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短程硝化和短程反硝化

發布時間：

2023-11-16

什麽是短程硝化？ 廢水生物(wù)脫氮，一般由硝化和反硝化兩個過程完成，而硝化過程分(fēn)為(wèi)氨氧化階段和亞硝酸鹽氧化階段。這兩個階段分(fēn)别由氨氧化菌(AOB)和亞硝酸鹽氧化菌(NOB)獨立催化完成 第一階段是在AOB的作(zuò)用(yòng)下，将氨氮NH3－N氧化為(wèi)亞硝态氮NO2―N；而第二階段是在NOB的作(zuò)用(yòng)下，将亞硝态氮NO2―N氧化為(wèi)硝态氮NO3―N。 由于硝化反應是由兩類生理(lǐ)特性完全不同的細菌獨立催化完成的不同反應，所以需要通過适當控制條件，可(kě)以将硝化反應控制在NO2―N階段，阻止NO2―N的進一步氧化，短程硝化的成功的标準就是系統中(zhōng)大量NO2-N累積！随後直接進行反硝化或者厭氧氨氧化，這就是為(wèi)什麽短程硝化如此重要的原因！ 什麽是短程反硝化？ 短程反硝化（partial denitrification）：在反硝化過程中(zhōng)，有(yǒu)機物(wù)提供電(diàn)子供體(tǐ)，細菌将NO3ˉ還原為(wèi)NO2ˉ，而不是直接将NO3ˉ還原為(wèi)N2的過程，稱為(wèi)短程反硝化。反應式為(wèi)： 3NO3ˉ+CH3OH→3NO2ˉ+CO2+2H2O 2011年，彭永臻院士團隊發現短程反硝化的特殊現象後，開展了長(cháng)達10餘年的機理(lǐ)研究，最終在世界範圍内首次實現技(jì )術突破，并建立相關理(lǐ)論。 短程硝化與短程反硝化的應用(yòng) 短程硝化和短程反硝化的應用(yòng)主要是實現厭氧氨氧化過程中(zhōng)的亞硝酸鹽氮産(chǎn)生，如圖： 厭氧氨氧化是公(gōng)認的最經濟的脫氮技(jì )術之一。厭氧氨氧化Anammox是在無氧條件下，以氨為(wèi)電(diàn)子供體(tǐ)、亞硝酸為(wèi)電(diàn)子受體(tǐ)，産(chǎn)生氮氣和硝酸的生物(wù)反應。Anammox包括兩個過程：一是分(fēn)解（産(chǎn)能(néng)）代謝(xiè)，即以氨為(wèi)電(diàn)子供體(tǐ)，亞硝酸鹽為(wèi)電(diàn)子受體(tǐ)，兩者以1:1的比例反應生成氮氣，并把産(chǎn)生的能(néng)量以ATP的形式儲存起來；二是合成代謝(xiè)，即以亞硝酸鹽為(wèi)電(diàn)子受體(tǐ)提供還原力，利用(yòng)碳源二氧化碳以及分(fēn)解代謝(xiè)産(chǎn)生的ATP合成細胞物(wù)質(zhì)，并在這一過程中(zhōng)産(chǎn)生硝酸鹽。 在這過程中(zhōng)，大約89%的無機氮都将被轉化産(chǎn)生氮氣，另外11%的無機氮被轉化為(wèi)硝酸鹽氮，與傳統硝化反硝化工(gōng)藝相比，厭氧氨氧化工(gōng)藝有(yǒu)着巨大的技(jì )術優勢，其曝氣能(néng)耗隻有(yǒu)傳統工(gōng)藝的55-60%；該工(gōng)藝幾乎無需碳源，如果為(wèi)了去除硝酸鹽産(chǎn)物(wù)需要在厭氧氨氧化過程中(zhōng)投加碳源，其投加量也比傳統工(gōng)藝中(zhōng)碳源投加量降低90%；厭氧氨氧化工(gōng)藝可(kě)以減少45%堿度消耗量。同時，由于厭氧氨氧化菌細胞産(chǎn)率遠(yuǎn)低于反硝化菌，所以，厭氧氨氧化過程的污泥産(chǎn)量隻有(yǒu)傳統生物(wù)脫氮工(gōng)藝中(zhōng)污泥産(chǎn)量的15%左右，這将顯著降低剩餘污泥的處理(lǐ)和處置成本。 短程硝化-厭氧氨氧化工(gōng)藝 這一過程其關鍵的一步是快速啓動短程硝化工(gōng)藝且保持穩定的運行效果，即在短程硝化反應器中(zhōng)将氨氮的氧化控制并維持在亞硝态氮階段（即亞硝化階段）。通過調控和優化溫度、水力停留時間、污泥齡、溶解氧（DO）、pH、遊離氨（FA）等工(gōng)作(zuò)參數強化氨氧化菌（AOB）活性、抑制亞硝酸鹽氧化菌（NOB）活性，提高AOB純度和菌群競争優勢，可(kě)以實現亞硝态氮積累。