的溶解氧<0.5mg/L。O段好氧池的溶解氧≥2mg/L。
9.pH值。A段反硝化池的pH值为6.5~7.5;O段硝化池的pH为7.0~8.0
10.水温。硝化时水温为20~30℃;反硝化时水温为20~30℃
11.硝化反应氧化1gNH4+-N需氧4.57g,需消耗碱度7.1g(以CaCO3计)。
12.反硝化反应还原1gNH4+-N将放出2.6g氧,生成3.57g碱度(以CaCO3计),并消耗1.72gBOD5。
13.A1/O工艺的需氧量:A1/O工艺的需氧量应包括有机物降解的需氧量和硝化需氧量两部分,并应考虑细胞合成所需的氨氮和排放剩余活性污泥所相当的BOD5值。同时,还应考虑反硝化过程中放出的氧量与消耗相应量的有机物反硝化菌的碳源所相当的BOD5值,所以
O2=aSr+bNr-bND-cXW
式中:O2—需氧量,(kg/d);
Sr—BOD的去除量,(kg/d)。
Sr=QK(S0-Se)
式中:Q—平均日流量,(m3/d);
K—污水的日变化系数;
S0、Se—污水流入、流出的BOD5浓度,(g/m3);
Nr—氨氮被硝化去除量,(kg/d)。
Nr=[QK(NK0-NKe)-0.12XW]
式中:NK0、NKe—进、出水K氏氮浓度,(g/m3);
XW—每天生成的活性污泥量,即每天排放的剩余活性污泥量,(kg/d);0.12—微生物体中氮含量的比例系数,即生成1kg生物体需0.12Kg氮量;ND—NOX--N的脱氮量,(kg/d)。
ND=QK(NK0-NKe-NOe)-0.12XW
式中:NOe—出水中NOX--N浓度,(g/m3);
XW—每天的生成活性污泥量,(kg/d);
a,b,c—BOD5、NH4+-N和活性污泥氧的当量,其数值分别为1、4.57、1.42。其余符号同上。
详细的计算公式为式中:
(Ⅰ)项—有机物降解的需氧量;
(Ⅱ)项—氨氮硝化的需氧量;
(Ⅲ)项—排放剩余污泥氧当量的总量;
(Ⅳ)项—反硝化脱氮所放出的氧量。
b×0.56=4.6×0.56≈2.6
即每千克NO X--N被反硝化脱氮时放出2.6kg氮量。
四、生物脱氮新工艺及其技术原理介绍
传统生物脱氮工艺存在的问题:
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:
1、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;
2、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;
3、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
(一)半硝化工艺(SHARON)
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NH3-N浓度(>0.5gN/L)较高的废水生物脱氮,反应常在30~35℃内进行。
在碱度足够的条件下,废水中50%的NH3-N被亚硝化细菌氧化为NO2-N。
NH4++HCO3-+0.75O20.5NH4++0.5NO2-+CO2+1.5H2O
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。
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:NO3-经过反硝化细菌作用最终转化成N2。
(二)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%。