CN106268289A - 厌氧氨氧化菌的生物脱硝方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种厌氧氨氧化菌的生物脱硝方法，具体步骤如下：将厌氧氨氧化菌种接种到厌氧氨氧化反应器中，向反应中加入基质反应液，将含有NO的气体通过厌氧氨氧化反应器底部的曝气头以气泡的形式打入反应器，含NO的气泡在通过菌液过程中与厌氧氨氧化菌相互碰撞，起搅拌作用，厌氧氨氧化菌和气泡充分接触过程中，直接捕捉气体中的NO并以其为电子受体，以基质液中的氨氮为电气供体，完成厌氧氨氧化过程，将NO和氨氮转化为氮气排出反应器。本发明可以实现水中氨氮和气中NO同步去除，脱硝效率高，投资和运行成本低，设备简单易实现，不会产生二次污染物。

Description

厌氧氨氧化菌的生物脱硝方法

技术领域

本发明涉及生物脱硝方法，尤其涉及一种厌氧氨氧化菌的生物脱硝方法。

背景技术

NOx是一种主要的大气污染物，其中NO占烟气中NOx污染物的95％以上，因此，烟气脱硝主要是去除NO。传统的烟气脱硝方法主要有液体吸收法，吸附法和催化还原法。因为NO难溶于水，所以传统的湿法脱硝通常利用NO与络合剂特异性结合，将NO从气相转入液相或者利用氧化剂将难溶于水的NO氧化成易溶于水的NO₂，再通过液体吸收而达到脱硝的目的，这种脱硝方式效率不高，且易产生二次污染；吸附法主要是利用吸附剂的强吸附性能将气相中的NO固定在吸附剂中，再通过外置解析环节将吸附剂还原，这种方式净化效率高，但吸附剂用量大，占地面大，投资和运行成本高；催化还原法通常通过外加还原剂(通常为氨)，再利用催化剂的特异性催化将NO和NH₃直接转化为N₂，这种脱硝方式效率高，设备紧凑，脱硝比较彻底，是现有的主要脱硝方法，如SCR和SNCR，但其催化剂价格较高，寿命有限，在运行过程中容易发生氨泄漏，易产生二次污染，且催化剂是危险废弃物，处理不当，会产生环境风险。

随着生物技术的日臻成熟，微生物在污水脱氮、有机气体和臭气净化中得到了大量研究和应用。生物法脱硝的关键过程是相间传质和生物降解，传统的生物脱硝依靠的微生物主要是反硝化菌。专利CN1772351A公布了一种基于反硝化菌的生物脱硝方法，其利用反硝化菌的脱氮性能和生物膜的传质性能实现了高效的生物脱硝。该方法的缺点为：反硝化菌是异养菌，需要外加碳源，增加了运行成本，而且反硝化过成容易产生N₂O,产生二次污染。

厌氧氨氧化菌作为浮霉菌门的一类厌氧菌，是一种新型的生物脱氮菌，其通过将NO₂ ^--N还原为NO，进一步利用NH₄ ⁺-N还原过程中产生的电子将NO还原成氮气，这种脱氮方式改变了传统只能通过硝化和反硝化途径脱氮的过程，厌氧氨氧化菌作为化能自养型细菌，在将其应用于污水脱氮领域时，只需以二氧化碳作为唯一碳源而不需要添加有机碳源，运行费用低，污泥产率低，且无N₂O和CO₂等二次污染产生，其脱氮原理如下：

${\mathrm{NO}}_2^{-}+2H^{+}+e^{-}=NO+H_{2}O(E_0^{\′}=+0.38V)---1-1$

$NO+2{\mathrm{NH}}_4^{+}+2H^{+}+3e^{-}=N_2{H}_4+H_{2}O(E_0^{\′}=+0.06V)---1-2$

N₂H₄＝N₂+4H⁺+4e^-(E₀′＝-0.75V) 1-3

${\mathrm{NO}}_2^{-}+{\mathrm{NH}}_4^{+}=N_2+H_{2}O({\mathrm{\ΔG}}_0^{\′}=-357{\mathrm{KJmol}}^{-1})---1-4$

