CN103827285A - 一氧化二氮的微生物生成：偶联有气相一氧化二氮化学反应且包括磷回收和亚硝酸盐还原成一氧化二氮 - Google Patents

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Abstract

一种由废弃物中有机氮和/或活性氮生成N2O的方法，使用了与硬件反应器装置偶联的生物反应器，在反应器内以气相化学反应消耗N2O，例如催化分解以生成氧气和氮气。放热反应产生的热量可用于发电。N2O也可用作某些燃烧反应如甲烷燃烧中的氧化剂或共氧化剂。

Description

一氧化二氮的微生物生成:偶联有气相一氧化二氮化学反应且包括磷回收和亚硝酸盐还原成一氧化二氮
技术领域
本发明一般涉及使用生物反应器从废弃物中去除氮化合物的设备和方法。更具体地，涉及将生物反应器偶联至对来自生物反应器的一氧化二氮进行反应的硬件设备。
背景技术
N2O的全球变暖潜能（GWP）为二氧化碳310倍，这是一种极强力的温室气体（GHG）。由IPCC发布的多种全球排放情景模型表明21世纪内N2O形成有稳步增加。这种高水平N2O的影响将导致大气贮热的显著上升。
除了N2O，其他形式的活性氮也是对环境的一大威胁。通过哈伯法、密集作物种植以及化石燃料使用对氮循环的人为改变已经使陆地氮循环的氮输入速度增加了一倍。这类人工氮对自然系统造成的损失已经导致了一系列环境和公共卫生问题，包括对水生生命的氨毒性、养分限制型自然水体的富营养化、氧气耗竭以及海洋边缘的大片死水区域。因此，显然N2O减排方案必须佐以控制活性氮进入自然环境的对策。
废水处理的传统目标是实现废水中的氮化合物向氮气的完全转化。这一过程通过将氮元素氧化为硝酸盐然后将硝酸盐还原为氮气来实现。N2O气体并非有意生成，但通常会以较低但仍能产生温室气体排放问题的水平附带产生。由于这种负面的环境效应，研究者从未试图最大化N2O的生成速率。相反，研究者还关注于最小化或消除这些过程中的N2O生成。
家用废水包含有机物以及还原型氮（有机氮和氨），它们以可溶的微粒形式且以相对低浓度存在。对于生物可降解的有机物，通常使用细菌和古细菌的厌氧聚生体以甲烷形式回收能量。这些微生物氧化废弃的有机物，以甲烷气体形式释放电子和氢。为甲烷发酵设计的生物反应器在全球十分普遍，应用范围在规模上从简单的低速家用系统至复杂的高速工业过程。这些厌氧生物反应器主要是“消化器”，因为他们的主要设计目的是减少和稳定丢弃的生物质。
生物反应器也被用于脱氮。它们的作用是加速氮循环中的不同步骤，以预防氮排放的有害影响：对鱼类的氨毒性，富营养化，对新生儿的硝酸盐损伤，以及溶解氧损耗。在常规系统中，氮的处理如图3A所示。氨被氧化为硝酸盐，这种被称为硝化的两步过程中每摩尔氮需要消耗2摩尔氧气。氧气经通气加入，通气过程约占污水处理厂总运行成本的一半。硝化的限速步骤是氨氧化为亚硝酸盐，这由两类不同的微生物——氨氧化细菌（AOB）和新发现的氨氧古细菌（AOA）催化。然后，大多数亚硝酸盐被多种不同的亚硝酸盐氧化细菌（NOB）氧化，但在一些情况下，尤其是在低氧气浓度下，AOB（也可能是AOA）会在被称为硝化细菌反硝化的亚硝酸盐还原过程中释放N2O。由亚硝酸盐氧化形成的硝态氮随后可被反硝化为氮气，该步骤每摩尔氮需要5摩尔电子。在常规系统中，反硝化所需的电子来自于有机物，减少了可被用于甲烷生产的电子数量。反硝化还导致产生大量废弃微生物生物质。
过去十年间，欧洲的实验室革新了脱氮技术（即SHARON、OLAND、使用厌氧氨氧化细菌、CANON工艺）。这些革新利用对微生物生态学的新认识以“短路(short-circuit)”氮循环，结果显著降低了氧气和还原能力的需求。CANON工艺（对亚硝酸盐的完全自养硝化）就是一例，如图3B所示。在这一工艺中，相对NOB选择在生物反应器条件下由AOB催化铵部分氧化至亚硝酸盐的过程偶联以由厌氧氨氧化细菌催化将铵厌氧氧化至氮气。厌氧氨氧化细菌通过肼中间体将亚硝酸盐和铵转化为氮气，这显然避免了N2O的生成。原则上，这一过程能够减少62%的氧气并节约90%的还原能力，但其受制于厌氧氨氧化细菌的低生长速率，该细菌的倍增时间在10-12天左右。其他此类革新能够通过降低通气的能量投入和增加甲烷所回收能量两方面来显著改变废水处理的能量预算。然而，没有一种脱氮方法能够从废弃氮本身直接提取能量。
发明内容
不同于设计为防止或至少最小化N2O生成的常规废水处理系统，本发明的实施方式将生物反应器与硬件转化设备相偶联，该设备中以气相化学反应消耗N2O。令人吃惊的是，所述生物反应器需要更高而不是更低的N2O生成。因此，在一方面，所提供的方法是将含有氮化合物的废物流泵入生物反应器系统并经处理生成一氧化二氮，然后形成气流。在与所述生物反应器偶联的硬件设备中，所述一氧化二氮气体随后在气相进行化学反应，产生能量。例如，气态一氧化二氮可以被化学分解以生成氧气和氮气，或者气态一氧化二氮可以成为燃烧反应中的氧化剂。一氧化二氮分解反应最惊人的特性之一是反应产物为1/3氧气和2/3氮气的混合物——富氧空气——外加能量。因此，这是清洁能源的完美生产方案。
