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厌氧氨氧化反应原理(厌氧氨氧化是什么意思)
标签:     添加时间:2022-10-14 浏览次数:3155

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厌氧氨氧化反应原理(厌氧氨氧化是什么意思)


  厌氧氨氧化的工艺原理其实蛮简单的,得从传统的硝化与反硝化说起。

  我们知道,在活性污泥法中,生物脱氮包括硝化与反硝化两个过程。

  首先是硝化,它包括前后两段,前段是在好氧环境下,由AOB(Ammonium Oxidizing Bacteria,氨氧化菌)将污水中的氨氮(NH3/NH4+)氧化为亚硝态氮(NO2-,含2个氧原子氧化了一半的中间环节,所以叫“亚”硝态氮),后段也是在好氧环境下,由NOB(Nitrite Oxidizing Bacteria,亚硝酸盐氧化菌)将亚硝态氮氧化为硝态氮(NO3-,含3个氧原子全氧化态),这个过程叫硝化,也就是全程硝化。

  接着是反硝化,即在缺氧环境下,由DNF(Denitrifier,反硝化菌)将硝态氮(NO3-)还原为氮气(N2)释放到空气中。污水中含有的氨氮就这么去除了。

  硝化过程需要消耗氧气,而反硝化过程主要是由异养菌在起作用(需从有机化合物中获取碳源的叫异养菌;可从无机化合物,比如CO2中获取碳源的叫自养菌),因而需要曝气,会产生大量能耗,并且需要消耗大量有机碳源,反应过程中还会释放N2O和CO2等温室气体,不符合我们追求绿色低碳的目标。

  后来,人们在研究中发现,亚硝态氧(NO2-)可以直接还原。AOB和NOB在动力学特性上存在固有差异,如果抑制NOB的生长,控制硝化反应只进行到NO2-阶段,造成大量的亚硝态氮的累积,就直接进行反硝化反应,也能将污水中的氨氮变成氮气去除掉。

  这种情况下,硝化反应只进行了一半,路没有走完,所以叫短程硝化反应。

  接着,人们又发现,所有污水厂都存在一种红色的厌氧氨氧化菌(Anaerobic ammonia oxidation bacteria,AnAOB),如果将污水中的一部分氨氮(57%)氧化为亚硝态氮,同时将AnAOB富集,在严格厌氧的环境下,亚硝态氮在AnAOB的作用下,可以直接与污水中剩余的氨氮反应,产生N2,使污水中的氨氮去除掉。

  我们分别取厌氧氨氧化英文单词(Anaerobic ammonia oxidation)的前几个字母,组合就诞生了Anammox。

  这种反应形式特别简洁明快。

  一般情况下,1摩尔(mol)氨氮需与1.32摩尔(mol)亚硝态氮反应,即1份氨氮需消耗1.32份亚硝态氮,所以最佳配比是将57%的氨氮先氧化为亚硝态氮(57%*0.985/43%=1.31,氨氮与亚硝态氮的转化率为0.985)。但在实际情况中,我们很难实现这个理想配比,如果能做到将一半的氨氮氧化为亚硝态氮,使Anammox反应中,氨氮和亚硝态氮达到1:1的比例,就已经相当不错了。

  由于只是部分亚硝化,所以也叫“部分亚硝化反应”,或“半短程硝化反应”。

  看起来,三者的区别明显又简单,走完的叫全程,走一半的叫短程(或亚硝化),一半走一半叫半短程(部分亚硝化)。

  我们看一下三者的简要化学式。

  全程硝化与反硝化:

  NH4++2O2=>NO3-+H2O+2H+

  6NO3-+5CH4O+CO2=>3N2+6HCO3-+7H2O

  短程硝化与反硝化:

  NH4++1.5O2=>NO2-+H2O+2H+

  6NO2-+3CH4O+3CO2=>3N2+6HCO3-+3H2O

  半短程硝化与厌氧氨氧化:

  NH4++1.5O2=>NO2-+H2O+2H+

  NH4++1.32NO2-=>N2+2H2O

  从上面化学式可见,全程硝化中,氧化一份氨氮需2份氧气;而短程硝化中,氧化一份氨氮只需1.5份氧气,所以短程硝化可节约25%的曝气量(0.5/2),即能耗。

  全程反硝化中,还原6份NO3-需要5份有机碳源,而短程硝化中,还原6份NO2-只需要3份有机碳源,因此,短程反硝化可节约40%的有机碳源。

  而在半短程硝化与厌氧氨氧化中,只需将57%的氨氮氧化为亚硝态氮,再与剩余43%的氨氮进行厌氧氨氧化反应,过程中几乎无需有机碳源,因此,半短程硝化与厌氧氨氧化反应可节约接近60%的曝气量(即能耗,计算式为:1-57%×(1-25%)),且无需消耗有机碳源。

  另外,由于AOB和AnAOB都是自养菌,自养菌起作用则污泥产量也远低于传统脱氮工艺,可显著降低剩余污泥的处理和处置成本。



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