可以看出，NO是厌氧氨氧化(ANAMMOX)过程的中间产物，厌氧氨氧化菌通过以NH₄ ⁺-N为电子供气将NO还原为联氨(N₂H₄)，再通过联氨脱氢酶将联氨转化为氮气排放，整个过程无需外加碳源，无二次污染物产生，脱氮彻底。

专利CN105152323A公布了一种厌氧氨氧化生物脱硝方法，该方法首先通过络合吸收将NO从气相转到液相，然后再利用厌氧氨氧化菌高效的脱氮性能，将NO转化为氮气。该方法的缺点为：采用自养型的厌氧氨氧化菌，脱氮效率高，无需外加碳源，但其络合剂成本高，再生困难，而且，该方法采用的络合剂Fe(Ⅱ)EDTA容易被氧气氧化，烟气中含有3％～5％的氧气，会氧化络合剂，使其失去络合性能，此外，该络合液中还有Fe²⁺，其浓度过高会对厌氧氨氧化菌的活性产生抑制，因此，络合剂浓度过高，可能会对厌氧氨氧化菌的活性产生抑制，而络合剂浓度过低，容易饱和，吸收效果会受到限制，增加了管理运行的难度。

发明内容

本发明的实施例提供了一种厌氧氨氧化菌的生物脱硝方法，以实现利用厌氧氨氧化有效地去除气体中的NO。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种厌氧氨氧化菌的生物脱硝方法，包括：

将厌氧氨氧化菌种接种到厌氧氨氧化反应器中，向所述厌氧氨氧化反应器中加入基质反应液，将含有NO的气体通过厌氧氨氧化反应器底部的曝气头以气泡的形式打入所述厌氧氨氧化反应器；

含NO的气体的气泡在通过菌液过程中与所述厌氧氨氧化菌相互碰撞，起搅拌作用，同时，厌氧氨氧化菌在和气泡接触过程中，捕捉气体中的NO并以NO为电子受体，以所述基质液中的氨氮为电气供体，完成厌氧氨氧化过程，将NO和氨氮转化为氮气，将该氮气排出所述厌氧氨氧化反应器。

进一步地，所述基质液包含满足微生物生长需求的微量元素和100～400mg/L的NH4+-N。

进一步地，所述厌氧氨氧化菌种包括下列之一或两种以上的混合物：

①厌氧氨氧化菌种混合培养物；

②厌氧氨氧化菌颗粒污泥；

③厌氧氨氧化菌AnAOB和好氧氨氧化菌AOB的混合培养物；

④附着在填料上的厌氧氨氧化菌生物膜。

进一步地，所述厌氧氨氧化反应器为底部带有曝气头的SBR反应器或UASB反应器。

进一步地，所述曝气头为磨砂曝气头或微孔曝气头或微孔曝气管。

进一步地，所述厌氧氨氧化反应器的温度控制在31～35℃。

进一步地，所述基质液的pH控制在7.5-8.1。

进一步地，所述含NO气体中的NO浓度在0-1500ppm之间，氧分压小于5％。

进一步地，通过改变所述厌氧氨氧化菌菌液的高度来改变所述含NO的气体在所述厌氧氨氧化菌菌液中的停留时间。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例的方法可以同时实现水中氨氮和气体中NO同步去除，脱硝效率高，投资和运行成本低，设备简单易实现，不会产生二次污染物。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的厌氧氨氧化菌的生物脱硝方法在SBR反应器中处理NO的工艺流图；其中，1氮气瓶、2流量计a、3 NO气瓶、4流量计b、5配气装置、6进气缓冲装置、7进气监测口、8流量计、9主反应器、10曝气头、11出气口、12排水口、13出气缓冲装置、14出气监测口和15尾气吸收装置。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本发明提供了一种厌氧氨氧化菌的生物脱硝方法，该方法同时可以实现水中氨氮和气中NO同步去除，脱硝效率高，投资和运行成本低，设备简单易实现，不会产生二次污染物。