生物反应器系统可以包含单个或多个连续的反应阶段。在一些情况下，所述生物反应器系统的第一阶段是好氧的（硝化）而所述生物反应器系统的第二阶段在厌氧和缺氧阶段之间循环（部分反硝化）。所述厌氧/缺氧阶段可能涉及选择在厌氧阶段生成细胞内储存产物（如糖原、PHA或PHB）并在缺氧阶段由内源碳的氧化驱动对一氧化二氮进行部分反硝化的生物(即选择能够进行内源性碳储存和对一氧化二氮部分反硝化的丛毛单胞菌(comamonas))。
生物反应器系统中的进程可涉及使用抑制剂偶联的从硝酸盐或亚硝酸盐至一氧化二氮的部分反硝化，例如，使用乙炔（C2H2）抑制一氧化二氮还原为氮气（N2O还原酶）。
或者，生物反应器系统内由氮化合物生成一氧化二氮的进程可以包括使用有机物作为电子供体例如，使用乙酸酯、挥发性脂肪酸或聚羟基脂肪酸酯（PHA）或聚羟基丁酸酯（PHB）颗粒将硝酸盐或亚硝酸盐通过微生物还原为一氧化二氮（如丛毛单胞菌）。
在一些实施方式中，生物反应器系统内由氮化合物生成一氧化二氮的进程包括使用能够自养反硝化的自养生物，如反硝化期间利用氢或氨作为电子供体的生物，将硝酸盐或亚硝酸盐通过微生物还原为一氧化二氮。
本发明中的一些实施例利用了如下发现；生物生成N2O的主要机制是通过在细胞内纳入PHB（聚羟基丁酸）并随后氧化。这提供了生物可产生高水平N2O的机制并提供了使用本发明所述技术回收磷（一种有价值的主要营养元素）的途径。具体来说，在这类实施方式中，异养反硝化涉及通过对包括PHA的内源性碳的纳入和氧化进行反硝化至N2O。
所述方法可包括在生物反应器系统内通过交替厌氧和缺氧阶段处理氮化合物以产生一氧化二氮，期间磷酸盐以多聚磷酸盐形式被纳入细胞生物质。所述方法也可包括以多聚磷酸盐的形式从细胞生物质中回收磷。
附图说明
图1为显示本发明优选实施方式中的步骤概述的流程图。
图2为本发明中一种实施方式所述的偶联式生物反应器－催化转换器系统的示意图。
图3A为微生物氮处理常规技术的示意图。
图3B为微生物氮处理的一种较新技术的示意图。
图3C为本发明一种实施方式所述的微生物氮处理技术的示意图。
图4显示本发明一种实施方式所述好氧硝化—反硝化并伴随N2O分解所涉及的能量反应和生物。
图5A为本发明一种实施方式所述的用于分离流出物中所溶解的N2O以生成气态N2O的气提塔的示意图。
图5B为本发明一种实施方式所述的使用全蒸发分离流出物中所溶解的N2O以生成气态N2O的气体分离装置的示意图。
图6为本发明一种实施方式所述的在气流中浓缩N2O的装置的示意图。
图7为分解反应N2O→1/2O2+N2+82kJ的能量－反应进程图，对比热分解与本发明一种实施方式所使用的催化分解。
图8为本发明一种实施方式所述的用于对一氧化二氮进行催化分解的硬件反应装置的示意图。
图9A-C为显示可用于实施本发明中多个实施方式的三种系统的示意图。
图10A为本发明一种实施方式所述的中空纤维膜生物反应器设计的示意图。
图10B的图表显示产物和反应物浓度沿图10A所示中空纤维膜生物反应器的轴的纵向距离的变化。
图11为本发明一种实施方式所述的偶联有硝化和硝化细菌反硝化的序批式反应器（sequencing batch reactor）的示意图。
图12为本发明一种实施方式所述的序批式反应器的示意图，该反应器在厌氧时期生成储存多聚物并在好氧时期进行硝化和反硝化。
图13为本发明中使用硝化和甲烷驱动或有机驱动反硝化的一种实施方式的示意图。
图14A-B显示图13装置内发生的甲烷驱动或有机驱动反硝化的能量反应。
图15为本发明一种实施方式所述的用于同时硝化和反硝化的微通气生物反应器的示意图
图16A-C说明了用于本发明一种实施方式中非生物性Fe(II)介导的亚硝酸盐还原至一氧化二氮所用的途径。
具体实施方式
总体概览/流程图
本发明优选实施方式的概览如图1的流程图所示。在步骤100中，废弃物内的氮化合物在生物反应器系统中被处理以生成一氧化二氮。可选地，步骤102中，溶解在生物反应器流出液中的一氧化二氮产物被分离以提高气相一氧化二氮产物的量。在步骤104中，使用与生物反应器系统偶联的硬件装置使一氧化二氮在气相进行化学反应。在一种配置下，所述气相一氧化二氮被化学分解成氧气和氮气。此时，可选在步骤106中将氧气输送回生物反应器中。或者，所述气相一氧化二氮可用作燃烧反应的氧化剂，此时没有氧气被输回。
图2为本发明一种实施方式所述的偶联式生物反应器－催化转换器系统的示意图。该系统将废弃的氮转化为N2O以进行热能发电并产生用于通气的空气，能够以低成本的路线消除废水中可溶和反应性的氮物质，避免排放强力温室气体N2O，并产生氧气以弥补废水处理中的部分氧气需求。该系统包括生物反应器200，其与催化转换装置202偶联。生物反应器200中的气相N2O产物被输送至转换器202。此外，生物反应器流出液中溶解的N2O通过分离器204以提取溶解的N2O生成更多气相N2O并输送至转换器202。在转换器202内发生N2O的催化分解，产生氮气和氧气。氧气可被输送回生物反应器200用于其好氧阶段。此外，转换器202中分解反应释放的热能可被用于发电。
