氨氮厌氧氧化的微生物反应机理

氨氮是引起水体富营养化和环境污染的一种重要污染物质 , 其来源较多 , 排放量日益增 大, 除大量的生活污水、动物排泄物外 , 大量的工业废水, 如炼油废水、 某些制药废水和食品 工业废水、以及垃圾填埋场渗漏水等 , 都含有大量的氨态氮 . 因此, 去除氨氮成了当今废水 处理系统中的一个重要问题. 利用微生物的好氧硝化和厌氧反硝化是去除氨氮的一种经济有 效的方法 . 微生物去除氨氮需经过两个阶段 , 如( 1) 式所示: NH + NONO NO N2 4 2 3 2 | | | ( 1)
[ 1] [ 2] [ 3] [ 4] [ 5] [ 6] [ 7] 周少奇 , 方 汉平 . 低 CO D / N_NH + 4 比废 水的 同时 硝化 反硝 化生 物 处理 策 略 [ J] , 环境 污染 与 防治 , 2000, 22( 1) : 18- 21. M U L D ER A. V an de G RA A F A A , RO BERT O N L A , et al. Ana ero bic ammo nium ox idation disco v er ed in a denitrify ing f luidized bed re acto r [ J] . F EM S M icro bio l Eco lo gy , 1995, 16: 177- 184. V an de G R A AF A A, M U L D ER A , BRU IJN P, et al. Anae ro bic ox idation of ammo nium is a biolog i cally m ediate d pr ocess [ J] . Appl Env ir on M icr obio l, 1995, 64( 4) : 1 246- 1 251. BR OD A E. T wo kinds o f litho tr ophs m issing in na tur e [ J] . Z A llg M icr obio l, 1977, 17: 491- 493. 郑 平 , 胡宝兰 . 生物脱氮技术的研究进展 [ J] . 环境污染与防 治 , 1997, 19( 4) : 25- 28. 周少奇 . 生物脱氮的生化反应计量学关系式 [ J] . 华南理工大学学报 , 1998, 26( 3) : 124- 126. 周少奇 . 有机垃圾好氧堆肥法的生化反应机理 [ J] . 环境保护 , 1999( 3) : 30- 32.
硝化成 N 2 排入大气[ 1] , 容易造成排放水中 NO 2 和 NO 3 的残留, 同样对环境造成污染.
1
氨氮厌氧生物氧化现象的发现与优点
1995 年 , M ulder 和 Van de Graaf 等[ 2, 3] 研究生物反硝化时 , 发现了氨氮的厌氧生物氧
化 ( Anaer obic Am mo nium Ox idat io n_Anamm o x, 本文简 称 AOA_Anaer obic Oxi dat io n o f Amm onium ) 现象, 从而证实了 Bro da [ 4] 于 1977 年提出的关于自然界应存在反硝化氨氧化菌 ( de nit rif ying am mo nia_ox idizers) 的预言 . 该现象的特点是微生物在厌氧条件下 , 以 NH + 4 为
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NH + 4 + 0. 6NO 3 0
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0. 8N 2 + 1. 8H 2 O+ 0. 4H +
( 3)
G = - 297 kJ/ m o l 郑平、 胡宝兰 ( 1997) 较详细地综述了生物脱氮技术的进展, 指出 : 氨氮厌氧生物氧化与 传统的硝化- 反硝化技术相比 , 具有许多优点 . ( 1) 由于氨可以直接用作反硝化反应的电子供体 , 因此, 不再需要外加有机物作电子供 体, 既可节省费用 , 又可防止二次污染; ( 2) 硝化反应每氧化 1 m o l NH 4 耗氧 2 mo l, 而在氨氮厌氧生物氧化反应中 , 每氧化 1 mo l NH 4 只需要 0. 75 m o l O 2 , 耗氧下降 62. 5% , 可使供氧能耗大幅下降 .
+ ( 3) 传统的硝化反应氧化 1 m ol NH + 4 可产生 2 mo l H , 反硝化反应还原 1 m ol NO 3 或 NO2 将产生 1 mo l OH , 而氨氮厌氧生物氧化反应产酸量大幅下降, 产碱量降至为零 , 可以 + + [ 5]
节省可观的中和试剂 .
