廢水生物脫氮工藝-厭氧氨氧化
厭氧氨氧化(ANAMMOX)工(gong)藝，最初(chu)由(you)荷蘭Delft工(gong)業大學于20世(shi)紀(ji)末開始研究，并于本世(shi)紀(ji)初(chu)成功開發應(ying)用的一(yi)種(zhong)新(xin)型廢水(shui)生(sheng)物(wu)脫(tuo)氮(dan)工(gong)藝。它以20世(shi)紀(ji)90年代發現的ANAMMOX反應(ying)為(wei)(wei)基礎，該反應(ying)在(zai)厭氧條件下以氨為(wei)(wei)電子供(gong)體，亞硝酸鹽為(wei)(wei)電子受體反應(ying)生(sheng)成氮(dan)氣(qi)，在(zai)理念(nian)和技術上大大突(tu)破了傳統的生(sheng)物(wu)脫(tuo)氮(dan)工(gong)藝。
ANAMMOX工藝(yi)具有脫氮(dan)效率高、運行費用低、占地空間小等優點，在(zai)污(wu)水處理中(zhong)發展(zhan)潛力(li)巨大(da)。目前該工藝(yi)在(zai)處理市(shi)政污(wu)泥液(ye)領(ling)(ling)域(yu)已日趨成熟(shu)，位于荷蘭鹿特丹Dokhaven污(wu)水廠的(de)(de)世界(jie)上首(shou)個生產性規模的(de)(de)ANAMMOX裝置容積氮(dan)去除(chu)速率(NRR)更是高達9.5kgN/(m3·d)。此外，ANAMMOX工藝(yi)在(zai)發酵工業(ye)廢水、垃(la)圾滲濾液(ye)、養殖廢水等高氨氮(dan)廢水處理領(ling)(ling)域(yu)的(de)(de)推廣也(ye)逐步開(kai)展(zhan)，在(zai)世界(jie)各地的(de)(de)工程化應用也(ye)呈(cheng)星火燎原之勢。
1、ANAMMOX工(gong)藝及(ji)其(qi)衍生(sheng)工(gong)藝
經過20多年的(de)研究和發(fa)展，基(ji)于ANAMMOX反(fan)(fan)應開發(fa)出來的(de)較成(cheng)熟(shu)的(de)工(gong)(gong)藝(yi)(yi)有SHARON-ANAMMOX工(gong)(gong)藝(yi)(yi)、全程自養脫(tuo)氮(CANON)工(gong)(gong)藝(yi)(yi)、限(xian)氧(yang)自養硝(xiao)(xiao)化(hua)(hua)反(fan)(fan)硝(xiao)(xiao)化(hua)(hua)(OLAND)工(gong)(gong)藝(yi)(yi)、反(fan)(fan)硝(xiao)(xiao)化(hua)(hua)氨(an)(an)氧(yang)化(hua)(hua)(DEAMOX)工(gong)(gong)藝(yi)(yi)、好(hao)氧(yang)反(fan)(fan)氨(an)(an)化(hua)(hua)(DEMON)工(gong)(gong)藝(yi)(yi)。近年來，研究人(ren)員仍在不斷探索(suo)其他形式的(de)ANAMMOX衍生工(gong)(gong)藝(yi)(yi)，譬如(ru)同步短程硝(xiao)(xiao)化(hua)(hua)、厭氧(yang)氨(an)(an)氧(yang)化(hua)(hua)、反(fan)(fan)硝(xiao)(xiao)化(hua)(hua)耦合(he)(SNAD)工(gong)(gong)藝(yi)(yi)、單級厭氧(yang)氨(an)(an)氧(yang)化(hua)(hua)短程硝(xiao)(xiao)化(hua)(hua)脫(tuo)氮(Single-stagenitrogenremovalusingANAMMOX)
