1、污水中的氮循環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。降的化學性質不活潑，常溫下很難與其他物質發生反應。止匕外，大部分生物體無法利用年進行新陳代謝。因此，N2需要被轉化為“活性”氮（如NH-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

2、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問題。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，在發展中國家，超過35%勺城市沒有污水處理廠（WWTP。即使在擁有WWT的城市，一部分WWTP污水只進行初級處理，脫氮能力非常有限。這一系列問題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問題。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

3、合體。市政WWT進水中的氮主要包括NH3ffi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）。fNHj一對比彘好鈍口收二近氨：碼比：就氫氣化一臉獨話化”聞；色母氣化柞用：巾有機貳mi塞他林過程氨氮（Nhf或NH）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2075mg-N/L。污水中NH的主要來源包括：?有機氮的降解，如蛋白質降解為NH;?固氮作用，例如微生物固氮作用以及Haber-Bosch固氮法；?亞硝酸鹽（NO）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NH的主要方式是將其氧化為降或NO。

4、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（NG）與NH相比，污水中NQ的含量通常比較低。NQ的形成主要是由于NH的氧化或NO-的還原。NO-的去除可以通過將其氧化形成硝酸根（NO）,或者還原形成降或NH。其中，在將NO還原成降的過程中，有中間產物NO生成。在NO被進一步還原為N的過程中，有氧化亞氮（NQ產生。NO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（NO-）NO是含氮有機物氧化分解的最高價態化合物。污水中的NO-是由于NO的氧化而形成。NO的去除可通過將其還原為NQ而實現。由于人類活動的影響

5、，許多地方的地下水和地表水中NO-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問題。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問后，氮的脫氨基反應使得有機氮轉化為氨氮(NH),導致NH的濃度增加。污水脫氮技術工藝從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N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

6、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，研究人員和工程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。表工生物睨媚除破菌群及特性原號前胖客希如前樽忡ra8曬需求昭化卸任"能與春導士E市西？i小評(AOO)從量化或得饒MOjt+代注導.UFT正正本.1小：，,-Kr(-P'可和空制荷在在野,王術釗3三循化空西員崎注第崎燈融(DP31，小或比HQf中莓售饞，lUCOiAM.世代粘12i&hU七比曾K=,t/mArji-n(H-QClMh"反硝

7、化過呢 髭苒區強君把載嚀為甲彳史早亍伊體美中短星 號是兼性毗善，有資于分也存在時.六周玄作其電子亮體.無分f若輒對r利用NQj-itMOJ中的餐件力嗯子群* 左虢氧1無氧但存在E#裝室>條件下反睛化除勒盲利用HO.充當鬼子幽科NOT還原為上/孔苧舍年曰黃怛茵段8條再FtiMV作為電子氽體.MO作片電子愛體rM若F之#喏以*.；二門一步*一吼丁弄有市*影/耳句號壯一八子守丁行的匚之1聿之宜混用“rt：.地制就壽(no4口9mg/L二下*反磷北時要有有機物柞會浜漢=."，*零啊"XT=2百3：電的N0zNH/Ru硝化/反硝化將NH氧化成NQ叫硝化，將NQ還原成N叫反硝化。

8、污水中的NH3以通過硝化和反硝化生成N從污水中脫除，這是最早和最流行的污水生物脫氮技術。成功實現這個技術的前提是，污水中存在足夠的氧氣(O)和有機物(可以換算成化學需氧量，即CODo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COEM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

9、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(SinglereactorsystemforHighactivityAmmoniumRemovalOverNitrite縮寫)。顧名思義，Sharon工藝是通過將NH氧化成NO-之后，再將NO還原成N勺過程，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NO氧化為NO-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!減少；?整個過程可以在一個

10、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勺存在。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，AnammoxT以將NO作為電子受體、NH作為電子供體，反應生成N20Anammo的主要特點包括：?反應的吉布斯自由能比O介導的NH氧化反應更低(見表1),因此從熱力學的角度來說，Anammoi!容易發生；?Anammo菌的生長速度較慢，倍增時間為3星期。因為Anammo具有

11、這些特點，所以AnammoxC藝的起始階段耗時較長，運行AnammoH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，Anammoi勺耗氧量減少60%對COD勺需求量減少100%產泥量減少90%短程硝化/厭氧氨氧化值得一提的是，Sharon和Anammo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(theDutchFoundationofAppliedWaterResearch)時取得的研究成果。他們在研究的過程中發現，若將Sharon與Anammo進行聯用，將50%勺NH+氧化為NO,再將這部分NO-與剩余的NH

12、+反應生成N,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Anammo分別在同一個反應器中的好氧和缺氧微環境中實現。Sharon/AnammoxT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/AnammoxX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，許多科學家和工程師投身于該技術的實際應用中。截至2014年，該

13、工藝已經在超過100家WWT得到應用，大部分在歐洲的WWTP基于側流Sharon/Anammoi勺技術在北美比較受歡迎。其他脫氮技術在進一步嘗試將主流Sharon/Anammox®用于WWTP，該工藝遇到了以下問題或技術瓶頸：?污水中CODW氮的比例太高，使異養菌過量生長；?NH琳度太低，限制了Anammo菌和NH氧化菌的生長；?污水溫度太低，這意味著，與Anammo交口NH氧化菌相比，NO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。由于這些技術瓶頸的存在，目前，主流Sharon/AnammoxR在奧地利Strass和新加坡Changi共2家WWTP到實際應用。它的

14、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技術來突破這些技術瓶頸，例如：使用NH3®化古菌為AnammoXl供NO-:與氨氧化細菌相比，氨氧化古菌對Q和NH有更強的親和力，因此可能有助于降低出水NH3ft度。使用反硝化型甲烷氧化菌（Damo:DamM以將NO還原為NO-,將Damo與Anammo敗用，可能有利于穩定地為AnammoX!供NO,從而降低工藝運行過程中對NO氧化菌進行抑制的要求?；诓煌娮邮荏w的Anammox研究發現，Anammo對以利用SO2-、鈕或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

15、水脫氮的潛力。硫酸鹽還原/自養反硝化/硝化耦合技術（SANI）:這項技術首先將污水中的硫酸鹽還原為硫離子（&-）,同時去除了COD其次，利用硝化作用將污水中的NH*?；癁镹O3-,最后將S2-作為電子供體、NQ作為電子受體將氮以N2的形式從污水中脫除。該技術在含高濃度硫酸鹽的污水中可能有較好的應用前景。目前，此項技術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。在污水脫氮技術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技術，其中有一定潛力的方向包括肥料（氣體NH,

16、（NH4»SO,鳥糞石等）、飼料與食物蛋白。氣體NH: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（NH）2SO:將氣體NH通入硫酸溶液中，從而在較高溫度下（如70o。生成硫酸錢。硫酸錢可以作為農業生產中的肥料，提供硫和氮等營養物質。目前，這項技術的實際應用非常少，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NH的污水中，能夠形成磷酸錢鎂沉淀物，實現污水脫氮除磷。磷酸錢鎂水合物（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