【上海水处理设备网www.szxqhb.com】氮循环是全球生物地球化学循环的重要组成局部，也是生物圈内基本的物质循环之一。自然界中的氮绝大部分以氮气分子（N2形式存在于大气中。N2化学性质不活泼，常温下很难与其他物质发生反应。此外，大部分生物体无法利用N2进行新陈代谢。因此，N2需要被转化为“活性”氮（如NH3-N才干被广大生物体所利用。将N2转化为“活性”氮的过程称为固氮作用，通常由微生物（包括细菌和古菌）完成，此外，20世纪初发明的Haber-Bosch固氮法是一种得到广泛应用的化学固氮法。

得益于工业和农业的快速发展，人类的物质生活水平得到极大的提升。但是同时，全球每年通过工业、农业等活动向环境中排放大量含氮废水，使自然水体中新增越来越多的活性”氮，导致日渐严重的氮循环失衡问题。据统计，人类每年向环境中排放的氮总量约为2000多万吨，并且这个数字随着人口的增长在不时攀升。更糟糕的大约一半的氮污染物没有经过处置，被直接排放至环境中。

例如，发展中国家，超越35%乡村没有污水处置厂（WWTP即使在拥有WWTP乡村，一部分WWTP对污水只进行初级处置，脱氮能力非常有限。这一系列问题对水体中氮循环的影响主要包括：

流域内氮堆积能力下降；

水体中氮素排放量增加。具体而言，这造成了水体富营养化、上海纯水设备水体酸化和温室气体排放等一系列环境问题。

污水中氮的主要形态及转化

市政污水通常是工业废水、生活污水和径流污水的集合体。市政WWTP进水中的氮主要包括NH3和有机氮。氮的循环转化过程主要包括同化吸收、氨化、硝化、反硝化、厌氧氨氧化和固氮（图1

氨氮（NH4+或NH3

氨氮的浓度在不同类型的污水中差异非常大。市政污水处置厂的进水中，氨氮的浓度通常介于20~75mg-N/L污水中NH3主要来源包括：

有机氮的降解，如蛋白质降解为NH3

固氮作用，例如微生物固氮作用以及Haber-Bosch固氮法；

亚硝酸盐（NO2-还原，氮的异化和同化过程中都存在

污水处置过程中，脱除NH3主要方式是将其氧化为N2或NO2-其中，后者的转化过程是通过中间产物一氧化氮（NO来实现的

亚硝酸盐（NO2-

与NH3相比，污水中NO2-含量通常比较低。NO2-形成主要是由于NH3氧化或NO3-还原。NO2-去除可以通过将其氧化形成硝酸根（NO3-或者还原形成N2或NH3其中，将NO2-还原成N2过程中，有中间产物NO生成。NO被进一步还原为N2过程中，有氧化亚氮（N2O发生。N2O一种强效的温室气体，其温室效应是CO2三百倍左右。污水处置过程中N2O释放是近年来受到关注的领域之一。

硝酸盐（NO3-

NO3-含氮有机物氧化分解的最高价态化合物。污水中的NO3-由于NO2-氧化而形成。NO3-去除可通过将其还原为NO2-而实现。由于人类活动的影响，上海纯水设备许多地方的地下水和地表水中NO3-含量在不时升高，造成了越来越多的土壤和地下水质量平安问题。

有机氮

污水中的有机氮主要是蛋白质，此外还有尿素、胞壁酸、脂肪胺、尿酸和有机碱等含氨基和不含氨基的化合物。有机氮的主要来源包括炼油、皮革、化肥、肉类加工和饲料生产等行业排放的废水。污水贮存或在排水管道中停留一段时间后，氮的脱氨基反应使得有机氮转化为氨氮（NH3导致NH3浓度增加。

污水脱氮技术工艺

从20世纪80年代开始，污水脱氮受到越来越多的关注。保守的污水处置过程中，氮被转化为N2从而从污水中得到脱除。脱氮的过程通过各种微生物菌群来实现，相关的微生物菌群如表1氮的脱除是一个高耗能、且昂贵的过程。随着乡村化和人口的进一步增长，以及对水质要求的不时提升，对氮进行处理的要求也在不时提高。近几十年来，研究人员和工程师在探索污水生物脱氮的路上不停前行，不但致力于提高氮的脱除效率，而且追求降低处置过程中的能耗、环境足迹和处理成本。