較低DO濃度、較高pH和較高FA濃度都有(yǒu)利于短程硝化過程。 短程反硝化-厭氧氨氧化工(gōng)藝 這一過程的必要條件和關鍵步驟是其中(zhōng)的短程反硝化，因為(wèi)如果沒有(yǒu) NO2ˉ産(chǎn)生，就不可(kě)能(néng)發生厭氧氨氧化反應（簡化為(wèi)NH4*+NO2ˉ→N2+2H2O)，而在缺氧池中(zhōng)，又(yòu)不存在好氧條件及其短程硝化（NH4+至NO2ˉ）來産(chǎn)生NO2ˉ，因此，隻能(néng)以污水中(zhōng)的有(yǒu)機物(wù)作(zuò)為(wèi)電(diàn)子供體(tǐ)，通過短程反硝化将回流污泥和内回流硝化液中(zhōng)的NO3ˉ還原為(wèi)NO2ˉ，同時利用(yòng)來源于污水并過量存在于厭氧和缺氧池的NH4+，形成與促進部分(fēn)Anammox反應過程。目前，短程反硝化耦合厭氧氨氧化技(jì )術在西安(ān)四污已經實現規模化應用(yòng)！ 彭永臻院士：短程反硝化或是城市污水厭氧氨氧化的研究方向 在第14屆水處理(lǐ)行業熱點技(jì )術論壇上舉辦(bàn)了主題為(wèi)“城鎮污水處理(lǐ)行業的提質(zhì)增效”和“城鎮污水處理(lǐ)新(xīn)技(jì )術發展方向”的圓桌對話環節上，中(zhōng)國(guó)工(gōng)程院院士、城鎮污水深度處理(lǐ)及資源化利用(yòng)技(jì )術國(guó)家工(gōng)程實驗室主任、北京工(gōng)業大學(xué)環境學(xué)科(kē)首席教授彭永臻等進行了多(duō)方面的讨論，提出了各自獨到的見解。 彭永臻：首先我抛磚引玉，把近兩年對城市污水處理(lǐ)脫氮技(jì )術的一些想法分(fēn)享給大家。目前城市污水脫氮技(jì )術發展得很(hěn)快，但主流厭氧氨氧化應用(yòng)幾乎還是零。厭氧氨氧化技(jì )術主要有(yǒu)3個特點：一是附着性，厭氧氨氧化技(jì )術中(zhōng)存在的顆粒污泥和填料使得懸浮污泥很(hěn)難進行培養。二是該技(jì )術需要較高的溫度，32℃最好，低溫則不行。三是增殖速度非常慢。城市污水一般存在低氨氮、低溫、大水量等特點，而正因為(wèi)這三個理(lǐ)由，厭氧氨氧化技(jì )術在城市污水處理(lǐ)應用(yòng)中(zhōng)受到了很(hěn)大的阻礙。 但厭氧氨氧化技(jì )術也有(yǒu)其優勢所在。目前主流城市污水脫氮技(jì )術存在一大難點，就是能(néng)耗高、消耗大。厭氧氨氧化可(kě)以把一半左右的氨氮氧化為(wèi)亞硝酸根，然後在厭氧氨氧化作(zuò)用(yòng)下還原為(wèi)氮氣，這對于城市污水處理(lǐ)的節能(néng)是非常有(yǒu)利的。衆所周知，新(xīn)加坡的氣溫較高，很(hěn)适用(yòng)于厭氧氨氧化技(jì )術，但那裏依舊有(yǒu)許多(duō)厭氧氨氧化技(jì )術工(gōng)程被廢棄，可(kě)見該技(jì )術在城市污水處理(lǐ)中(zhōng)推廣難度之大。所以，将厭氧氨氧化技(jì )術徹底應用(yòng)于城市污水處理(lǐ)之中(zhōng)還任重道遠(yuǎn)。 最後談一下我們團隊正在研究的短程反硝化技(jì )術，這個技(jì )術對于未來厭氧氨氧化技(jì )術的應用(yòng)推廣十分(fēn)重要。短程反硝化是将硝酸鹽還原為(wèi)亞硝酸鹽的過程，在污水處理(lǐ)中(zhōng)，短程反硝化過程可(kě)以縮短厭氧氨氧化反應時間，提高厭氧氨氧化的脫氮效率，同時減少有(yǒu)機碳源的需求。例如，A2O回流百分(fēn)之百的污泥，内循環後就是百分(fēn)之二百，在缺氧厭氧條件下去除1毫升的氨氮，将伴随去除1.32毫升的亞硝，亞硝把回流液中(zhōng)的硝酸氮還原為(wèi)亞硝酸氮，這樣一共就能(néng)去除近8毫升的總氮，非常可(kě)觀。因此從這個意義上來說，短程反硝化有(yǒu)可(kě)能(néng)是今後城市污水厭氧氨氧化的研究重點。