图9A-C显示本发明中多个实施方式所述的三种不同的生物反应器—催化转换器系统的示意图。如图9A所示，废物流900被泵入第一好氧反应器902，以低溶氧操作进行部分硝化。所得流出液被泵入第二缺氧反应器904内进行硝化细菌反硝化，生成溶解有N2O的流出液。气体分离器906使用N2载气除去水性流出液中的N2O。随后，N2载气通过分子筛908以去除气相中的N2O，氮气载气循环返回气体分离器906。随后，N2O气体在催化分解室910中分解生成氮气、氧气和能量。图9B显示的实施方式具有废弃介质950输送通过偶联的分散生物反应器952和954，如图9A所示。来自第二生物反应器954的N2O气体被输送至催化分解室956内以生成氮气、氧气和能量。第二阶段反应器954的流出液通过超滤膜模块958，将流出液分为低氮流出液和浓缩的生物流出液，部分后者循环返回第一阶段反应器952。图9C所示实施方式中，废液流980进入形成反应器982的附着生长生物反应器，在反应器982中具有较低的好氧区域和较高的厌氧区域，在厌氧区域之上收集N2O随后输送至催化分解室984。再循环回路取反应器982中部好氧和厌氧区域之间的流出液并输回反应器的底部入口，添加饱和溶氧储液986和铵储料988。上述设计优选配备温度和pH控制，使用合成废水进料并以小心控制的低水平供应溶氧。
氮源/应用
进入生物反应器并被处理的氮化合物可包括有机氮和/或活性氮（如氨），例如常见于废水、农业废弃物、已施肥的农用土壤或填埋浸出液中。氮化合物也可来自碳氢化合物燃料、柴油燃料或乙醇的生物质生产。
生物反应器设计、生物、阶段和反应
在优选实施方式中，生物反应器设计为增强或最大化一氧化二氮的生成。本发明所述的生物反应器不同于总是关注最小化N2O并最大化氮气生成的常规设计。相反，在本发明的实施方式中硝化细菌反硝化或异养反硝化反应的终点是生成N2O而非生成氮气。这是有利的，因为与氮气不同，N2O可被热分解，释放氧气和热量。
生物反应器系统中的进程优选包括硝化和部分反硝化，或硝化细菌反硝化。在一种实施方式中，生物反应器被设计用于在低水平溶氧通过铵的自养硝化－反硝化生成一氧化二氮。该生物反应器系统可含有单个或多个反应阶段。在图2所示实施方式中，所述生物反应器系统的第一阶段206是好氧的而所述生物反应器系统的第二阶段208是缺氧的。在不同执行方式中，所述生物反应器系统的第二阶段可通气至溶氧水平低于20%氧饱和，或低于3%氧饱和，或者所述生物反应器系统的第二阶段可以是厌氧的。
图4显示了一种实施方式中所述的好氧硝化－反硝化伴以N2O分解所涉及的能量反应和生物。这些途径和生物优选用于生物反应器内以最大化N2O产量。图3C也展示了该过程。AOB富集的培养液可直接源自当地废水处理工厂，而且可在实验室规模的生物反应器系统中,于纯的和混合的培养中培养其他AOA或AOB富集物，包括已知能够生成N2O且还已知缺失N2O还原为氮气所需基因的其它AOB。此类生物的一个例子就是新近测序的欧洲亚硝化单胞菌(Nitrosomonas europaea)。更一般而言，生物反应器可以使用自养微生物群，例如那些可以进行硝化细菌反硝化的细菌、氨氧化细菌（AOB）和/或氨氧化古细菌（AOA）。在其他实施方式中，生物反应器可以使用异养反硝化微生物群，既可单独使用也可与自养微生物群共同使用。
可使用多种生物反应器系统设计，包括序批式反应器(sequencing batchreactor)和附着生长流化床反应器。在一种实施方式中，两台分散生长恒化反应器串联运行并配有温度和pH控制。如图2所示，运行第一恒化器206用于部分硝化（即生成NO2 –），而下游的反应器208经过优化以通过硝化细菌反硝化最大限度生成N2O。生物反应器设计的细节可由生物反应器系统的模型来确定，所述模型将反应化学计量及能量与恒化器物料平衡及经验动力学系数整合。
例如，基于以此类模型进行的模拟，最初可为实验室规模的系统中的第一台恒化器提供高铵合成废水进料，代表厌氧消化子上清或一些工业废水。该反应器内可保持低水平(～1mg/L)的溶氧（DO）以选择排除NOB。氧气递送可利用通过中空纤维膜递送加压氧气以实现。第二台反应器中氮的理想去除可使第一反应器流出液中的NO2 –:NH4+比例约为2。基于模型，在第一台反应器中短暂且严格控制的停留时间（～1.5天）将能实现对该比例的选择。下游的恒化器在缺氧条件下运行，基于模型模拟，停留时间约5天以便最大化N2O生成同时选择排除生长缓慢的厌氧氨氧化细菌。对于该类型的生物反应器系统需要评估的过程变量包括各反应器内的NH4 +加载速率、温度（20-35）、pH（6-8）、DO和水力停留时间。菌群结构的监测可使用周期性克隆文库和使用已知方法常规监测相同基因的丰度和末端限制性片段长度多态性来进行。可使用NH4+探针监测NH4+水平，使用离子层析监测亚硝酸盐。气相N2O生成可使用气体置换式流量计和GC-ECD上的气体组成离线分析来监测。
