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    污水中的氮循環

    美高梅官網_美高梅國際賭場_澳門米高梅官方網站開戶  來源:JIEI創新實驗室  作者:孫曉燕  2019/8/16 17:35:07  我要投稿  
    所屬頻道: 水處理  關鍵詞:氮循環 含氮廢水 脫氮

    美高梅官網_美高梅國際賭場_澳門米高梅官方網站開戶訊:氮循環是全球生物地球化學循環的重要組成部分,也是生物圈內基本的物質循環之一。自然界中的氮絕大部分以氮氣分子(N2)的形式存在于大氣中。N2的化學性質不活潑,常溫下很難與其他物質發生反應。此外,大部分生物體無法利用N2進行新陳代謝。因此,N2需要被轉化為“活性”氮(如NH3-N),才能被廣大生物體所利用。將N2轉化為“活性”氮的過程稱為固氮作用,通常由微生物(包括細菌和古菌)完成,此外,20世紀初發明的Haber-Bosch固氮法是一種得到了廣泛應用的化學固氮法。

    得益于工業和農業的快速發展,人類的物質生活水平得到了極大的提升。但是同時,全球每年通過工業、農業等活動向環境中排放大量含氮廢水,使自然水體中新增越來越多的“活性”氮,導致日漸嚴重的氮循環失衡米高梅官網。據統計,人類每年向環境中排放的氮總量約為2000多萬噸,并且這個數字隨著人口的增長在不斷攀升。更糟糕的是,大約一半的氮污染物沒有經過處理,被直接排放至環境中。

    例如,在發展米高梅注冊家,超過35%的城市沒有污水處理廠(WWTP)。即使在擁有WWTP的城市,一部分WWTP對污水只進行初級處理,脫氮能力非常有限。這一系列米高梅官網對水體中氮循環的影響主要包括:

    • 流域內氮沉積能力下降;

    • 水體中氮素排放量增加。具體而言,這造成了水體富營養化、水體酸化和溫室氣體排放等一系列環境米高梅官網。

    污水中氮的主要形態及轉化

    市政污水通常是工業廢水、生活污水和徑流污水的集合體。市政WWTP進水中的氮主要包括NH3和有機氮。氮的循環轉化過程主要包括同化吸收、氨化、硝化、反硝化、厭氧氨氧化和固氮(圖1)。

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    氨氮(NH4+或NH3

    氨氮的濃度在不同類型的污水中差異非常大。在市政污水處理廠的進水中,氨氮的濃度通常介于20 ~75 mg-N/L 。污水中NH3的主要來源包括:

    • 有機氮的降解,如蛋白質降解為NH3

    • 固氮作用,例如微生物固氮作用以及Haber-Bosch固氮法;

    • 亞硝酸鹽(NO2-)的還原,它在氮的異化和同化過程中都存在。

    在污水處理過程中,脫除NH3的主要方式是將其氧化為N2或NO2-。其中,后者的轉化過程是通過中間產物一氧化氮(NO)來實現的。

    亞硝酸鹽(NO2-

    與NH3相比,污水中NO2- 的含量通常比較低。NO2- 的形成主要是由于NH3的氧化或NO3- 的還原。NO2- 的去除可以通過將其氧化形成硝酸根(NO3-),或者還原形成N2或NH3。其中,在將NO2-還原成N2的過程中,有中間產物NO生成。在NO被進一步還原為N2的過程中,有氧化亞氮(N2O)產生。N2O是一種強效的溫室氣體,其溫室效應是CO2的三百倍左右。污水處理過程中N2O的釋放是近年來受到關注的領域之一。

    硝酸鹽(NO3-

    NO3-是含氮有機物氧化分解的最高價態化合物。污水中的NO3-是由于NO2-的氧化而形成。NO3-的去除可通過將其還原為NO2-而實現。由于人類活動的影響,許多地方的地下水和地表水中NO3-含量在不斷升高,造成了越來越多的土壤和地下水質量安全米高梅官網。

    有機氮

    污水中的有機氮主要是蛋白質,此外還有尿素、胞壁酸、脂肪胺、尿酸和有機堿等含氨基和不含氨基的化合物。有機氮的主要來源包括煉油、皮革、化肥、肉類加工和飼料生產等行業排放的廢水。在污水貯存或在排水管道中停留一段時間后,氮的脫氨基反應使得有機氮轉化為氨氮(NH3),導致NH3的濃度增加。

