反硝化碳源的替代-自养反硝化-未来脱氮的更佳选择

作者: laokou 分类: 水处理 发布时间: 2020-10-12 10:09

1 硫自养反硝化

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

1.1.1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- H2+0.35NO3-+0.35H++0.052CO2→0.17N2+1.1H2O+0.010C5H7O2N

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。

1.1.2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)。

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。

1.1.3铁自养反硝化(单质铁或者二价铁为供体)

铁自养反硝化脱氮菌可以利用单质铁或二价铁为电子供体来进行反硝化反应,在厌氧的条件下,硝酸根代替氧气成为电子受体,硝酸根氮被还原为氮气。

铁的自养反硝化是一个比较复杂的过程,大致可分为两个阶段:一是铁腐蚀析氨,二是反硝化。第一阶段的反应式如下:

Fe0+2H2O→H2+Fe2++2OH-

铁腐蚀产生的氢气可被反硝化还原菌所利用,将硝酸盐还原为氮气,反应方程式如式1-8所示。零价铁在一定条件可以式与硝酸盐直接发生化学还原反应,将硝酸盐过还原为氨氮,如图左侧所示,其反应式为:

2NO3-+5H2→N2+4H2O+2OH-

4Fe0+NO3-+7H2O→4Fe2++NH4++10OH-

铁与硝酸盐的生物反硝化过程的总反应式为:

5Fe0+2NO3-+6H2O→5Fe2++N2+12OH-

可知在铁、硝酸盐、反硝化细菌共存的条件下,铁与硝酸盐优先进行生物反硝化过程。

2 技术特点

2.1 技术特点

1、对比硝酸盐氮去除方式,硫(硫铁耦合)自养反硝化成本低廉,无需外加碳源,污泥产率低,是一种应用前途广泛的新型脱氮工艺;

2、硫铁耦合自养反硝化:硫自养反硝化细菌以硫磺为电子供体, 将水中的硝酸根还原为氮气,去除水中的硝氮; 单质铁、化合态态铁(黄铁矿、磁黄铁矿、菱铁矿)提供无机碳源支持自养反硝化反应进行, 并同时释放出铁离子化学除磷, 从而实现同步脱氮除磷。

2、硫酸盐问题,利用硫(硫铁耦合)自养反硝化工艺去除硝酸盐时,硝酸盐浓度应低于33.5gNO3—N/L;通过添加其他物质如Ca2+、铁盐等物质可以降低硫酸盐浓度,增加硝酸盐去除量,同时能去除一定磷酸盐,达到除磷脱氮目的。

2.2 关键因素

选取一种既可以替代石灰石中和硫磺反硝化过程产生的H+, 同时也可作为反硝化的电子供体, 对深度脱氮具有很重要的理论与实际意义。 经过大量的研究和反复的实践验证,发现亚铁氧化菌可以利用二价铁作为电子供体, 在缺氧或厌氧的条件下将硝酸盐还原为氮气, 同时产生碱度反应式是:

10FeCO3+2NO3-+16H2O→10Fe(OH)3+N2+10CO2+2OH-

另外还发现,天然菱铁矿的主要成分是FeCO3,它在自然界中广泛存在, 若将硫磺与天然菱铁矿二者配合使用,则能够协同驱动污(废)水的深度脱氮,维持酸碱平衡,同时菱铁矿反硝化过程能够产生二氧化碳,可以持续提供无机碳源以保障污水处理系统中微生物生长代谢的需求, 其反应式如下:

0.86S0+5FeCO3+1.78NO3-+12.59H2O+0.06NH4+→

0.06 C5H7O2N +5Fe(OH)3+0.89N2+4.69CO2+0.85SO42-

采用单质硫及铁复合矿物作为滤料。复合滤料除具备截留悬浮污染物功能也作为缓释型电子供体驱动其附着的自养反硝化细菌从而实现脱氮。选用的复合滤料中包括在反硝化过程中能够产酸和产碱的两大类型,并通过复合比例的优化设计能够使得反硝化脱氮过程中pH值始终保持在中性范围,从而获得较高脱氮速率,并满足出水pH值指标的要求。

根据上述原理,采用菱铁矿作为固体缓释型电子供体。通过复合比例的优化设计达到脱氮过程中pH值始终保持在中性范围。

1、通过滤料材质的选配,将Fe自养反硝化(产碱电子供体)过程和S自养反硝化(产酸电子供体)过程结合,Fe自养反硝化分担S自养反硝化的负荷,进而降低系统硫酸根生成量,同时产生氢氧根可以为S自养反硝化过程提高碱度,系统内酸碱平衡,无需外加碱度;

2、将Fe自养反硝化(产碱电子供体)过程和S自养反硝化(产酸电子供体)过程结合促进二价铁的溶出,遏制硫酸盐生成,从而提高滤池负荷。

3 硫自养的优点

A、使用该滤料后,无需投加碳源,避免碳源投加设备投资,避免药剂燃爆风险

B、避免传统碳源投加过量导致的穿透现象,彻底杜绝出水COD升高的问题

C、滤料消耗费用小于碳源投加费用,运行费用降低,反洗频次减少

D、处理负荷高,滤料替代后确保滤池日处理水量不发生变化

E、滤料原位替代,利用原有反冲洗装置,无需增加设备,改造简单