图10A是根据本发明一种实施方式所述的中空纤维膜生物反应器设计的示意图。通过“短路”脱氮(N)生物工艺在中空纤维膜生物反应器内实现废水除氨。氧气或空气经由中空纤维1000的一端提供。该工艺依赖氧气从中空纤维传出至周围由氨氧细菌和古细菌混合菌群组成的生物膜。本体废水（高NH4 +，低COD）流过硝化生物膜1002，氧气受限以使本体液体和外部生物膜保持缺氧状态，并竞争胜过硝氧化细菌。因此，最初累积NO2 –。在活塞流操作中，中空纤维的下游部分和周围的生物膜是贫氧的，消化细菌反硝化作用促使额外的氨氧化，以亚硝酸盐为最终的电子受体，从而导致N2O累积。N2O转移至中空纤维的腔内，代替已经离开纤维的氧气，并被捕获供催化分解。在反应器流出液处获得高质量（低NH4 +）的水。垂直于膜壁的所得浓度图显示于如图10B。该图显示沿图10A所示中空纤维膜生物反应器的轴向的纵距上的产物和反应物浓度的变化。
在另一实施方式中，图11显示了偶联硝化和硝化细菌反硝化的序批式反应器1100。废水除氨可在序批式反应器(SBR)内通过使用在两种时期间交替的“短路”脱氮生物工艺完成：
I.厌氧时期：促进了部分硝化（将氨微生物氧化为亚硝酸盐，伴有氧的减少，如图所示）。该时期依赖自然发生的氨氧化细菌（AOB）和古细菌（AOA）混合菌群的活性。该时期通过在高温和低溶氧（DO）下操作而选择排除亚硝酸盐氧化细菌（NOB），从而防止硝酸盐的累积。设计停留时间以使约2/3的流入氨在该时期被氧化为亚硝酸盐。在进行部分硝化的该厌氧时期中，NH4 ++1.5O2=>NO2 –+H2O+2H+。
II.低氧时期：尽管亚硝酸盐通常是微生物氨氧化的终产物，但在某些条件（显著低DO）下，至少一些AOB（和可能的AOA）能够产生N2O，将亚硝酸盐作为其实际上的最终电子受体，通过“硝化细菌反硝化”来“呼吸”亚硝酸盐。SBR操作的第二时期利用这种代谢来促进从剩余的未氧化氨产生N2O，从而降低该时期的亚硝酸盐累积。通气被降至低水平，理想条件下足以能够将氨氧化为羟胺即可：NH3+0.5O2=NH2OH。随后羟胺被氧化，同时亚硝酸盐被还原为一氧化二氮：NH2OH+HNO2=N2O+2H2O。保持这些低氧条件以促成最大限度地产生N2O。在这两台反应器时期之后是气体分离步骤和催化N2O分解。按照SBR的标准操作程序，在生物质沉降阶段后，从反应器中排出高质量（低NH4 +）的流出液。在进行硝化细菌反硝化的该缺氧时期中，NH4 ++2NO2 –+H+=>5/6H2O+1.5N2O。
图12说明了使用序批式反应器1200的另一实施方式。在该实施方式中，厌氧时期选择糖原累积生物（GAO），生成PHB储存聚合物。在好氧期间发生硝化和反硝化，以PHB聚合物在反硝化中作为电子供体，如下文参考图15所作更详细说明。
图13说明了将有机材料作为电子供体的另一实施方式。在厌氧运行的第一反应器1302中，甲烷以气态和溶解两种形式生成。该反应器的流出液流入第二反应器1300中，发生硝化和甲烷驱动的反硝化，产生N2O和甲烷气体。类似的实施方式中也可使用其他有机物作为电子供体，在如图14A-B所示的通路后发生部分反硝化。
一般流出液中甲烷浓度为10-15mg/L，以甲烷计构成约40-60mg/L的COD。对于典型污水而言，这意味着总BOD的几乎20%将以溶解甲烷的形式离开系统。铵（NH4 +）也是厌氧反应器流出液的重要组分。该实施方式提供系统用于从厌氧反应器流出液中除去氮和可溶性有机碳。在这种设计中，第二反应器1300进行通气以维持低浓度溶氧（DO）。由NH4 +的微生物转化而来的溶解气态产物自第二反应器抽提出，并在分解中被捕获。
第二反应器1300结合了具有不同代谢要求的多种微生物过程。一条通路涉及嗜甲烷生物的代谢，通过将甲烷氧化为二氧化碳（CO2）产生能量。甲烷氧化的第一步通过甲烷单加氧酶（mmo）进行。在另一条通路中，发生能够进行硝化作用的氨氧化微生物的代谢。氨单加氧酶（amo）是与mmo在结构上类似的蛋白质，负责催化NH4 +氧化的第一步。底部通路涉及反硝化，这是将硝酸盐（NO3 –）或亚硝酸盐（NO2 –）还原为氮气的微生物过程，以一氧化氮（NO）和一氧化二氮（N2O）为中间产物。一些可在反硝化反应器内占数量优势的反硝化生物进行部分反硝化，使得N2O（而非氮气）成为代谢的最终产物。
嗜甲烷、硝化和反硝化微生物的代谢反应存在重叠。例如，第二通路描述了嗜甲烷生物可能的NH4 +共代谢。由于底物特异性并不严格，已证明mmo酶除其预期底物甲烷外还可氧化NH4 +。该共代谢转化的结果是羟胺，即偶联亚硝酸盐还原时生成N2O所需底物。嗜甲烷微生物无法从氧化NH4 +获得能量。
氨氧生物能够共代谢甲烷。甲醇也是部分反硝化以生成N2O的潜在电子源。在氧气限制条件下，嗜甲烷代谢的其他可溶性产物如乙酸盐也可形成并可用作电子供体。总的来说，图13所描述的系统可针对除去溶解的甲烷和将NH4 +转化为N2O加以优化。