什麽是短程硝化？

廢水生物(wù)脫氮，一般由硝化和反硝化兩個過程完成，而硝化過程分(fēn)為(wèi)氨氧化階段和亞硝酸鹽氧化階段。這兩個階段分(fēn)别由氨氧化菌(AOB)和亞硝酸鹽氧化菌(NOB)獨立催化完成

第一階段是在AOB的作(zuò)用(yòng)下，将氨氮NH3－N氧化為(wèi)亞硝态氮NO2―N；而第二階段是在NOB的作(zuò)用(yòng)下，将亞硝态氮NO2―N氧化為(wèi)硝态氮NO3―N。

由于硝化反應是由兩類生理(lǐ)特性完全不同的細菌獨立催化完成的不同反應，所以需要通過适當控制條件，可(kě)以将硝化反應控制在NO2―N階段，阻止NO2―N的進一步氧化，短程硝化的成功的标準就是系統中(zhōng)大量NO2-N累積！随後直接進行反硝化或者厭氧氨氧化，這就是為(wèi)什麽短程硝化如此重要的原因！

什麽是短程反硝化？

短程反硝化（partial denitrification）：在反硝化過程中(zhōng)，有(yǒu)機物(wù)提供電(diàn)子供體(tǐ)，細菌将NO3ˉ還原為(wèi)NO2ˉ，而不是直接将NO3ˉ還原為(wèi)N2的過程，稱為(wèi)短程反硝化。反應式為(wèi)：

3NO3ˉ+CH3OH→3NO2ˉ+CO2+2H2O

2011年，彭永臻院士團隊發現短程反硝化的特殊現象後，開展了長(cháng)達10餘年的機理(lǐ)研究，最終在世界範圍内首次實現技(jì )術突破，并建立相關理(lǐ)論。

短程硝化與短程反硝化的應用(yòng)

