厭氧氨氧化煙氣脫硝工藝的探討

以反硝化作用為基礎(chǔ)的生物法煙氣脫硝工藝具有脫硝效率較高、工藝設(shè)備簡單、建設(shè)運行成本低等優(yōu)點，但是也存在需要外加電子供體、釋放溫室氣體(一氧化二氮)等問題。以厭氧氨氧化作用為基礎(chǔ)開發(fā)的新型生物法煙氣脫硝工藝有望解決以上問題。

本文從氮素循環(huán)角度出發(fā)，指出了厭氧氨氧化作用和反硝化作用在生物脫硝方面具有相似性。以厭氧氨氧化的生化反應(yīng)模型為依據(jù)，探討了厭氧氨氧化煙氣脫硝工藝的可行性，并提供了相應(yīng)的事實依據(jù)。以傳質(zhì)和反應(yīng)過程為基礎(chǔ)，分析了厭氧氨氧化煙氣脫硝工藝可能的實現(xiàn)途徑和面臨的關(guān)鍵問題。

文中指出，利用厭氧氨氧化作用可將銨和一氧化氮轉(zhuǎn)化為聯(lián)氨，聯(lián)氨進一步分解為氮氣，從而實現(xiàn)煙氣脫硝。考慮到煙氣處理量大的特點，厭氧氨氧化煙氣脫硝工藝的實現(xiàn)途徑是先通過化學(xué)吸收將氣相中的一氧化氮轉(zhuǎn)移至液相，而后通過厭氧氨氧化反應(yīng)實現(xiàn)氮素的脫除。厭氧氨氧化煙氣脫硝工藝所面臨的關(guān)鍵問題主要是相態(tài)轉(zhuǎn)移問題和菌種培養(yǎng)問題，涉及化學(xué)吸收劑的選擇和再生、脫氮菌群的協(xié)同培養(yǎng)等。

近年來，以酸雨、灰霾、光化學(xué)煙霧等為代表的大氣污染問題頻發(fā)，嚴(yán)重危害了人們的健康和生活。其中，氮氧化物是導(dǎo)致以上大氣污染問題的重要元兇之一。2015年《中國環(huán)境狀況公報》顯示，我國氮氧化物排放總量高達1851.8萬噸，其中火電、石油、鋼鐵、水泥等工業(yè)源的排放量約占67%。

因此，削減由工業(yè)源排放的氮氧化物是解決我國大氣污染問題的重要途徑。目前，煙氣脫硝技術(shù)是應(yīng)用最廣且行之有效的控制技術(shù)，可分為物化法和生物法。物化法以較高的能耗和物耗為代價進行煙氣脫硝，不符合可發(fā)持續(xù)發(fā)展的理念。相比之下，生物法具有脫硝效率較高、工藝設(shè)備簡單、建設(shè)運行成本低、無二次污染等優(yōu)點，具有廣闊的應(yīng)用前景。

傳統(tǒng)生物法煙氣脫硝工藝源自廢水生物脫氮領(lǐng)域，其主要過程是利用反硝化作用將煙氣中的氮氧化物轉(zhuǎn)化為氮氣，從而達到脫硝的目的。該過程中，小部分的氮氧化物通過合成代謝將轉(zhuǎn)化為微生物的細(xì)胞物質(zhì);大部分的氮氧化物通過反硝化作用轉(zhuǎn)化為氮氣。

反硝化作用的功能菌主要是反硝化菌，多為異養(yǎng)菌，該過程需要外加有機碳源來實現(xiàn)反硝化過程。如果外加有機碳源的添加量不足時，則會導(dǎo)致中間產(chǎn)物一氧化二氮積累和排放。因此，傳統(tǒng)生物法煙氣脫硝工藝存在需要外加碳源、溫室氣體一氧化二氮的排放等問題。近二十年來，廢水生物脫氮理論飛速發(fā)展，以厭氧氨氧化工藝為代表的新型生物脫氮工藝涌現(xiàn)，其技術(shù)經(jīng)濟性明顯優(yōu)于以硝化-反硝化為核心的傳統(tǒng)生物脫氮技術(shù)。

2007年，荷蘭鹿特丹污水處理廠運用厭氧氨氧化工藝成功對污泥消化液進行了脫氮處理，其容積氮去除速率為9.50kg/(m3-d)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)硝化-反硝化工藝[0.23～0.50kg/(m3-d)];其處理成本約為€0.75/kg，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)生物脫氮工藝的€2~5/kg。

厭氧氨氧化和反硝化作用的最終產(chǎn)物都是氮氣，而厭氧氨氧化反應(yīng)不需要外加有機電子供體，且已經(jīng)證實厭氧氨氧化工藝在廢水脫氮中兼具經(jīng)濟、高效的優(yōu)點，將厭氧氨氧化工藝應(yīng)用于研究開發(fā)新型、高效的生物法煙氣脫硝工藝，同時可解決傳統(tǒng)生物法煙氣脫硝工藝存在的問題。

因此，本文從氮素循環(huán)出發(fā)，探討了研究開發(fā)厭氧氨氧化煙氣脫硝工藝的可行性，分析了厭氧氨氧化煙氣脫硝工藝可能的實現(xiàn)途徑和面臨的關(guān)鍵問題，以期為開發(fā)高效、經(jīng)濟的生物法煙氣脫硝工藝提供參考。

1厭氧氨氧化煙氣脫硝工藝的可行性

氮素循環(huán)為開發(fā)生物法煙氣脫硝工藝提供了最直接的參考。如圖1所示，從相態(tài)角度出發(fā)，如果將氣相中的氮氧化物去除就達到了煙氣脫硝的目的，那么采用好氧法是可以實現(xiàn)該過程的，即采用短程硝化作用、全程硝化作用或單步硝化作用將煙氣中的氮氧化物氧化為亞硝酸鹽或硝酸鹽并轉(zhuǎn)移至水相中。

但該過程只是污染物形式的轉(zhuǎn)變，如不進行后續(xù)處理，會造成二次污染。微生物的同化作用也能消耗部分氮氧化物，但其合成量十分有限。如果考慮二次污染問題和處理能力，脫除煙氣中氮氧化物最理想的方式是將其轉(zhuǎn)化為氮氣。

如圖1所示，反硝化作用和厭氧氨氧化作用均能夠?qū)崿F(xiàn)這一過程。傳統(tǒng)的生物法煙氣脫硝工藝就是在反硝化作用的基礎(chǔ)之上形成的。厭氧氨氧化作用與反硝化作用均是實現(xiàn)氮素還原的生物反應(yīng)過程。因此，可借鑒傳統(tǒng)生物法煙氣脫硝工藝開發(fā)基于厭氧氨氧化作用的新型生物法煙氣脫硝工藝。

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