本发明实施例的厌氧氨氧化菌的生物脱硝方法在续批式反应器(SequencingBatch Reactor，SBR)反应器中处理NO的工艺流图如图1所示，具体处理过程如下：

将厌氧氨氧化菌种接种到厌氧氨氧化反应器底部，向厌氧氨氧化反应器内加入基质反应液，使污泥浓度(MLSS)在3500～5500mg/L，将含有NO的气体通过厌氧氨氧化反应器底部的曝气头10以气泡的形式打入厌氧氨氧化反应器，含NO的气泡在通过菌液过程中与厌氧氨氧化菌相互碰撞，起搅拌作用，厌氧氨氧化菌和气泡充分接触过程中，直接捕捉气体中的NO并以NO为电子受体，以基质反应液中的氨氮为电气供体，完成厌氧氨氧化过程，将NO和氨氮转化为氮气后，将氮气通过出气口11排出反应器。

所述厌氧氨氧化反应器为底部带有曝气头的SBR反应器或上流式厌氧污泥床反应器(Up-flow Anaerobic Sludge Blanket，UASB)。

所述曝气头为普通的磨砂曝气头或微孔曝气头或微孔曝气管。

所述基质液包含满足微生物生长需求的微量元素和100～400mg/L的NH⁴ ₊-N。

所述厌氧氨氧化菌种为下列之一或其两种以上的混合物：①厌氧氨氧化菌种混合培养物，②厌氧氨氧化菌颗粒污泥，③厌氧氨氧化菌(AnAOB)和好氧氨氧化菌(AOB)的混合培养物，④附着在填料上的厌氧氨氧化菌生物膜。

所述厌氧氨氧化反应器的温度控制在31～35℃，所述基质液的pH控制在7.5-8.1，所述含NO气体的NO浓度在0-1500ppm之间，氧分压小于5％。

一.进气浓度对吸收效果的影响

先向SBR反应器中接种厌氧氨氧化菌种(MLSS为3892mg/l)，再向反应器加入NH⁴ ₊-N为102.6mg/l的模拟废水作为基质液，液体高度80cm，体积为4L，NO气体进气流量(Q)400ml/min(气体在液体中的停留时间约为6s)，进气中NO浓度(NOin)设置四个浓度梯度依次为：154～266ppm(NO负荷为154mg/d)、451～548ppm(NO负荷为386mg/d)、954～1189ppm(NO负荷为770mg/d)和1432～1789ppm(NO负荷为1157mg/d)，反应器内温度保持在32±1℃，气体中O2浓度小于0.01％，进水经过N2吹10min使溶解氧(DO)<0.05mg/L。进气主要是采用氮气为平衡气的不同浓度的NO气体，排除在生产参杂过程中有少量的氧气，一直用氮气溶液，因为氮气中没有氧气，就可以使溶液中的溶解氧低于0.05mg/L吹脱，每个浓度梯度下运行14h，每隔2小时检测进气和出气的NO浓度，各NOin下均持续运行14个小时，其NO的去除效果如表1所示：

表1不同进气浓度下NO的转化性能

二.停留时间对吸收效果的影响

先向SBR反应器中接种厌氧氨氧化菌种(MLSS为3892mg/l)，再向反应器加入NH⁴ ₊-N为102.6mg/L的模拟废水作为基质液，通过改变菌液的高度来改变气体在菌液中的停留时间，依次设置菌液高度梯度为：20cm，40cm、60cm和80cm，对应的停留时间依次约为1.5s，3s、4.5s和6s，NO气体进气流量(Q)400ml/min，进气中NO浓度(NOin)为1000ppm，反应器内温度保持在32±1℃，气体中O2浓度小于0.1％，进水经过N2吹10min使DO<0.05mg/l，每个停留时间下运行14h，每隔2小时检测进气和出气的NO浓度，不同停留时间下的平均去除效果如表2所示：

