廢水生物脫氮工藝-厭氧氨氧化
厭氧氨氧化(ANAMMOX)工藝，最初由荷蘭Delft工業(yè)大學(xué)于20世紀(jì)末開(kāi)始研究，并于本世紀(jì)初成功開(kāi)發(fā)應(yīng)用的一種新型廢水生物脫氮工藝。它以20世紀(jì)90年代發(fā)現(xiàn)的ANAMMOX反應(yīng)為基礎(chǔ)，該反應(yīng)在厭氧條件下以氨為電子供體，亞硝酸鹽為電子受體反應(yīng)生成氮?dú)，在理念和技術(shù)上大大突破了傳統(tǒng)的生物脫氮工藝。
ANAMMOX工藝具有脫氮效率高、運(yùn)行費(fèi)用低、占地空間小等優(yōu)點(diǎn)，在污水處理中發(fā)展?jié)摿薮。目前該工藝在處理市政污泥液領(lǐng)域已日趨成熟，位于荷蘭鹿特丹Dokhaven污水廠的世界上首個(gè)生產(chǎn)性規(guī)模的ANAMMOX裝置容積氮去除速率(NRR)更是高達(dá)9.5kgN/(m3·d)。此外，ANAMMOX工藝在發(fā)酵工業(yè)廢水、垃圾滲濾液、養(yǎng)殖廢水等高氨氮廢水處理領(lǐng)域的推廣也逐步開(kāi)展，在世界各地的工程化應(yīng)用也呈星火燎原之勢(shì)。
1、ANAMMOX工藝及其衍生工藝
經(jīng)過(guò)20多年的研究和發(fā)展，基于ANAMMOX反應(yīng)開(kāi)發(fā)出來(lái)的較成熟的工藝有SHARON-ANAMMOX工藝、全程自養(yǎng)脫氮(CANON)工藝、限氧自養(yǎng)硝化反硝化(OLAND)工藝、反硝化氨氧化(DEAMOX)工藝、好氧反氨化(DEMON)工藝。近年來(lái)，研究人員仍在不斷探索其他形式的ANAMMOX衍生工藝，譬如同步短程硝化、厭氧氨氧化、反硝化耦合(SNAD)工藝、單級(jí)厭氧氨氧化短程硝化脫氮(Single-stagenitrogenremovalusingANAMMOX)
目前，存在兩種方法為ANAMMOX提供電子受體亞硝酸鹽，一種是在一個(gè)獨(dú)立的曝氣反應(yīng)器中產(chǎn)生而隨后進(jìn)入ANAMMOX反應(yīng)器，另一種是在一個(gè)無(wú)O2或者微O2的ANAMMOX反應(yīng)器中產(chǎn)生并立即參與ANAMMOX反應(yīng)。據(jù)此，可將ANAMMOX工藝相應(yīng)分為分體式(兩級(jí)系統(tǒng))和一體式(單級(jí)系統(tǒng))兩種，一體式包括CANON、OLAND、DEAMOX、DEMON、SNAP、SNAD等工藝，分體式主要是SHARON-ANAMMOX工藝。
一體式工藝的基建成本低、結(jié)構(gòu)緊湊、裝置運(yùn)行和控制簡(jiǎn)單，并且其短程硝化產(chǎn)生的亞硝酸鹽立即參與ANAMMOX反應(yīng)，能有效避免因亞硝酸鹽累積造成的抑制，另外單位體積脫氮速率高也是一體化工藝的優(yōu)勢(shì)。但是一體化工藝啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，反應(yīng)器內(nèi)微生物間的生態(tài)關(guān)系復(fù)雜，經(jīng)受負(fù)荷沖擊時(shí)易失穩(wěn)，并引發(fā)連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致“雪崩”效應(yīng)，系統(tǒng)受擾紊亂后恢復(fù)時(shí)間也長(zhǎng)。具體聯(lián)系污水寶或參見(jiàn)http://www.dowater.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
