自养反硝化技术-未来脱氮的更优选择(二)

作者: laokou 分类: 水处理 发布时间: 2020-09-02 09:35

1.1.2.2硫自养反硝化(还原态硫为电子供体)

硫自养反硝化是始于20世纪70年代的利用硫杆菌属进行自养反硝化脱氮的技术,也是目前自养反硝化的重点研究方向。硫自养反硝化是指在缺氧或厌氧条件下,某些光能营养型、无机化能营养型的硫氧化细菌,可利用还原态硫(S2-,S0,SO32-,S4O62-,S2O32-等)作为电子供体,以NO3-N为电子受体,同时通过氧化还原态硫获取能量,将NO3-N还原为氮气的过程。

迄今为止,人们已经证实硫杆菌属(Thiobacillus)有8种:脱氮硫杆菌(Thiobacillus denitrificans)、排硫硫杆菌(Thiobacillus thioparus)、那不勒斯硫杆菌(Thiobacillus naples)、氧化硫硫杆菌(Thiobacillus thiooxidans)、氧化亚铁硫杆菌(Thiobacillus ferrooxidans)、新型硫杆菌(Thiobacillus novellas)、中间硫杆菌(Thiobacillus intermedius)、代谢不全硫杆菌(Thiobacillus perometabolis)。其中脱氮硫杆菌是较为特殊的一个种,它能在胞外聚集单质硫,在厌氧条件下以硝酸盐作为电子受体进行生长。脱氮硫杆菌为革兰氏阴性菌,细胞形态为短杆状,长度约0.5×(1.0~3.0)μm,具有内褶结构,端生鞭毛,运动性强,专性自养,兼性厌氧,最适pH值为中性,在8~37℃范围内均能生长,最适生长温度为28~30℃,是中温菌。广泛分布在土壤、淡水、海水、矿山的排水、阴沟污水、含硫温泉以及硫沉积的地方。脱氮硫杆菌对高盐环境的适应性不强,如当硫酸根浓度超过250mmol/L时,由于总离子强度的升高其生长将受到抑制。

1904年Benjeric首先分离到脱氮硫杆菌(Thiobacillus denitrificans),之后Baalsurd研究了它的生理特性。脱氮硫杆菌广泛存在于土壤、淡水和海洋沉积物、污水处理池中,特别是厌氧条件下能够大量生长。脱氮硫杆菌是化能自养型细菌,在氧化硫化物的过程获得能量,并以硝酸盐为电子受体。因此,这是一类在废水同步脱硫反硝化处理工艺中起主要作用的微生物。脱氮硫杆菌能够利用的氮源范围很广,包括氨盐、硝酸盐、亚硝酸盐以及氨基酸等。在厌氧条件下,硝酸盐因作为电子受体而被还原并生成氮气。在硫循环体系中,好氧条件下,脱氮硫杆菌以氧为电子受体氧化还原硫化合物而获得能量。厌氧条件下,脱氮硫杆菌以反硝化反应的方式同时参与硫、氮循环,以硝酸盐中的氧来氧化硫化合物。

脱氮硫杆菌是一种专性自养和兼性厌氧型细菌。在好氧条件下可以将硫单质和硫化物氧化为硫酸盐。在厌氧条件下,利用硝酸盐作为电子受体,可以进行自养反硝化。由于该菌株有脱硫反硝化的特性,近年来越来越多的研究利用脱氮硫杆菌来抑制微生物腐蚀、从工业废气或者天然气中去除硫化氢(H2S)气体,去除受污染水体中的硝酸盐和废水同步脱氮除硫处理等应用。

几种利用硫及其还原性硫化物作能源的反硝化反应式如下:

1.1S0+NO3+0.76H2O+0.4CO2+0.08NH4+→0.5N2+1.10SO42-+1.28H++0.08C5H7O2N     (1-4)

0.844S2O32-+NO3+0.086HCO3+0.347CO2+0.434H2O+0.086NH4+

→0.5N2+1.689SO42-+0.697H++0.086C5H7O2N     (1-5)

0.421H2S+0.421HS+NO3+0.086HCO3+0.346CO2+0.086NH4+

→0.5N2+0.842SO42+0.262H++0.086C5H7O2N+0.434H2O    (1-6)

从上述反应式可知,(1)硫自养反硝化反应过程产酸,一般处理后出水呈弱酸性,由于硫自养反硝化菌的最适生长pH为中性,当pH过低会造成亚硝酸盐的积累,因此需要向反应器中投加碱或调节初始水质pH偏碱性;(2)硫自养反硝化过程一般要求兼氧环境DO<1mg/L,温度对脱氮速率影响较大,随着温度的下降,脱氮速率呈减小趋势,其影响在温度为20℃左右时最为显著。Claus、Trouve等[研究发现硫自养反硝化过程中由于温度、pH、S/N比等环境条件的影响,会产生中间产物NO2-N,对硫自养反硝化有明显的抑制作用。(3)由公式(1-4)、(1-5)可知采用硫代硫酸盐为电子供体去除硝酸盐效率高于单质硫,但是产生的硫酸盐对于2种电子供体去除效果影响,后者低于前者。

与异养反硝化不同,硫自养反硝化具有两个优势:①不需要投加有机物作为碳源,节省资源的同时防止二次污染的产生;②产生的污泥量极少,因此降低到了污泥的处理量和处理费用,但硫自养反硝化过程会消耗碱度且产生较高浓度硫酸盐,当采用不同还原性硫时,硫自养反硝化产物和中间产物内部一样,主要会产生NO2盐或者NO2盐瞬间积累。