自养反硝化技术-未来脱氮的更优选择(一)

作者: laokou 分类: 水处理 发布时间: 2020-09-01 14:11

自养反硝化指自养反硝化菌(某些化能自养型微生物)利用无机碳(CO2、HCO3、CO32-)作为碳源,主要以无机物(S、S2、H2、S2O32-、Fe、Fe2+、NH4+等)作为硝酸盐氮还原的电子供体完成微生物新陈代谢,将缺少有机碳源的硝酸盐氮污染的水中的NO3-N还原为N2。这一过程和同步反硝化自养反硝化有不同,同步反硝化适宜于原水中高氨氮废水且反硝化是从NO2开始,直接反硝化NH4+。目前自养反硝化技术根据其电子供体类型的不同,主要有氢自养反硝化、硫自养反硝化、铁自养反硝化和厌氧氨氧化四种

国内外近20年来关于自养反硝化的研究表明,自养反硝化菌在处理地下水、地表水硝酸盐氮污染,生活污水深度脱氮方面有广泛的应用前景。主要得益于自养反硝化技术的三大优点:(1)以还原态硫化合物、Fe2+、H2等无机物作为电子供体,不会产生残余有机物;(2)不需外加有机碳源,投资和运行成本大大降低;(3)自养型细菌生长周期长增长率低,降低了污泥产量和出水生物污染的风险。

1.1.2.1氢自养反硝化(氢为电子供体)

氢自养反硝化的细菌称为氢细菌,主要是脱氮副球菌属,该类菌以H2作为电子供体利用CO2、HCO3等无机碳源,进行反硝化脱氮。反应方程式为:

5H2+2NO3→N2+4H2O+2OH                                             (1-2)

H2+0.35NO3+0.35H++0.052CO2→0.17N2+1.1H2O+0.010C5H7O2N                (1-2)”

氢气是自养反硝化理想的电子供体,纯氢气作电子供体,脱氮效率高且反应快速(在以甲醇作为电子供体的异养反硝化试验组中,反硝化速率是30gNO3-N/m3·d,而以H2作为电子供体的自养反硝化试验组中,反硝化速率是18gNO3-N/m3·d),清洁无污染且剩余污泥少,反应剩余氢气易从处理后的水中除去,无二次污染也无需后续处理。但由于氢气易燃且与空气混合易爆,存在一定的安全风险,同时氢气在水中的溶解度很低,20℃时每升水中只能溶解1.6mgH2,其在自养反硝化中利用率不高(仅30%~50%),因此氢气从气态向液态的物质转移速率可能会限制微生物的增长速率从而降低自养反硝化的速率。

对氢自养反硝化的影响因素进行了研究发现在温度为30~40℃时氢自养反硝化效果最好,并且当进水硝酸氮浓度<10mg/L时,总氮的去除率能保持在95%以上。考察pH对氢自养反硝化菌反硝化性能的影响时发现pH<6.7以及pH>9.2时,其生物活性会受到抑制,而当pH为7.7时,反硝化速率最高。

在氢自养反硝化中,H2的来源一直是个难题,因此要考虑水中供氢的方法提高氢气的利用率。向水中供氢气主要通过扩散器从外部加入或通过电化学反应直接在反应器内生成。一般使用外部供氢,将氢气发生器连接反应器充入液体相,但生成的氢气成本较高,因此氢自养反硝化的推广应用受到了一定的限制。

曲久辉等等对以活性炭纤维作电极进行的电化学反应进行了研究,以电解水在阴极产生的氢气作为自养反硝化的电子供体,对水中的硝酸盐氮有良好的去除效果,且无亚硝酸盐氮的积累,但利用电极生物膜法进行反硝化脱氮的具体机理尚不明确,需进一步研究,且该法能耗较高,较难大规模使用。

此外,利用零价铁在水中厌氧腐蚀产生氢气给微生物提供电子供体也是目前研究的一个方向,其原理主要包括方程式(1-3)的生物脱氮反应和前期零价铁的产氢:

Fe0+2H2O→H2+Fe2++2OH                                                (1-3)

但是,由于零价铁本身会跟NO3-N发生一定程度的反应产生NH4+-N这并不是反硝化反应所需要的产物,在各种原材料中,Susham等利用钢丝绒作为产氢的原材料,发现其产生的NH4+-N的量最小,但为了减少NH4+-N的产生量,钢丝绒的浓度也需设的很低,同时为了保证脱氮效果,又必须提高HRT到约13d。目前也有将纳米铁代替零价铁和氢自养反硝化菌相结合,可大大提高脱氮反应效率,但该技术尚处于起步阶段,仍需深入研究。

总结:(1)H2的来源一直是个难题,需要解决氢气利用率;(2)零价铁和NO3-N发生反应产生NH4+-N;(3)氢自养反硝化是一个产碱消耗酸过程,造成pH升高,会影响微生物代谢或者引起矿物质沉淀,降低反硝化速率,在pH>8.6时造成亚硝酸氮积累,脱氮速率严重降低。