與一體式工藝相比，分體式工藝中的兩反應(yīng)器可單獨(dú)進(jìn)行靈活和穩(wěn)定的調(diào)控，系統(tǒng)受擾后恢復(fù)時(shí)間短，ANAMMOX反應(yīng)器進(jìn)水具有相對(duì)穩(wěn)定的氨氮和亞硝氮比例。其次由于短程硝化階段能削減某些毒物和有機(jī)物，避免其直接進(jìn)入ANAMMOX反應(yīng)器，所以更適合處理含毒物和有機(jī)物的廢水。另外，處理高負(fù)荷含氮廢水時(shí)，分體式工藝的高投資成本會(huì)通過(guò)較低的運(yùn)營(yíng)成本得以補(bǔ)償。因此，這兩種工藝各有利弊，實(shí)際應(yīng)用時(shí)需根據(jù)具體情況，做到“因水制宜，量水裁藝”。
2、ANAMMOX工藝的工程應(yīng)用現(xiàn)狀
在過(guò)去的10年里，ANAMMOX工程化應(yīng)用逐漸興起，ANAMMOX工程化裝置和研究文獻(xiàn)呈逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)。第一座工程化裝置的誕生與ANAMMOX的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展有短暫的滯后，由此可見(jiàn)中試和實(shí)驗(yàn)室研究對(duì)工程化應(yīng)用具有積極的推動(dòng)作用。2014年末，全球范圍內(nèi)ANAMMOX工程超過(guò)100座。
為了更好地控制短程硝化反應(yīng)，短程硝化-厭氧氨氧化(PN-ANAMMOX)裝置大多采用兩級(jí)系統(tǒng)或利用已有的短程硝化系統(tǒng)(如SHARON反應(yīng)器)。但隨著工程化經(jīng)驗(yàn)越來(lái)越豐富，重點(diǎn)開(kāi)始轉(zhuǎn)向單級(jí)系統(tǒng)。目前，工程化的裝置主要包括移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器(MBBR)、顆粒污泥反應(yīng)器和序批式反應(yīng)器(SBR)，還有少數(shù)生物轉(zhuǎn)盤(pán)(RBC)和活性污泥系統(tǒng)。
DEMON是最為風(fēng)靡的SBR系統(tǒng)，該工藝首先裝配在奧地利Strass，采用自主設(shè)計(jì)的基于pH調(diào)控的進(jìn)水控制系統(tǒng)，用來(lái)處理污泥壓濾液。利用水力旋流器可以分別調(diào)節(jié)適合氨氧化菌(AOB)和ANAMMOX菌(AnAOB)的泥齡(SRT)，并且可從接種污泥中分離出生長(zhǎng)緩慢的AnAOB。還能使小絮體中的亞硝酸氧化菌(NOB)被洗出，使大聚集體中的AnAOB得以持留。另一種SBR技術(shù)是由瑞士聯(lián)邦水生科學(xué)技術(shù)研究所開(kāi)發(fā)的基于氨控制的PN-ANAMMOX工藝。該工藝最早裝配在瑞士，在每個(gè)運(yùn)行周期的開(kāi)始階段或者曝氣階段進(jìn)水，進(jìn)水流量受氨傳感器調(diào)控，因此SBR運(yùn)行周期長(zhǎng)度不固定。氨信號(hào)也可由電導(dǎo)率信號(hào)替代，通過(guò)控制曝氣量確保短程硝化和ANAMMOX同步進(jìn)行，一般溶解氧(DO)濃度控制在0.1mg/L以下，通常情況下建議采用連續(xù)曝氣，啟動(dòng)階段或者污泥活性較低時(shí)采用間歇曝氣。