图15说明了使用微通气生物反应器1500同时进行硝化和反硝化（SND）的另一实施方式。该图显示硝化-反硝化，两个不同微生物进程（涉及两组不同生物）在单一反应器内同时发生。在另一些实施方式中，氨向一氧化二氮的转化过程严格依赖氨氧化细菌（AOB）。与之相反，SND反应器对氮完成相同的转化，但同时使用了自养硝化和异养反硝化生物。细胞内储存多聚物（如糖原或聚羟基丁酸酯）提供了亚硝酸盐部分反硝化至N2O所需的还原等效物。SND反应器能够在多种运行配置下发挥作用。例如，SND可以在序批式反应器内发生，操作条件在有氧和缺氧条件间转换。当本体反应器液体中仍存在氧气时，SND也能发生。反应器中的细菌会聚成絮状，形成传质限制。微生物絮状物内形成的氧气浓度梯度在通气反应器内为反硝化生物提供了小生境(niche)。两种过程均可产生产物一氧化二氮。
SND可以同诸如脱磷的其他养分去除方式成功联用。在这些联合工艺中，可观察到高水平的部分反硝化作用（排放N2O而非氮气）。此外，在有氧和缺氧条件之间循环的动态工艺控制下，硝化和反硝化反应器内会发生高水平的N2O排放。这一方案如图12所示。
发明者已经发现，生物能够通过将PHB（聚羟基丁酸酯）纳入细胞内并随后氧化来生成N2O。这一发现的重要性在于它提示了生物能够生成高水平N2O的机制并提供了回收磷（废水中的有价值营养物）的途径。在这类加强版生物磷回收（EBPR）技术中，通过将内源性碳（包括PHA）纳入并氧化而发生N2O的反硝化。该EBPR新技术基于如下发现：可通过能够将亚硝酸盐还原成一氧化二氮的异养反硝化生物或其他生物回收磷，这些生物存在于在厌氧和缺氧时期间循环的产N2O生物反应器中。观察到这些反硝化生物积累多聚磷酸盐（poly-P），这种含磷颗粒被纳入细胞并与细胞内碳源聚羟基脂肪酸酯（PHA）的氧化相关。在带有瞬时给料系统的操作模式中，观察到生物积累PHA并将亚硝酸盐还原为一氧化二氮。这一特定机制提供了一种途径来通过常规EBPR工艺中用氧气替换亚硝酸盐来以N2O的形式回收废弃磷和氮作为能源。通过同时除去废水中的氮和磷并产生可再生能源，这些涉及EBPR的实施发生满足了长期需求。它提供了一种用于脱磷的可持续生物学方法，且无需大量化学品。EBPR通过交替厌氧和有氧阶段来脱磷，磷酸盐以多聚磷酸盐（poly-P）的形式被纳入细胞生物质中。细胞随后被除去，磷则以多聚磷酸盐的形式得到回收。常规的EBPR在处理废水时需要加入氧气且没有提供处理废弃氮的途径。本发明可通过将有氧阶段改变成带亚硝酸盐的缺氧阶段来加强EBPR。这一改变实现了磷回收、废弃氮去除、从废弃氮中回收能量，并通过降低或消除通气减少了EBPR的能量需求。图17A显示了氮的一般处理过程，在第二和第三步分别从废弃氮中回收磷(P-回收)和回收能量。
图17B是本发明中进行EBPR的一种实施方式的示意图。含氮、有机物和磷的流入废液经过处理以回收能量和磷。过程步骤详述如下：
1.颗粒状的有机物质被厌氧消化以生成能够燃烧以回收能量的生物气（甲烷和二氧化碳）。
2.来自厌氧消化器中的氨被氧化为亚硝酸盐。
3.可溶性有机物质（即挥发性脂肪酸、乙酸盐）被磷累积反硝化生物在细胞内消耗以将多聚磷酸盐（poly-P）转化为PHA并释放无机磷（Pi）。
4.PHA被氧化，使亚硝酸盐还原为一氧化二氮。无机磷被纳入细胞内并转化为多聚磷酸盐。
5.溶解的一氧化二氮被抽提出溶液并通过N2O分解和/或燃烧回收能量。剩余的可溶氨被部分氧化为亚硝酸盐并重新回流至缺氧的磷摄取阶段，最终被还原为一氧化二氮。
6.部分的回收细胞被废弃，并以细胞内多聚磷酸盐颗粒的形式回收得到磷。
发明者已使用合成污水通过实验证明亚硝酸盐被还原成一氧化二氮伴随细胞磷累积，通过亚硝酸盐至一氧化二氮的部分反硝化伴以磷摄取，前述过程能提供亚硝酸盐至一氧化二氮的62%转化和聚羟基丁酸酯（PHB）累积。发明者证明，在处理真正的厌氧消化器滤出液的生物反应器系统中，通过重复循环获得80-85%的亚硝酸盐转化至一氧化二氮。
在本发明的实施方式中，NO2 -至N2O的部分缺氧还原可以多种不同方式进行。根据一种方式，以聚羟基丁酸酯（PHB）形式储存的化学耗氧量（COD）被用作NO2 -至N2O的部分异养还原的电子供体。对于部分异养反硝化，可对最初源自废弃活性污泥的乙酸和亚硝酸供养型群体施加不同选择条件。在实验中，当乙酸盐和亚硝酸盐连续供应时没有检测到N2O，但当乙酸盐和亚硝酸盐以脉冲形式加入时会生成N2O。在同时加入乙酸盐和亚硝酸盐（偶联进料）时，N2O转化率为9-12%，但在乙酸盐和亚硝酸盐的加入去偶联时，N2O转化率为60-65%。已发现去偶联的底物添加选择出能在厌氧期间加入乙酸盐后累积聚羟基丁酸酯（PHB）并在随后的缺氧期间消耗PHB并还原NO2 -的微生物菌群。
这一部分异养反硝化的方法是基于对以前发现的与反硝化异养生物生成N2O相关的多种因素的综合考虑：（1）低COD/N，（2）高亚硝酸盐水平，（3）瞬时给料系统（即饱食与饥饿），（4）低pH（即高浓度的游离亚硝酸），和（5）低溶氧。一般而言，更高的N2O转化率与以下因素相联系：（1）COD的受限利用；（2）在脉冲给料系统中内源COD的氧化；或（3）抑制高NO2 -水平下的N2O还原。