    污水脫氮米高梅開戶工藝

    從20世紀80年代開始,污水脫氮受到越來越多的關注。在傳統的污水處理過程中,氮被轉化為N2從而從污水中得到脫除。脫氮的過程通過各種微生物菌群來實現,相關的微生物菌群如表1。氮的脫除是一個高耗能、且昂貴的過程。隨著城市化和人口的進一步增長,以及對水質要求的不斷提升,對氮進行處理的要求也在不斷提高。近幾十年來,研究人員和澳門米高梅官方網站開戶師在探索污水生物脫氮的路上不停前行,不但致力于提高氮的脫除效率,而且追求降低處理過程中的能耗、環境足跡和處理成本。

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    硝化/反硝化

    將NH3氧化成NO3-叫硝化,將NO3-還原成N2叫反硝化。污水中的NH3可以通過硝化和反硝化生成N2從污水中脫除,這是最早和最流行的污水生物脫氮米高梅開戶。成功實現這個米高梅開戶的前提是,污水中存在足夠的氧氣(O2)和有機物(可以換算成化學需氧量,即COD)。

    在實際運行過程中,通常需要向污水中大量供氧,這是一個極其耗能的過程。此外,市政污水中含有的COD常常無法滿足脫氮過程的需求,因此,需要向污水中補充額外的COD,這進一步提高了污水處理成本。更重要的是,由于硝化菌的生長速度緩慢,完成硝化過程需要足夠的生物量停留在水處理反應器中,所以硝化過程需要占用的體積比非常高。

    Sharon新工藝

    由于傳統的硝化和反硝化脫氮工藝的高成本與高能耗,科學家們一直在持續探索新的脫氮工藝,以提高污水生物脫氮過程的可持續性。在上世紀90年代,荷蘭代爾夫特理工大學的科學家報道了一個新的工藝,名字叫Sharon(Single reactor system for High activity Ammonium Removal Over Nitrite縮寫)。顧名思義,Sharon工藝是通過將NH3氧化成NO2-之后,再將NO2-還原成N2的過程,整個工藝可以在一個反應器內完成。

    Sharon工藝的第一次實際應用是在荷蘭鹿特丹Dokhaven的污水處理廠。與傳統的硝化/反硝化相比,Sharon工藝省去了將NO2-氧化為NO3-的過程。因此,它有明顯的優勢:

    • 耗氧量減少,因此能耗減少;

    • 需要添加的COD量減少;

    • 整個過程可以在一個反應器內完成;

    • 不需要污泥停留。這些特點意味著,它能夠有效降低污水生物脫氮的成本。

    厭氧氨氧化(Anammox)

    除Sharon工藝外,科學家們發現了另一個生物脫氮過程,即厭氧氨氧化(Anammox)。在1977年,有科學家通過熱力學計算,預言了Anammox的存在。直到1992年,這個預言得到了完全的驗證和專利保護。簡單來說,Anammox可以將NO2-作為電子受體、NH3作為電子供體,反應生成N2

    Anammox的主要特點包括:

    • 反應的吉布斯自由能比O2介導的NH3氧化反應更低(見表1),因此從熱力學的角度來說,Anammox更容易發生;

    • Anammox菌的生長速度較慢,倍增時間為3星期。

    因為Anammox具有這些特點,所以Anammox工藝的起始階段耗時較長,運行Anammox工藝的反應器需要有很好的污泥停留能力。不過,它的優勢也非常明顯,與傳統的硝化/反硝化工藝相比,Anammox的耗氧量減少60%,對COD的需求量減少100%,產泥量減少90%。

    短程硝化/厭氧氨氧化

    值得一提的是,Sharon和Anammox都是由荷蘭代爾夫特理工大學的科學家最先報道,這是他們在執行荷蘭應用水研究項目基金(the Dutch Foundation of Applied Water Research)時取得的研究成果。他們在研究的過程中發現,若將Sharon與Anammox進行聯用,將50%的NH4+氧化為NO2-,再將這部分NO2-與剩余的NH4+反應生成N2,可以實現完全脫氮,這個過程稱為Sharon/Anammox。在研究早期,通常使用兩個反應器串聯來分別實現Sharon和Anammox。目前,這個過程通過在一個反應器中操作完成,例如使用顆粒污泥或者膜生物反應器,使Sharon和Anammox分別在同一個反應器中的好氧和缺氧微環境中實現。

    Sharon/Anammox工藝的優點包括:可以將耗氧量降低40%,達到節能效果;不再需要額外的COD,降低了成本;只有極小的產泥量,產生較少剩余污泥。

    由于Sharon/Anammox工藝在提升污水處理廠脫氮性能方面具有極大的應用前景,近十幾年來,許多科學家和澳門米高梅官方網站開戶師投身于該米高梅開戶的實際應用中。截至2014年,該工藝已經在超過100家WWTP得到應用,大部分在歐洲的WWTP,基于側流Sharon/Anammox的米高梅開戶在北美比較受歡迎。