此外，一些PN-ANAMMOX設(shè)施采用其他調(diào)控策略，差異主要在于進(jìn)水模式(間歇或連續(xù))、污泥存在形式(懸浮或附著生長(zhǎng))、曝氣控制方式。比如德國(guó)Ingolstadt污水廠的SBR采用間歇進(jìn)水(6h周期內(nèi)進(jìn)水4次)和間歇曝氣(6min曝氣/9min停止)。但在德國(guó)Gütersloh污水廠的SBR周期為24h，白天連續(xù)進(jìn)水，進(jìn)水量取決于污泥壓濾液的產(chǎn)生量。當(dāng)氨濃度達(dá)到上限時(shí)啟動(dòng)曝氣，當(dāng)pH或者氨濃度跌至下限時(shí)停止曝氣，DO濃度控制在0.5mg/L以下。
一體式顆粒污泥反應(yīng)器也應(yīng)用于工業(yè)廢水的自養(yǎng)脫氮工程。目前在我國(guó)建造了數(shù)座實(shí)際工程，主要在發(fā)酵行業(yè)(包括釀酒、味精、酵母廢水)，其中通遼梅花味精廢水Ⅰ期工程ANAMMOX反應(yīng)器容積高達(dá)6600m3，是迄今世界上規(guī)模最大的ANAMMOX工程。
傳統(tǒng)的生物膜技術(shù)也成功用于PN-ANAMMOX工藝。RBC是最早發(fā)現(xiàn)存有ANAMMOX反應(yīng)的反應(yīng)器之一，隨后被Ghent大學(xué)成功應(yīng)用于OLAND工藝中。RBC的運(yùn)營(yíng)成本低，但工藝缺乏靈活性。目前，荷蘭Sneek市有兩座采用OLAND工藝處理厭氧消化廁所水的RBC裝置，一座容積0.5m3的裝置服務(wù)于64人口當(dāng)量，另一座容積6m3服務(wù)于464人口當(dāng)量。通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速(1−4r/min)來(lái)實(shí)現(xiàn)工藝控制，確保DO濃度處于目標(biāo)值(0.60−0.65mg/L)。荷蘭Hulst市也有利用RBC處理化肥生產(chǎn)廢水的工程，通過(guò)在線監(jiān)測(cè)氨來(lái)調(diào)控進(jìn)水，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速控制DO濃度。預(yù)計(jì)到2015年該工程的氮負(fù)荷可達(dá)150kgN/d。
2001年在德國(guó)Hattingen污水廠建造了一座生物膜PN-ANAMMOX工程，用于處理污泥壓濾液。該工程DeAmmon工藝中MBBR系統(tǒng)的40%−50%由填料填充，并設(shè)有曝氣裝置和攪拌器。2007年第二座采用DeAmmon工藝的MBBR裝置在瑞典Himmerfjärden污水廠開(kāi)始建造。生物膜的理念還被應(yīng)用在位于瑞典Malmö的ANITAMoxTM工藝設(shè)計(jì)中，該裝置不僅用于處理污泥壓濾液，還可為其他裝置培養(yǎng)種子載體。在此基礎(chǔ)上采用復(fù)合固定膜活性污泥裝置還可將性能提高3−4倍。
該復(fù)合裝置持留的懸浮污泥具有90%的AOB，其負(fù)荷比單一的生物膜系統(tǒng)高。在PN-ANAMMOX工藝中也有懸浮污泥理念的應(yīng)用。荷蘭Colsen的新活性污泥(NAS)系統(tǒng)即采用懸浮污泥法，包括好氧、厭氧、攪拌室，依賴于PN-ANAMMOX和硝化反硝化耦合作用來(lái)處理食品加工廢水。通過(guò)控制DO和SRT實(shí)現(xiàn)工藝調(diào)控。德國(guó)TERRANA系統(tǒng)與復(fù)合固定膜活性污泥法原理相似，起初在SBR和分體式活性污泥工藝中都添加膨潤(rùn)土載體，用于AnAOB附著和改善沉降性能，并且膨潤(rùn)土還可為緩沖能力較弱的廢水補(bǔ)充堿度。
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