[发明专利]受控反硝化方法和系统

说明书

本发明涉及流体的受控厌氧细菌反硝化过程。更确切地说，本发明涉及采用流体介质的氧化-还原(redox)电位(“ORP”或“eH”)控制反硝化过程。本发明在水族馆、水产养殖和废水处理工业以及任何其它封闭或半封闭系统(例如宇航、封闭的生物圈、游泳池、工业污水等)均有潜在的应用。

在说明书的最后包括一按顺序号排列的参考文献目录。在整个说明书中所用的上标数字即表示这些参考文献。该目录中所列的参考文献一定程度上对在此所说的过程方法提供示范性程序上或其它细节上的补充，在此分类作为参考。

氨基酸降解的最终产物之一是氨(NH₃)⁸。因此蛋白质的分解代谢导致净产生氨，这些氨被水生有机体直接释放到周围环境²²。在开放的海洋中，氨通常被光合有机体所吸收^6，7，但在大多数水产养殖设施中，依靠这些微型或大型海藻将氨除去是不实际的^16，18，24。若没有什么方法将氨除去，它能够容易地积累达到有害水平。

在大多数室内封闭水产养殖系统中，氨在厌氧生物过滤器中被自养细菌氧化为亚硝酸盐(NO^-₂)^12，23。亚硝酸盐的毒性比铵离子(NH⁺₄)更大，因此一般采用另一种细菌将亚硝酸盐氧比为硝酸盐(NO^-₃)。尽管硝酸盐的毒性显著小于铵离子或亚硝酸盐，但高含量硝酸盐也可能会成问题。

硝酸盐一般是通过水交换从循环养殖系统中除去。遗憾的是，水交在存在几个缺陷。首先，水产养殖系统中水的排除一般涉及缓慢水交换过程，须将新、旧水充分混合以免挤压所养殖的动物²⁰。由于排放水已被新加入的水稀释，因而充分混合可能导致交换效率的净损失。其次，对不能获得天然海水的系统，必须将去离子水与海盐相混，这可能导致代价高昂。最后，通常必须将高含量硝酸盐的废水排出。

最后一点最可能引起麻烦，这是由于盐水一般既不能排放到污水系统，也不能排泄放河流去。此外，人们也越来越关注含氮废物排放对环境的影响。排污许可可能很复杂且一般要求极严格的污染物限制⁶。除去硝酸盐并重新利用海水会比将含硝酸盐废水排放掉在经济上更为可行且对环境更为负责。

化合物被氧化的能力通常表示为相对于氢电极的电位²。此即氧化还原电位(ORP)并通常以所测得的毫伏(mV)值表示。在水中，氧化物在电子传递链中作为最终的电子受体被还原^4，5。通常细菌按电正性下降的顺序对这些氧化物加以利用，即首先是O₂、之后为NO^-₃、NO^-₂、NO、SO₄^-2等^1，23。

这可以用来从水中除去硝酸盐。在有充足碳的厌氧条件下，可诱导兼性厌氧细菌将碳酸盐还原为亚硝酸盐：

NO^-₃NO^-₂                第一步

经足够长时间并有可供利用的碳，亚硝酸盐能被进一步经以下链反应还原成氮气：

NO^-₂NON₂ON₂    第二步^10，11然而，采用细菌从水中除硝酸盐的系统难于控制且可能需要精密监测以防止氮的有毒中间氧化物或更糟糕的硫化氢(H₂S)形式的还原硫的释放^1，23

污水处理一般也利用细菌反硝化除氮^3，9。但污水处理一般不需要象水产养殖系统一样进行如此精细的控制，这是由于产生硫化氢和细菌颗粒通常并不是关键性问题。

一些工业处理研究人员已报导了在硝酸盐含量为1000毫克/升的水溶液中高达362毫克N/升·小时的反硝化速率。所报导的如此高的反硝化速率是通过在工业水处理中加入醋酸盐实现的。看起来醋酸盐是所选的食物，但不久绿脓杆菌(一种人类病原菌)就会在醋酸盐饲养的细菌种群中占有优势¹⁷。醇类如乙醇或甲醇一贯供养较低的反硝化速率但需选用更满意的一种细菌种群¹³。