短程硝化和短程反硝化的應用(yòng)主要是實現厭氧氨氧化過程中(zhōng)的亞硝酸鹽氮産(chǎn)生，如圖：

厭氧氨氧化是公(gōng)認的最經濟的脫氮技(jì )術之一。厭氧氨氧化Anammox是在無氧條件下，以氨為(wèi)電(diàn)子供體(tǐ)、亞硝酸為(wèi)電(diàn)子受體(tǐ)，産(chǎn)生氮氣和硝酸的生物(wù)反應。Anammox包括兩個過程：一是分(fēn)解（産(chǎn)能(néng)）代謝(xiè)，即以氨為(wèi)電(diàn)子供體(tǐ)，亞硝酸鹽為(wèi)電(diàn)子受體(tǐ)，兩者以1:1的比例反應生成氮氣，并把産(chǎn)生的能(néng)量以ATP的形式儲存起來；二是合成代謝(xiè)，即以亞硝酸鹽為(wèi)電(diàn)子受體(tǐ)提供還原力，利用(yòng)碳源二氧化碳以及分(fēn)解代謝(xiè)産(chǎn)生的ATP合成細胞物(wù)質(zhì)，并在這一過程中(zhōng)産(chǎn)生硝酸鹽。

在這過程中(zhōng)，大約89%的無機氮都将被轉化産(chǎn)生氮氣，另外11%的無機氮被轉化為(wèi)硝酸鹽氮，與傳統硝化反硝化工(gōng)藝相比，厭氧氨氧化工(gōng)藝有(yǒu)着巨大的技(jì )術優勢，其曝氣能(néng)耗隻有(yǒu)傳統工(gōng)藝的55-60%；該工(gōng)藝幾乎無需碳源，如果為(wèi)了去除硝酸鹽産(chǎn)物(wù)需要在厭氧氨氧化過程中(zhōng)投加碳源，其投加量也比傳統工(gōng)藝中(zhōng)碳源投加量降低90%；厭氧氨氧化工(gōng)藝可(kě)以減少45%堿度消耗量。同時，由于厭氧氨氧化菌細胞産(chǎn)率遠(yuǎn)低于反硝化菌，所以，厭氧氨氧化過程的污泥産(chǎn)量隻有(yǒu)傳統生物(wù)脫氮工(gōng)藝中(zhōng)污泥産(chǎn)量的15%左右，這将顯著降低剩餘污泥的處理(lǐ)和處置成本。

短程硝化-厭氧氨氧化工(gōng)藝

這一過程其關鍵的一步是快速啓動短程硝化工(gōng)藝且保持穩定的運行效果，即在短程硝化反應器中(zhōng)将氨氮的氧化控制并維持在亞硝态氮階段（即亞硝化階段）。通過調控和優化溫度、水力停留時間、污泥齡、溶解氧（DO）、pH、遊離氨（FA）等工(gōng)作(zuò)參數強化氨氧化菌（AOB）活性、抑制亞硝酸鹽氧化菌（NOB）活性，提高AOB純度和菌群競争優勢，可(kě)以實現亞硝态氮積累。較低DO濃度、較高pH和較高FA濃度都有(yǒu)利于短程硝化過程。

短程反硝化-厭氧氨氧化工(gōng)藝

這一過程的必要條件和關鍵步驟是其中(zhōng)的短程反硝化，因為(wèi)如果沒有(yǒu) NO2ˉ産(chǎn)生，就不可(kě)能(néng)發生厭氧氨氧化反應（簡化為(wèi)NH4*+NO2ˉ→N2+2H2O)，而在缺氧池中(zhōng)，又(yòu)不存在好氧條件及其短程硝化（NH4+至NO2ˉ）來産(chǎn)生NO2ˉ，因此，隻能(néng)以污水中(zhōng)的有(yǒu)機物(wù)作(zuò)為(wèi)電(diàn)子供體(tǐ)，通過短程反硝化将回流污泥和内回流硝化液中(zhōng)的NO3ˉ還原為(wèi)NO2ˉ，同時利用(yòng)來源于污水并過量存在于厭氧和缺氧池的NH4+，形成與促進部分(fēn)Anammox反應過程。目前，短程反硝化耦合厭氧氨氧化技(jì )術在西安(ān)四污已經實現規模化應用(yòng)！