表2不同停留时间下NO的转化性能

三.污泥浓度对吸收效果的影响

先向SBR反应器中接种厌氧氨氧化菌种,使MLSS依次为2197mg/L、3892mg/L和8126mg/L，再向反应器加入NH4+-N为102.6mg/l的模拟废水，液体高度80cm，体积为4L，NO气体进气流量(Q)400ml/min(气体在液体中的停留时间约为6s))，进气中NO浓度(NOin)为1000ppm,反应器内温度保持在32±1℃，气体中O2浓度小于0.1％，进水经过N2吹10min使DO<0.05mg/l，每个浓度梯度下运行14h，每隔2小时检测进气和出气的NO浓度，梯度进气NO浓度下持续运行14个小时的平均去除效果如表3所示

表3不同污泥浓度下NO的转化性能

综上所述，本发明实施例的方法可以同时实现水中氨氮和气体中NO同步去除，脱硝效率高，投资和运行成本低，设备简单易实现，不会产生二次污染物，

本发明实施例的方法基于厌氧氨氧化菌的脱氮原理，充分利用NO可以通过自由扩散的方式进入厌氧氨氧化菌而参与细胞的反应的机理，让气态形式的NO和厌氧氨氧化菌充分接触，直接完成传质过程，本发明避免了专利CN105152323A公布的通过络合吸收结合厌氧氨氧化菌处理NO的方法中的络合剂的投加所带来的一系列问题，降低了运行成本，同时也避免了专利CN1772351A公布的利用反硝化菌脱硝所带来的产泥量大和二次污染问题。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种厌氧氨氧化菌的生物脱硝方法，其特征在于，包括：

将厌氧氨氧化菌种接种到厌氧氨氧化反应器中，向所述厌氧氨氧化反应器中加入基质反应液，将含有NO的气体通过厌氧氨氧化反应器底部的曝气头以气泡的形式打入所述厌氧氨氧化反应器；

含NO的气体的气泡在通过菌液过程中与所述厌氧氨氧化菌相互碰撞，起搅拌作用，同时，厌氧氨氧化菌在和气泡接触过程中，捕捉气体中的NO并以NO为电子受体，以所述基质液中的氨氮为电气供体，完成厌氧氨氧化过程，将NO和氨氮转化为氮气，将该氮气排出所述厌氧氨氧化反应器。

2.根据权利要求1所述的厌氧氨氧化去除气体中NO的方法，其特征在于，所述基质液包含满足微生物生长需求的微量元素和100～400mg/L的NH4+-N。

3.根据权利要求1所述的厌氧氨氧化菌的生物脱硝方法，其特征在于，所述厌氧氨氧化菌种包括下列之一或两种以上的混合物：

①厌氧氨氧化菌种混合培养物；

②厌氧氨氧化菌颗粒污泥；

③厌氧氨氧化菌AnAOB和好氧氨氧化菌AOB的混合培养物；

④附着在填料上的厌氧氨氧化菌生物膜。

4.根据权利要求1所述的厌氧氨氧化菌的生物脱硝方法，其特征在于，所述厌氧氨氧化反应器为底部带有曝气头的SBR反应器或UASB反应器。

5.根据权利要求1所述的厌氧氨氧化菌的生物脱硝方法，其特征在于，所述曝气头为磨砂曝气头或微孔曝气头或微孔曝气管。

6.根据权利要求1至5任一项所述的厌氧氨氧化菌的生物脱硝方法，其特征在于，所述厌氧氨氧化反应器的温度控制在31～35℃。

7.根据权利要求6所述的厌氧氨氧化菌的生物脱硝方法，其特征在于，所述基质液的pH控制在7.5-8.1。

8.根据权利要求7所述的厌氧氨氧化菌的生物脱硝方法，其特征在于，所述含NO气体中的NO浓度在0-1500ppm之间，氧分压小于5％。

9.根据权利要求8所述的厌氧氨氧化菌的生物脱硝方法，其特征在于，通过改变所述厌氧氨氧化菌菌液的高度来改变所述含NO的气体在所述厌氧氨氧化菌菌液中的停留时间。