硝化/反硝化

将NH3氧化成NO3-叫硝化，将NO3-还原成N2叫反硝化。污水中的NH3可以通过硝化和反硝化生成N2从污水中脱除，这是最早和最流行的污水生物脱氮技术。胜利实现这个技术的前提是污水中存在足够的氧气（O2和有机物（可以换算成化学需氧量，即COD

实际运行过程中，通常需要向污水中大量供氧，这是一个极其耗能的过程。此外，市政污水中含有的COD经常无法满足脱氮过程的需求，因此，需要向污水中补充额外的COD这进一步提高了污水处置本钱。更重要的由于硝化菌的生长速度缓慢，完成硝化过程需要足够的生物量停留在水处置反应器中，所以硝化过程需要占用的体积比非常高。

Sharon新工艺

由于保守的硝化和反硝化脱氮工艺的高利息与高能耗，科学家们一直在继续探索新的脱氮工艺，以提高污水生物脱氮过程的可持续性。上海纯水设备上世纪90年代，荷兰代尔夫特理工大学的科学家报道了一个新的工艺，名字叫SharonSinglreactorsystemforHighactivAmmoniumRemovOverNitrit缩写）顾名思义，Sharon工艺是通过将NH3氧化成NO2-之后，再将NO2-还原成N2过程，整个工艺可以在一个反应器内完成。

Sharon工艺的第一次实际应用是荷兰鹿特丹Dokhaven污水处置厂。与传统的硝化/反硝化相比，Sharon工艺省去了将NO2-氧化为NO3-过程。因此，有明显的优势：

耗氧量减少，因此能耗减少；

需要添加的COD量减少；

整个过程可以在一个反应器内完成；

不需要污泥停留。这些特点意味着，能够有效降低污水生物脱氮的本钱。

厌氧氨氧化(Anammox

除Sharon工艺外，科学家们发现了另一个生物脱氮过程，即厌氧氨氧化（Anammox1977年，有科学家通过热力学计算，预言了Anammox存在直到1992年，上海纯水设备这个预言得到完全的验证和专利保护。简单来说，Anammox可以将NO2-作为电子受体、NH3作为电子供体，反应生成N2

A nammox主要特点包括：

反应的吉布斯自由能比O2介导的NH3氧化反应更低（见表1因此从热力学的角度来说，Anammox更容易发生；

A nammox菌的生长速度较慢，倍增时间为3星期。

因为Anammox具有这些特点，所以Anammox工艺的起始阶段耗时较长，运行Anammox工艺的反应器需要有很好的污泥停留能力。不过，优势也非常明显，与传统的硝化/反硝化工艺相比，Anammox耗氧量减少60%对COD需求量减少100%产泥量减少90%

短程硝化/厌氧氨氧化

值得一提的Sharon和Anammox都是由荷兰代尔夫特理工大学的科学家最先报道，这是执行荷兰应用水研究项目基金（theDutchFoundatofAppliWaterResearch时取得的研究效果。研究的过程中发现，若将Sharon与Anammox进行联用，将50%NH4+氧化为NO2-再将这部分NO2-与剩余的NH4+反应生成N2可以实现完全脱氮，这个过程称为Sharon/A nammox研究早期，通常使用两个反应器串联来分别实现Sharon和Anammox目前，这个过程通过在一个反应器中操作完成，例如使用颗粒污泥或者膜生物反应器，使Sharon和Anammox分别在同一个反应器中的好氧和缺氧微环境中实现。

Sharon/A nammox工艺的优点包括：可以将耗氧量降低40%达到节能效果；上海纯水设备不再需要额外的COD降低了本钱；只有极小的产泥量，发生较少剩余污泥。