去偶联的给料方案可用于选择储存PHB并将其用作亚硝酸盐还原中还原性等效物来源的生物。从水中脱氮的效率可以达到98%，有62%的NO2 -转化至N2O。
铁
在本发明的一些实施方式中，反应器使用交替过程在气相和液相中进行亚硝酸盐至一氧化二氮（N2O）的部分还原。根据一种实施方式，氮化合物生成一氧化二氮的工艺可包括非生物Fe(II)介导亚硝酸盐还原至一氧化二氮同时生成Fe(III)；并使用铁还原细菌由Fe(III)再生Fe(II)。非生物Fe(II)介导亚硝酸盐还原至一氧化二氮。如图16A所描述的，AOB氨氧化发生在步骤1600，随后在步骤1602为非生物一氧化二氮除气。在步骤1604，使用氮气抽提残余的一氧化二氮，并将步骤1602和1604中的一氧化二氮输入催化分解反应器1606产生能量与氮气和氧气，所生成的氮气和氧气分别被输回步骤1604和1600。图16B显示步骤1600中由AOB进行氨氧化，而图16C显示Fe(II)与亚硝酸盐反应生成N2O和Fe(III)的步骤1602。铁还原细菌，如地杆菌(Geobacter)或嗜甲烷细菌(Methanotrophs)，能够将含碳化合物（如乙酸盐或甲烷）的氧化与Fe(III)的还原相偶联，从而再生Fe(II)。或者，可将废弃Fe(II)添加为过程输入物。FeCl2是钢铁工业的废产物，被称作“酸洗废液”，且已在众多用于脱磷的废水处理设施使用。
在另一实施方式中，亚硝酸盐还原至一氧化二氮可包括使用有机物，作为电子供体将亚硝酸盐通过微生物还原为一氧化二氮，例如，利用来自粪产碱菌(Alcaligenes faecalis)的乙酸盐或聚羟基脂肪酸酯颗粒。该方法利用粪产碱菌和相关生物使用乙酸盐或聚羟基脂肪酸酯颗粒作为电子供体将亚硝酸盐还原为N2O的能力。
作为另一种选择，在生物反应器系统中氮化合物生成一氧化二氮的进程可包括氨的微生物氧化与Fe(III)还原相偶联，随后使亚硝酸盐与Fe(II)进行非生物反应以生成一氧化二氮，例如，使用铁氨氧细菌来偶联氨氧化至亚硝酸盐和Fe(II)至Fe(III)的还原。该方法涉及氨的微生物氧化与Fe(III)还原相偶联，随后使亚硝酸盐与Fe(II)进行非生物反应以生成N2O。该方法能够生成N2O而不氧化有机物，增加可在上游厌氧过程中转化为甲烷的有机物质。
涉及铁的上述两种实施方式的还有如下优点：它们以铁沉淀物（FePO4）的形式进行脱磷，并通过吸附作用或与Fe(III)固体的共沉淀改善金属脱除。这些实施方式利用Fe(II)物质能够与亚硝酸盐进行非生物反应生成一氧化二氮的事实。二价铁氧化与亚硝酸盐还原的偶联导致了三价铁的沉淀。三价铁还原回二价铁可用于在系统中建立铁循环并避免从外部输入Fe(II)。建立三价铁/二价铁循环的一种方法就是上述实施方式，其中使用铁还原生物再生Fe(II)。这些生物生长快速，非常稳健并已研究透彻。根据该配置，一级处理中的部分可溶性COD流出液可被用作三价铁还原的还原力。该配置能够使用两步循环的分批操作：（1）三价铁还原为二价铁，随后（2）二价铁氧化伴以亚硝酸盐还原成一氧化二氮。上述其他实施方式也可通过使用铁氨氧生物以氨氧化来还原三价铁从而维持铁循环。此外，偶联三价铁还原的氨氧化在典型pH值和低浓度二价铁的反应物浓度条件下是热力学有利的。这一策略更简单且不使用COD，无需额外的COD供甲烷生成并能在单一步骤中使亚硝酸盐转化为一氧化二氮。
一氧化二氮的分离和浓缩
生物反应器的产物一氧化二氮在硬件设备中以气相进行化学反应之前，可使用多种方法来处理。在该类型生物反应器系统中流入NH4+高水平的条件下，预期N2O的高蒸气压（20℃时50.8个大气压）能够直接从第二恒化器中捕获N2O用于分解和发电。然而，由于N2O在水中的溶解度相对较高（25℃且1个大气压时1.08g/L），可能需要包含分离机制204以促进溶解的N2O几乎完全分离出液态流出物，从而增加气相N2O的部分。因此，该方法可以包含使用分离器（204，图2）以分离一部分溶解在生物反应器液态流出物中的一氧化二氮以增加一氧化二氮产物中气相的含量，提供生物反应生成的N2O从液态至内部气相的有效传质。可使用多种技术实现这一目的。例如，可使用小型气体分离柱500，如图5A所示。在柱中，氮气载体气泡502被引入已溶解有N2O的溶液504。氮气气泡502从溶液中分离N2O504，随后在气泡从柱顶部逸出时捕获氮气/N2O气体混合物506。在25℃时，可通过分子筛从氮气载气中分离气相的N2O，氮气可循环返回在分离柱底部形成新的气泡。或者，可在第二台恒化反应器处使用分离器进行真空分离，横断面视图如图5B所示。带真空的中央柱510以N2O选择性透膜512从含溶解有N2O的流出液516的环形柱514内分离。通过全蒸发，所溶解的N2O在流出液通过膜512被直接抽提出流出液并进入中央柱510。