彭永臻院士：短程反硝化或是城市污水厭氧氨氧化的研究方向

在第14屆水處理(lǐ)行業熱點技(jì )術論壇上舉辦(bàn)了主題為(wèi)“城鎮污水處理(lǐ)行業的提質(zhì)增效”和“城鎮污水處理(lǐ)新(xīn)技(jì )術發展方向”的圓桌對話環節上，中(zhōng)國(guó)工(gōng)程院院士、城鎮污水深度處理(lǐ)及資源化利用(yòng)技(jì )術國(guó)家工(gōng)程實驗室主任、北京工(gōng)業大學(xué)環境學(xué)科(kē)首席教授彭永臻等進行了多(duō)方面的讨論，提出了各自獨到的見解。

彭永臻：首先我抛磚引玉，把近兩年對城市污水處理(lǐ)脫氮技(jì )術的一些想法分(fēn)享給大家。目前城市污水脫氮技(jì )術發展得很(hěn)快，但主流厭氧氨氧化應用(yòng)幾乎還是零。厭氧氨氧化技(jì )術主要有(yǒu)3個特點：一是附着性，厭氧氨氧化技(jì )術中(zhōng)存在的顆粒污泥和填料使得懸浮污泥很(hěn)難進行培養。二是該技(jì )術需要較高的溫度，32℃最好，低溫則不行。三是增殖速度非常慢。城市污水一般存在低氨氮、低溫、大水量等特點，而正因為(wèi)這三個理(lǐ)由，厭氧氨氧化技(jì )術在城市污水處理(lǐ)應用(yòng)中(zhōng)受到了很(hěn)大的阻礙。

但厭氧氨氧化技(jì )術也有(yǒu)其優勢所在。目前主流城市污水脫氮技(jì )術存在一大難點，就是能(néng)耗高、消耗大。厭氧氨氧化可(kě)以把一半左右的氨氮氧化為(wèi)亞硝酸根，然後在厭氧氨氧化作(zuò)用(yòng)下還原為(wèi)氮氣，這對于城市污水處理(lǐ)的節能(néng)是非常有(yǒu)利的。衆所周知，新(xīn)加坡的氣溫較高，很(hěn)适用(yòng)于厭氧氨氧化技(jì )術，但那裏依舊有(yǒu)許多(duō)厭氧氨氧化技(jì )術工(gōng)程被廢棄，可(kě)見該技(jì )術在城市污水處理(lǐ)中(zhōng)推廣難度之大。所以，将厭氧氨氧化技(jì )術徹底應用(yòng)于城市污水處理(lǐ)之中(zhōng)還任重道遠(yuǎn)。

最後談一下我們團隊正在研究的短程反硝化技(jì )術，這個技(jì )術對于未來厭氧氨氧化技(jì )術的應用(yòng)推廣十分(fēn)重要。短程反硝化是将硝酸鹽還原為(wèi)亞硝酸鹽的過程，在污水處理(lǐ)中(zhōng)，短程反硝化過程可(kě)以縮短厭氧氨氧化反應時間，提高厭氧氨氧化的脫氮效率，同時減少有(yǒu)機碳源的需求。例如，A2O回流百分(fēn)之百的污泥，内循環後就是百分(fēn)之二百，在缺氧厭氧條件下去除1毫升的氨氮，将伴随去除1.32毫升的亞硝，亞硝把回流液中(zhōng)的硝酸氮還原為(wèi)亞硝酸氮，這樣一共就能(néng)去除近8毫升的總氮，非常可(kě)觀。因此從這個意義上來說，短程反硝化有(yǒu)可(kě)能(néng)是今後城市污水厭氧氨氧化的研究重點。

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