自养反硝化技术-未来脱氮的更优选择(八)

作者: laokou 分类: 水处理 发布时间: 2020-09-14 10:30

1.2.2.1单质硫硫自养反硝化

硫磺的主要成分是单质硫,且有少量钙、铁、铝、镁和微量硒、碲等元素。外观为淡黄色脆性结晶或粉末,有特殊臭味。分子量为32.06,蒸汽压是0.13kPa,闪点为207℃,熔点为119℃,沸点为444.6℃,相对密度(水=1)为2.0硫磺不溶于水,微溶于乙醇、醚,易溶于二硫化碳。脱氮硫杆菌在好氧条件下与一般硫杆菌相似,能将硫单质和亚硫酸盐氧化为H2SO4

在厌氧的条件下,以单质硫和硫代硫酸盐作为电子供体氧化硫化物而获得能量,同时还原硝酸盐氮为氮气,实现反硝化作用,达到同步脱氮脱硫的效果。尤其适合处理同时含有高浓度硝酸盐氮和硫酸盐的污水。

脱氮硫杆菌可以利用不同的硫化物作为底物,通过氧化作用获取能量。作为自养菌,它以二氧化碳为碳源来合成细胞成分,组成细胞成分的氮源主要来自氨盐,所需矿质元素为钙、镁、磷、铁、钾等自养菌常规所需的元素。表1-1列出了脱氮硫杆菌获取能量的8种典型生化反应。由前(7)式可见,在有氧条件下,脱氮硫杆菌以O2为电子受体,可根据不同供氧量生成不同产物。可以推断,若在有氧条件下,利用脱氮硫杆菌氧化硫化物生成单质硫,控制较低的溶解氧值是关键因素。否则,继续曝气会生成氧化态硫化合物。

由表1-1第(8)式可见,在厌氧条件下,脱氮硫杆菌以NO3为电子受体,氧化单质硫为硫酸盐的同时还原硝酸盐为氮气。从吉布斯自由能看,该反应过程产生能量很少。可以推断,若以硫化物作为电子供体,细胞可以获得更高的能量。这为寻求脱氮硫杆菌新的代谢途径提供了思路。

在厌氧条件下,硝酸盐又被作为电子受体而被还原。该过程的反应方程式如下:

55S0+50NO3+38H2O+20CO2+4NH4+→25N2+55SO42-+4C5H7O2N+64H+                    (1-20)

硝化过程产生的H+会降低环境中的pH值,而脱氮硫杆菌生存的最优pH环境为中性,因此要想中和反应,就必须向反应中投加碱(CaCO3为例)。

CaCO3+H+→HCO3+Ca2+

HCO3+H+→H2CO3                                              (1-21)

H2CO3→CO2+H2O

根据反应(1-20)和(1-21),每克NO3N转化所需要的碱(如CaCO3)是4.57g(消耗碱的比例)。根据报道,从试验中获得的碱的消耗比例是2.9~4.6,因此这样高的碱消耗率会增加运行成本。两个方法可以解决这个问题:一个是利用石灰石作为碱的来源,建立硫-石灰石自养反硝化系统(Sulfur and limestone autotrophic denitrification system,SLAD)。虽然在自养反硝化过程中利用石灰石看起来是一种经济有效的方法,但是它仍然有不尽如人意的地方,如增加了排出物中总溶解固体(total dissolved solids,TDS)的量。同时,虽然这种方法对于NO3N的含量低于100mg/L的污水处理是十分成功的,但是当处理高硝酸盐含量的污水(高于100mg/L)时,由于CaCO3在水中的溶解度很低,很难用石灰石提供碱,就会发现反硝化效率很低,并且有硝酸盐的积累。另一种减少碱的消耗的方法是利用异养反硝化作用产生的碱,也就是说将自养发硝化菌与异养反硝化菌混合培养,这样自养反硝化所需要的碱就可以从异养反硝化产生的碱中获得。反应方程式如下:

NO3+1.08CH3OH+0.24H2CO3→0.47N2+1.68H2O+0.056C5H7O2N+HCO3        (1-22)

鉴于脱氮硫杆菌具有脱氮的特殊性质,今年来对脱氮硫杆菌的应用研究十分活跃,但是也存在一些问题,如菌体生长的比较慢,对于温度及盐度的耐受性不够强等。限制了其应用范围。

Gommers等人利用脱氮硫杆菌Thiobacillus denitrificans进行试验.结果表明:该细菌能以废水中的NO3为电子受体,将硫化物氧化为单质硫,NO3则被还原为氮气;反应器对废水中硫化物、乙酸和NO3的去除效果都较好,负荷分别达到:硫化物2~3kg/(m3·d),乙酸4~6g/(m3·d),NO35kg/(m3·d);氧化生成的单质硫被进一步氧化为SO42-的情况很少发生。试验中还发现,在缺少NO3时,细菌能利用单质硫作为电子受体,并将其还原为硫化物.