一些实施方式中，可能需要在气流进入化学反应器前浓缩气相一氧化二氮的量。例如，图6显示了用于浓缩气流中N2O的设备的一种可能方式。该设备具有腔体600，被选择膜602分成上下两个子腔。N2O和氮气的混合物通过端口604进入上子腔并通过端口606离开。上子腔内的N2O气体选择性地通过膜602并进入下子腔并通过端口608离开，形成浓缩的N2O气流。还可使用其他多种技术浓缩N2O。
一氧化二氮气体的分解
在优选实施方式中，可在设计用于生物反应器出口条件运行的硬件反应器装置内分解气态一氧化二氮生成氮气和氧气。可使用多种方式进行分解，如催化分解、通过外部加热的热分解或通过放热分解。当该分解反应与本发明实施方式中的N2O发生生物反应器系统联用时，产生新的可再生能源来源，并且由于分解反应的产物是富含氧气的空气，产生能量的同时温室气体实现零排放。此外，一氧化二氮分解的产物氧气可循环回生物反应器系统，补偿由氨生成N2O的部分氨氧反应所需的很大一部分氧气。
N2O的总分解反应是放热的。反应N2O→1/2O2+N2+82kJ的能量图如图7所示。分解反应会在超过850℃时达到可观的速率且启动的活化能约250kJ/mol。然而，该活化能在金属催化剂如铑和/或很低浓度甲烷的存在下能有显著降低。需要注意的是N2O中的少量碳氢化合物或氢气能够大幅加快分解速率。设计得当且充分表征的系统可以使用很少量的甲烷安全运行。此外，很低浓度甲烷的存在能够显著提升N2O分解的动力学。
在一氧化二氮的分解是催化进行的情形中，分解如图8所示进行，含适当高浓度的气态一氧化二氮的气流流过含催化剂802的腔体800，举例来说催化剂沉积在由催化剂载体制成的球形颗粒上。一旦反应开始，所释放的能量被用于保持催化材料的热度以维持反应。多余的能量可通过热能的形式提取并用于发电，如使用斯特林循环热机。然而，如果氮气的浓度不够高，可能需要使用外部热源加热催化材料以维持反应进行。适用于本发明实施方式的N2O分解装置优选能够在热的氧化环境中维持稳定且持续运行，同时最小化壳壁的热降解。腔体800可使用高温陶瓷或高温合金制造。催化剂802可以是金属或金属氧化物，如一种过渡金属或过渡金属氧化物。催化剂包括铑、氧化铑、铁或氧化铁。催化剂载体可包括γ相氧化铝、沸石或高表面积陶瓷。硬件反应器装置的一些实施方式可包括用于预热催化剂床的内置式陶瓷电热塞耐高温氧化的Hastelloy-X腔，和陶瓷钇稳定的氧化锆尾部催化剂床支持件。实施方式可采用耐高温耐火陶瓷，如陶瓷基复合材料（CMC）氧化铝，以确保长的操作寿命和最低的结构降解。可在分解腔内加入很低浓度的甲烷以提升N2O的分解动力学并帮助在很低流速下维持分解。可使用诸如氧化铝隔层的设备腔热绝缘来最小化分解反应的热损失。可使用多种纳米涂层进一步降低绝缘材料的导热性。
一种实施方式中，可使用少量N2O气体混合氮气，如分别2%和98%，进行稀释催化分解。腔体800通过诸如将其包裹在加热带中的方式被加热，且球形颗粒为多孔性的，为N2O提供了一个大且热的催化的表面区域。或者，使用非常高（如大于90%）浓度的N2O进气可进行自我维持催化分解，无需使用加热带或其他外部热源。
使用一氧化二氮气体作为氧化剂或共氧化剂进行燃烧
本发明的一些实施方式中，一氧化二氮不在硬件反应器设备中分解，而可在燃烧反应中，如甲烷或其他燃料的燃烧反应中，用作氧化剂或共氧化剂。例如，CH4+4N2O=>CO2+2H2O+N2+热。
优势、废水处理示例
本发明的实施方式相对于现有方法有多项优势。
1.该技术能够使处理工厂中回收的甲烷量变为原先的三倍。对于城市污水，每处理一升污水可获得至多约0.1L甲烷气体。与使用废弃有机物作为还原力的常规脱氮方法相反，本技术使用氨代替有机物。因此，更多的有机物质可被用于生成甲烷。
2.硝化所用氧气比常规方法所需低60%。这一减少的重要性在于通气占处理工厂运行成本的约50%。
3.废弃生物质显著减少，这是因为产生可观生物质的异养反硝化反应不再是必需步骤。清理废弃生物质是处理工厂的第二大运行开支。
4.代尔夫特大学新近开发的著名的厌氧氨氧化技术依赖氨氧化细菌。这些细菌生长非常缓慢，因此反应器启动缓慢，且在有扰乱时缓慢修复。与之相反，本技术所使用的生物更稳健且倍增时间更短。
5.氮分解反应器的小体积非常适于布局紧凑的废水处理系统。
6.N2O生成和捕获的产生经济激励的过程消除了温室气体N2O的排放，如同生成和捕获温室气体甲烷的过程。
本发明中的实施方式具有显著改变家用及工业废水处理和垃圾渗滤液中氮管理的潜能。此外，它们还会影响生物柴油、乙醇及其他燃料的生物质生产。在这些过程中，燃料必须与含氮生物质分离，后者随后成为废料。将废弃氮转化为一氧化二氮的技术能够进行电力生成、避免温室气体排放，并预防了其他有害形式氮的流出。