    其他脫氮米高梅開戶

    在進一步嘗試將主流Sharon/Anammox應用于WWTP時,該工藝遇到了以下米高梅官網或米高梅開戶瓶頸:

    • 污水中COD與氮的比例太高,使異養菌過量生長;

    • NH3濃度太低,限制了Anammox菌和NH3氧化菌的生長;

    • 污水溫度太低,這意味著,與Anammox和NH3氧化菌相比,NO2-氧化菌容易獲得生長優勢;

    • 出水NH3濃度很難達到出水水質要求。

    由于這些米高梅開戶瓶頸的存在,目前,主流Sharon/Anammox只在奧地利Strass和新加坡Changi共2家WWTP得到實際應用。它的大規模應用仍有較長的路要走。值得期待的是,研究人員正在嘗試或者考慮嘗試其他米高梅開戶來突破這些米高梅開戶瓶頸,例如:

    使用NH3氧化古菌為Anammox提供NO2-:與氨氧化細菌相比,氨氧化古菌對O3和NH3有更強的親和力,因此可能有助于降低出水NH3濃度。

    使用反硝化型甲烷氧化菌(Damo):Damo可以將NO3-還原為NO2-,將Damo與Anammox聯用,可能有利于穩定地為Anammox提供NO2-,從而降低工藝運行過程中對NO2-氧化菌進行抑制的要求。

    基于不同電子受體的Anammox:研究發現,Anammox可以利用SO42-、錳或Fe3+作為電子受體,對NH3進行氧化,這可能意味它們有替代NO2-作為電子受體,應用于污水脫氮的潛力。

    硫酸鹽還原/自養反硝化/硝化耦合米高梅開戶(SANI):這項米高梅開戶首先將污水中的硫酸鹽還原為硫離子(S2-),同時去除了COD;其次,利用硝化作用將污水中的NH3轉化為NO3-,最后將S2-作為電子供體、NO3-作為電子受體將氮以N2的形式從污水中脫除。該米高梅開戶在含高濃度硫酸鹽的污水中可能有較好的應用前景。目前,此項米高梅開戶在香港得到了成功應用。

    污水中氮的資源回收

    氮本身是一種資源,例如它是氮肥和蛋白質的重要組成成分。在污水脫氮米高梅開戶得到發展與應用的同時,污水中的氮越來越廣泛地被認為是一種潛在的資源。近年來,越來越多的研究人員致力于開發污水中氮資源回收米高梅開戶,其中有一定潛力的方向包括肥料(氣體NH3,(NH4)2SO4,鳥糞石等)、飼料與食物蛋白。

    氣體NH3:可以從含高濃度氨氮廢水中分離出來,作為一種資源進行回收。目前,最受關注的NH3回收法包括通過吹脫法或電化學法從含高濃度NH3的廢水中獲得氣體NH3。

    (NH4)2SO4:將氣體NH3通入硫酸溶液中,從而在較高溫度下(如70ºC)生成硫酸銨。硫酸銨可以作為農業生產中的肥料,提供硫和氮等營養物質。目前,這項米高梅開戶的實際應用非常少,在荷蘭Zutphen的污泥脫水項目中得到了成功應用。

    鳥糞石:將鎂鹽投加到富含磷酸鹽和NH3的污水中,能夠形成磷酸銨鎂沉淀物,實現污水脫氮除磷。磷酸銨鎂水合物(英文簡稱MAP)俗稱鳥糞石,是一種可以緩慢釋放的優質肥料。在污水處理廠的各項工藝中,鳥糞石法比較適合應用于厭氧段的溶液中。因為厭氧過程中氮被還原為氨氮,磷被釋放出細胞外,所以溶液中氨氮和磷酸根濃度較高。近年來,有許多氮、磷回收米高梅開戶是基于將鳥糞石法應用于厭氧發酵液、污泥濃縮池中。此外,基于鳥糞石法回收人體尿液中的氮、磷的研究,也受到越來越多的關注。

    飼料和食物蛋白:微生物可以將污水中的無機氮,如NH3和NO3-,經過同化吸收后轉化為有機氮,如蛋白質。從耗能的角度來說,污水脫氮和回收氮所消耗的能源是類似的。這項米高梅開戶的潛在應用領域廣泛,例如在水產養殖廢水中形成生物絮團供魚食用、形成可食用的單細胞蛋白等。


    原標題:JIEI | 污水中的氮循環

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