由于Sharon/A nammox工艺在提升污水处置厂脱氮性能方面具有极大的应用前景，近十几年来，许多科学家和工程师投身于该技术的实际应用中。截至2014年，该工艺已经在超越100家WWTP得到应用，大部分在欧洲的WWTP基于侧流Sharon/A nammox技术在北美比较受欢迎。

其他脱氮技术

进一步尝试将主流Sharon/A nammox应用于WWTP时，该工艺遇到以下问题或技术瓶颈：

污水中COD与氮的比例太高，使异养菌过量生长；

NH3浓度太低，限制了Anammox菌和NH3氧化菌的生长；

污水温度太低，这意味着，与Anammox和NH3氧化菌相比，NO2-氧化菌容易获得生长优势；

出水NH3浓度很难达到出水水质要求。

由于这些技术瓶颈的存在目前，主流Sharon/A nammox只在奥地利Strass和新加坡Changi共2家WWTP得到实际应用。大规模应用仍有较长的路要走。值得期待的研究人员正在尝试或者考虑尝试其他技术来突破这些技术瓶颈，例如：

使用NH3氧化古菌为Anammox提供NO2-与氨氧化细菌相比，氨氧化古菌对O3和NH3有更强的亲和力，因此可能有助于降低出水NH3浓度。

使用反硝化型甲烷氧化菌（DamoDamo可以将NO3-还原为NO2-将Damo与Anammox联用，可能有利于稳定地为Anammox提供NO2-从而降低工艺运行过程中对NO2-氧化菌进行抑制的要求。

基于不同电子受体的Anammox研究发现，Anammox可以利用SO42-锰或Fe3+作为电子受体，对NH3进行氧化，这可能意味它有替代NO2-作为电子受体，应用于污水脱氮的潜力。

硫酸盐还原/自养反硝化/硝化耦合技术（SA NI这项技术首先将污水中的硫酸盐还原为硫离子（S2-同时去除了COD其次，利用硝化作用将污水中的NH3转化为NO3-最后将S2-作为电子供体、NO3-作为电子受体将氮以N2形式从污水中脱除。上海纯水设备该技术在含高浓度硫酸盐的污水中可能有较好的应用前景。目前，此项技术在香港得到胜利应用。

污水中氮的资源回收

氮本身是一种资源，例如它氮肥和蛋白质的重要组成成分。污水脱氮技术得到发展与应用的同时，污水中的氮越来越广泛地被认为是一种潜在资源。近年来，越来越多的研究人员致力于开发污水中氮资源回收技术，其中有一定潜力的方向包括肥料（气体NH3NH42SO4鸟粪石等）饲料与食物蛋白。

气体NH3可以从含高浓度氨氮废水中分离出来，作为一种资源进行回收。目前，最受关注的NH3回收法包括通过吹脱法或电化学法从含高浓度NH3废水中获得气体NH3

NH42SO4将气体NH3通入硫酸溶液中，从而在较高温度下（如70oC生成硫酸铵。硫酸铵可以作为农业生产中的肥料，提供硫和氮等营养物质。目前，这项技术的实际应用非常少，荷兰Zutphen污泥脱水项目中得到胜利应用。

鸟粪石：将镁盐投加到富含磷酸盐和NH3污水中，能够形成磷酸铵镁沉淀物，实现污水脱氮除磷。磷酸铵镁水合物（英文简称MA P俗称鸟粪石，一种可以缓慢释放的优质肥料。污水处置厂的各项工艺中，鸟粪石法比较适合应用于厌氧段的溶液中。因为厌氧过程中氮被还原为氨氮，磷被释放出细胞外，所以溶液中氨氮和磷酸根浓度较高。近年来，有许多氮、磷回收技术是基于将鸟粪石法应用于厌氧发酵液、污泥浓缩池中。此外，基于鸟粪石法回收人体尿液中的氮、磷的研究，也受到越来越多的关注。

饲料和食物蛋白：微生物可以将污水中的无机氮，如NH3和NO3-经过同化吸收后转化为有机氮，如蛋白质。从耗能的角度来说，污水脱氮和回收氮所消耗的能源是类似的这项技术的潜在应用领域广泛，例如在水产养殖废水中形成生物絮团供鱼食用、形成可食用的单细胞蛋白等。

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