为说明这些优势，将帕罗奥图水质控制工厂作为实施该技术的潜在能源收益作为一个示例。如果操作所述处理工厂生物反应器从而最大化N2O生产，则预期该工厂每天可生产约2000千克的N2O。这一N2O生产速率（23克/秒）将产生43kW电能。展望来看，平均每户家庭每天消耗约7kW-hr。假设能量转换效率为30%，则N2O分解所产生的43kW电能可以为大约40户家庭供电。达到这种分解速率所需的反应器规模仅是目前已开发反应器的三至四倍。在像圣何塞这样的废水处理工厂，这会转化成更大的发电规模，据估计在圣何塞通过微生物工艺生成的N2O将是帕罗奥图的10倍。上述能量收益仅计算了氮中可得能量。该工艺如果与用于脱碳的甲烷发酵相偶联，就可以避免使用有机物作为还原力的来源，从而能够提高甲烷产量，这一事实将产生更多能量收益。对于一般污水而言，生成的甲烷可三倍于传统废水处理工艺。上述能量分析还未包括因偶联用于脱碳的甲烷发酵和用于脱氮的N2O生产/分解而显著降低氧气用量带来的收益。大规模应用时，该项技术可成为可再生能源的重要来源。

Claims (11)

1.一种脱氮方法，所述方法包括：
a）将废物流泵入生物反应器系统内，其中所述废物流中包含氮化合物；
b）在生物反应器系统内处理所述氮化合物以生成一氧化二氮；
c）由生成的一氧化二氮形成一氧化二氮气流；
d）在与所述生物反应器系统相偶联的硬件反应器设备内化学反应所述一氧化二氮气流；
其中，所述生物反应器系统的第一阶段是好氧阶段而生物反应器系统的第二阶段在厌氧和缺氧时期之间循环，所述第二阶段包含选择生物，所述生物在厌氧时期生成细胞内储存产物并在缺氧时期由内源性碳的氧化驱动进行部分反硝化成一氧化二氮。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述细胞内储存产物包括糖原、PHA或PHB。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述生物是能进行内源性碳储存和部分反硝化成一氧化二氮的丛毛单胞菌（comamonas）。
4.一种脱氮方法，所述方法包括：
a）将废物流泵入生物反应器系统内，其中所述废物流中包含氮化合物；
b）在生物反应器系统内处理所述氮化合物以生成一氧化二氮；
c）由生成的一氧化二氮形成一氧化二氮气流；
d）在与所述生物反应器系统相偶联的硬件反应器设备内化学反应所述一氧化二氮气流；
其中，生物反应器系统内的所述处理包括使用抑制剂以抑制一氧化二氮还原为氮气（N2O还原酶）从而将硝酸盐或亚硝酸盐部分反硝化成一氧化二氮。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述抑制剂是乙炔（C2H2）。
6.一种脱氮方法，所述方法包括：
a）将废物流泵入生物反应器系统内，其中所述废物流中包含氮化合物；
b）在生物反应器系统内处理所述氮化合物以生成一氧化二氮；
c）由生成的一氧化二氮形成一氧化二氮气流；
d）在与所述生物反应器系统相偶联的硬件反应器设备内化学反应所述一氧化二氮气流；
其中，在所述生物反应器系统内处理所述氮化合物以生成一氧化二氮包括：使用有机物作为电子供体将硝酸盐或亚硝酸盐微生物还原成一氧化二氮；所述有机物例如乙酸盐、挥发性脂肪酸或来自丛毛单胞菌的聚羟基脂肪酸酯（PHA）或聚羟基丁酸（PHB）颗粒。
7.一种脱氮方法，所述方法包括：
a）将废物流泵入生物反应器系统内，其中所述废物流中包含氮化合物；
b）在生物反应器系统内处理所述氮化合物以生成一氧化二氮；
c）由生成的一氧化二氮形成一氧化二氮气流；
d）在与所述生物反应器系统相偶联的硬件反应器设备内化学反应所述一氧化二氮气流；
其中，在所述生物反应器系统内处理所述氮化合物以生成一氧化二氮包括：使用能够自养反硝化的自养生物将硝酸盐或亚硝酸盐微生物还原成一氧化二氮。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述自养生物在反硝化过程中利用氢作为电子供体。
9.一种脱氮方法，所述方法包括：
a）将废物流泵入生物反应器系统内，其中所述废物流中包含氮化合物；
b）在生物反应器系统内处理所述氮化合物以生成一氧化二氮；
c）由生成的一氧化二氮形成一氧化二氮气流；
d）在与所述生物反应器系统相偶联的硬件反应器设备内化学反应所述一氧化二氮气流；
其中，在所述生物反应器系统内处理所述氮化合物以生成一氧化二氮包括异养反硝化，涉及通过内源性碳源的纳入及氧化或通过甲烷的氧化进行反硝化成N2O，所述内源性碳源包括PHA。
10.一种脱氮方法，所述方法包括：
a）将废物流泵入生物反应器系统内，其中所述废物流中包含氮化合物；
b）在生物反应器系统内处理所述氮化合物以生成一氧化二氮；
c）由生成的一氧化二氮形成一氧化二氮气流；
d）在与所述生物反应器系统相偶联的硬件反应器设备内化学反应所述一氧化二氮气流；
其中，在所述生物反应器系统内处理所述氮化合物以生成一氧化二氮包括交替的厌氧和缺氧阶段，期间磷酸盐以多聚磷酸盐形式被纳入细胞生物质。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括以多聚磷酸盐的形式从细胞生物质内回收磷。
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