2
2. 1
氨氮厌氧生物氧化反应的机理
第一阶段为好氧硝化 , 第二阶段为厌氧 ( 缺氧) 反硝化. 从中可以看出 , 通过微生物的硝化、 反硝化是去除氨氮的一种有效途径, 由于反硝化过程需要消耗大量的 COD, 采用同时硝化反 硝化策略在去除氨氮的同时也能去除大量的有机污染物 , 所以具有相当大的优越性 . 然而 , 其过程相当复杂 , 且不易控制 , 有时 , 废水中缺乏足够的 COD ( 电子供体) 将 NO NO2 、 3 反
氨氮厌氧氧化的微生物反应机理*
周少奇
( 华南理工大学 环 境科学与工程系 , 广东 广州 510640) 摘
要 : 推导了以 N H + N O4 作为电子供体 , 以 N O 2 、 3 为电子受体 , 在厌氧条件下 , 氨氮生 物氧
化反 应的计量方程式 , 并对细胞 C H O N = C 5H 7 O2 N 时的情形进行了讨论 , 从理论 上明确了氨 氮厌氧生物氧化反应的一些重要特征 . 关键词 : 氨氮 ; 厌氧生物氧化 ; 计量学 ; 电子流平衡 中图分类号 : X 173 文献标识码 : A 文章编号 : 1000- 565X ( 2000) 11- 0016- 04
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结束语
氨氮厌氧生物氧化( AOA) 过程是一种自养微生物作用下的生化反应过程 ; 其微生物细
+
胞合成的氮源有两种可能, 一种是硝态氮, 另一种是氨氮 ; 当反应以 NH 4 作氮源时 , AOA 反应需要消耗一定的碱度 ; 所有的氨氮厌氧生物氧化 ( AOA) 过程都会出现 pH 值降低的现 象. AOA 与传统的硝化反硝化技术相比 , 有许多无可比拟的 优点, 值得进一步研究开发 . AOA 反应过程的计量学方程式将对 AOA 过程的研究开发和计量学控制有重要的指导作用. 参考文献 :
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( 1) 氨氮厌氧生物氧化 ( AOA) 过程均需要一定量的 CO 2 作为碳源, 这说明 AOA 过程是 在自养微生物作用下完成的. + ( 2) AOA 过程的微生物细胞合成的氮源有两种可能 , 一种是 NOx , 另一种是 NH 4 . ( 3) 当 AOA 反应以 NH + 4 作为细胞合成的氮源时 , 需要消耗一定量的碱度. ( 4) 所有的 AOA 反应, 都有 H + 产生, 所以反应过程会出现 pH 降低的现象.
( 4) 1+ 4f s fs + 9 - 24f s ( 2 + 3 - ) f s H + H O + 2 20 P 40 P + + NH 4 为电子供体 , NO 3 为电子受体 , 微生物以 NH 4 为氮源. S + 8 fs 3 - 8f s ( - )fs fs NH + NO 3 + CO 2 + HCO4 + 3 = 8S 40 S S ( 5) fs 1- f s 1 + 4f s + 3f s ( 2 + - ) f s CH O N + N2 + H + 9H O + 2 S 10 20 40 5 S NH+ 4 为电子供体 , NO3 为电子受体 ( 但是还原到 NO2 而非 N 2 ) , 微生物以 NO2 为氮源 3 - 4f s fs fs fs 1- fs 1 NH+ + ) NOCO2 = C H ON + NO2 + 4 + ( 3 + 8 8 P P P 2 ( 6) fs + 1 - 4f s ( 2 + 3 - ) f s 1 H + H O + 2 4 P 8 P + NH 4 为电子供体 , NO 2 为电子受体 , 微生物以 NO2 为氮源 . 1 2 f f f f 1- f s s s s s 1 + NH 4 + ( + ) NO 2 + ) CO 2 = C H O N + 6 6 P P P 6 N2 + ( 7) ( P - 3 )f s + 1 - 2f s ( 2 + 2 - ) f s H + + H2O 3P 3 P + NH 4 为电子供体 , NO 2 为电子受体 , 微生物以 NH + 4 为氮源. S+ 6 fs + 1 - 2f s ( - )f s fs NH 4 + NO2 + CO2 + HCO3 = 6S 6 S S ( 8) fs 1- fs fs + 1 - 2f s ( 2 + - ) f s C H ON + N2 + H + + H2O S 6 3 3 S
第 28 卷 第 11 期 2000 年 11 月
华南理工大学学报( 自然科学版) Jour na l o f South China U niversit y of T echno lo gy ( Nat ural Science Editio n)
V ol. 28 N o. 11 N o vember 2000
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ห้องสมุดไป่ตู้
华南理工大学学报
第 28 卷
P= 4 + 以上各式中: 参数 P, P , S 均为无因次量 .
