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人工湿地的新型脱氮途径

发布时间:2019-12-29 16:30人气:

传统的生物脱氮理论包括了好氧的亚硝化反应与硝化反应,与厌氧的反硝化反应二者相互独立,经常发生在同一反应器的不同区域或不同反应器中。但厌氧氨氧化、好氧反硝化、短程硝化反硝化、全程自养脱氮、异养硝化--好氧反硝化脱氮机制的发现打破了这一限制。下面林儿就对这几种脱氮机制进行逐一的讲解。(厌氧氨氧化前面推文已详尽讲解,在此不再重复,有需要的朋友请查找历史信息)

1.好氧反硝化

好氧反硝化是指好氧反硝化菌利用好氧反硝化酶的作用,在有氧条件下进行的反硝化作用。20世纪80年代,Robertson等人报道了好氧反硝化细菌和好氧反硝化酶系的存在,并证实了泛养硫球菌 Thiosphaerapantotropha(现更名为脱氮副球菌Paracoccusdenitrifications)在生长过程中,O2 和 NO3--N 共同存在时,其生长速率比两者单独存在时都高。越来越多的研究证明细菌好氧反硝化的存在,并发现了一些在有氧条件下有较高反硝化率的细菌。

好氧反硝化作用通常分为两种类型:

1.1 在微生物生物膜体系中,外部为好氧区域,适宜硝化细菌、异养细菌等好氧微生物的生长繁殖,而在生物膜内部,由于周围氧气被消耗,内部呈现出缺氧/厌氧微环境,满足了厌氧反硝化菌的生长,从而在微区内进行厌氧反硝化作用,而在整体上出现了好氧硝化与好氧反硝化作用的同时进行。

1.2 此外,除传统的厌氧反硝化微生物外,也存在好氧/兼性厌氧的微生物,如陶厄氏菌属(Thauera)、假单胞菌属(Pseudomonas)、不懂杆菌属(Acinetobacter)、芽孢杆菌属(Bacillus)等在好氧条件下均存在反硝化能力。但研究发现,大多数好氧反硝化细菌所介导的反硝化作用需要更更多的碳源来支撑,在传统的厌氧反硝化过程中,氧气对电子的消耗抑制了反硝化过程中高价氮素的还原,而在好氧反硝化过程中,氧气与高价氮素同时得到电子,充足的有机物提供的电子使得好氧反硝化菌的脱氮功能和生长均得到了实现。因此,当存在足够的易降解的有机碳源时,就能发生完全的好氧反硝化作用。

2.短程硝化反硝化

短程硝化反硝化工艺,是指在微生物的硝化过程中通过控制人工湿地系统中的环境条件,使铵态氮在转化为亚硝态氮后不再继续转化为硝态氮,直接由亚硝态氮还原为氮气,从而实现人工湿地的脱氮。相对于传统的硝化反硝化过程而言,短程硝化反硝化过程减少了亚硝态氮转化为硝态氮这一过程,使反应速度提高了1.5-2 倍,氧气的消耗减少了25%,同时直接以亚硝态氮为底物进行反硝化能够节省40%的有机碳源,还能减少50%的 N2O(温室气体)的产生量。

3.全程自养脱氮

全程自养脱氮(CANON)是在短程硝化反硝化和厌氧氨氧化的基础上发展起来的一种新型的人工湿地脱氮途径,又被称为“短程硝化--厌氧氨氧化耦合作用”,其主要驱动力是靠湿地基质内部微生物(AOB、NOB、Anammox菌)之间的竞争。通过控制人工湿地系统内部环境,在微区内通过短程硝化作用将铵态氮转化为亚硝态氮,积累的亚硝态氮则在厌氧区与剩余的铵态氮发生厌氧氨氧化作用生成氮气排出系统,从而达到除氮目的。全程自养脱氮工艺中参与反应的微生物均为自养型微生物,所以几乎不需要有机碳源的添加,且短程硝化作用需要在微氧环境中进行,所以需氧量较低,有研究表明,全程自养脱氮过程相对于硝化反硝化过程,能够节省2/3的能耗。但全程自养脱氮过程的实现对环境条件要求苛刻,如温度一般要求在30℃以上,亚硝态氮的浓度要求严格控制在15mg/以下,pH要求在7.5-8.0之间,同时对DO的精确控制至关重要,DO的在线浓度要维持在0.1mg/L左右;另一方面由于是自养型微生物,厌氧氨氧化菌的增值缓慢,造成全程自养脱氮过程启动较难,在实际工程中的应用比较少。

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