+ 5 - 2 ( 9)
P = 4 + + 3 - 2 S = 4 + - 3 - 2
2. 2
计量方程式的简化
因废水处理中 , 通常采用 C 5H 7 O 2 N 作为微生物的分子式 . 所以当 C H O N = C 5H 7 O2 N 时, 由( 9) 式易得 P = 28, P = 26 , S = 20, 将它们代入( 4) ~ ( 8) 式, 可得简化后的计量 方程依次为: 7 - 46f s 5f s 1 NH+ NO 3 + CO2 = 4 + 8 280 28 fs 1- fs 7 + 23f s + 63 - 58 f s C H O N+ N2 + H + H 2O 28 5 7 2 10 140 280 5 + 2f s + 3 - 8f s fs fs 40 NH 4 + 40 NO3 + 5 CO2 + 20H CO3 = fs 1- fs 1 + 4 f s + 9 - 6f s C 5H 7O 2 N + N2 + H + H2O 20 10 20 40 7 - 26f s 5f s 1 NH+ NO 3 + CO2 = 4 + 8 56 28 fs 1- fs 7 - f s + 7 - 6f s C H O N+ NO2 + H + H2O 28 5 7 2 2 28 56 13 - 23 f s 5f s 1 + NO2 + 26 CO 2 = 6 NH 4 + 78 fs 1- fs 23f s + 13 - 11 f s CH O N+ N2 + H + H 2O 26 5 7 2 6 78 39 10 + 3 f s 1 - 2f s fs fs NH + NO 2 + CO2 + HCO4 + 3 = 60 6 5 20 fs 1- f s f s + 20 - 13f s C H O N+ N2 + H + H2O 20 5 7 2 6 3 60
氨氮厌氧生物氧化反应的计量方程式
采用文献[ 6, 7] 同样的方法, 设电子供体( NH + 4 ) 用于细胞 ( C H O N ) 合成的分量为 f s ,
以 1 mo l 电子当量为基础 , 可以推出氨氮厌氧生物氧化反应的计量方程式为: NH + 4 为电子供体, NO 3 为电子受体, 微生物以 NO3 为氮源 . 1- f s fs fs fs 1- fs 1 1 NH+ + ) NOCO2 = C H ON + N2 + 4 + ( 3 + 8 5 8 P P P 10
电子供体 , 以 NO 3 或 NO 2 为电子受体, 将氨氮和硝态氮转变成 N 2 排入大气中 , 其反应式
为[ 4, 5] : NH 4 + NO2
0 + -
N 2 + 2H 2 O
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G = - 361 kJ/ m o l
收稿日期 : 2000- 04- 28 * 基金项目 : 广东省重点科技攻关项目 ; 广东省自然科学基金 ( 980598) 资助项目 ; 广州市重 点科技攻关项目 作者简介 : 周少奇 ( 1965- ) , 男 , 教授 , 主要从事环境生物技术、固体废弃物处理与资源 化的研究 .
可以看出: 式 ( 15) = 式 ( 16) = 式 ( 3) , 式( 18) = 式( 19) = 式( 2) . + 这说明当不考虑细胞合成时 , 无论是 NO x 还是 NH 4 作微生物细胞合成的氮源, 其计量 方程式是等价的 . 然而 , 当考虑细胞合成时, 由计量方程式可以看出 :
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( 10 )
( 11 )
( 12 )
( 13 )
( 14 )
进一步地 , 当 f s = 0, 即没有细胞合成( 实际不可能 ) 时, ( 10) ~ ( 14) 式可分别简化为 : 1 3 1 1 + 9 NH+ NON + H H O ( 15 ) 4 + 3 = 8 40 10 2 20 40 2 1 + 3 1 1 + 9 8 NH 4 + 40NO3 = 10 N 2 + 20H + 40H 2 O 1 1 1 1 + 1 NH+ NONOH + H O 4 + 3 = 2 + 8 8 2 4 8 2 1 + 1 1 1 6 NH 4 + 6 NO2 = 6 N 2 + 3 H 2 O 1 1 1 1 NH + NON + H O 4 + 2 = 6 6 6 2 3 2 ( 16 ) ( 17 ) ( 18 ) ( 19 )