目(mu)前，存在兩種(zhong)(zhong)方法為(wei)ANAMMOX提供電子受體(ti)亞硝(xiao)酸鹽，一(yi)種(zhong)(zhong)是在一(yi)個(ge)(ge)獨立(li)(li)的曝氣反(fan)(fan)應(ying)(ying)器(qi)(qi)中(zhong)產生(sheng)而隨后進入(ru)ANAMMOX反(fan)(fan)應(ying)(ying)器(qi)(qi)，另一(yi)種(zhong)(zhong)是在一(yi)個(ge)(ge)無O2或者微(wei)O2的ANAMMOX反(fan)(fan)應(ying)(ying)器(qi)(qi)中(zhong)產生(sheng)并立(li)(li)即(ji)參與ANAMMOX反(fan)(fan)應(ying)(ying)。據此(ci)，可將ANAMMOX工藝(yi)(yi)相應(ying)(ying)分為(wei)分體(ti)式(shi)(兩級系統)和一(yi)體(ti)式(shi)(單(dan)級系統)兩種(zhong)(zhong)，一(yi)體(ti)式(shi)包(bao)括CANON、OLAND、DEAMOX、DEMON、SNAP、SNAD等工藝(yi)(yi)，分體(ti)式(shi)主要是SHARON-ANAMMOX工藝(yi)(yi)。
一(yi)體(ti)式工藝的(de)基建成本低、結構緊(jin)湊(cou)、裝置運行和控制簡(jian)單，并(bing)且其短程硝(xiao)化產生的(de)亞硝(xiao)酸(suan)鹽立即參與ANAMMOX反應(ying)，能(neng)有效(xiao)避免因亞硝(xiao)酸(suan)鹽累積造成的(de)抑制，另(ling)外單位體(ti)積脫氮速(su)率高(gao)也是一(yi)體(ti)化工藝的(de)優(you)勢(shi)。但是一(yi)體(ti)化工藝啟動時間長，反應(ying)器內微生物間的(de)生態關(guan)系(xi)復雜(za)，經受負荷(he)沖擊時易失穩(wen)，并(bing)引(yin)發連(lian)鎖反應(ying)，導致“雪崩”效(xiao)應(ying)，系(xi)統(tong)受擾(rao)紊亂后恢復時間也長。具體(ti)聯系(xi)污水寶或(huo)參見(jian)更多相關(guan)技(ji)術文檔。
與(yu)一體(ti)(ti)式工(gong)藝(yi)相比，分體(ti)(ti)式工(gong)藝(yi)中的兩反(fan)應器(qi)(qi)可單獨進行(xing)靈(ling)活和(he)穩定的調控，系(xi)統(tong)受擾(rao)后恢復時(shi)間短(duan)，ANAMMOX反(fan)應器(qi)(qi)進水(shui)具有(you)(you)(you)相對穩定的氨氮和(he)亞硝(xiao)氮比例。其次由(you)于(yu)短(duan)程硝(xiao)化階段能(neng)削減(jian)某些毒物和(he)有(you)(you)(you)機物，避免其直接進入ANAMMOX反(fan)應器(qi)(qi)，所(suo)以更適合處理(li)含(han)毒物和(he)有(you)(you)(you)機物的廢(fei)水(shui)。另(ling)外，處理(li)高(gao)(gao)負荷含(han)氮廢(fei)水(shui)時(shi)，分體(ti)(ti)式工(gong)藝(yi)的高(gao)(gao)投資成本會通過較低的運營成本得(de)以補(bu)償。因此(ci)，這兩種工(gong)藝(yi)各有(you)(you)(you)利弊(bi)，實際應用時(shi)需根據具體(ti)(ti)情況，做(zuo)到“因水(shui)制宜，量水(shui)裁藝(yi)”。
2、ANAMMOX工藝的工程應用(yong)現狀
在過(guo)去的(de)(de)10年里(li)，ANAMMOX工(gong)程(cheng)化應(ying)用逐漸興起，ANAMMOX工(gong)程(cheng)化裝置和(he)研究文獻呈逐年增長趨勢。第(di)一座工(gong)程(cheng)化裝置的(de)(de)誕生(sheng)與ANAMMOX的(de)(de)發現和(he)發展(zhan)有短(duan)暫(zan)的(de)(de)滯(zhi)后，由此可(ke)見(jian)中試和(he)實驗室研究對(dui)工(gong)程(cheng)化應(ying)用具有積極的(de)(de)推動作用。2014年末，全球(qiu)范圍內(nei)ANAMMOX工(gong)程(cheng)超過(guo)100座。
為了(le)更好地(di)控制短(duan)程(cheng)(cheng)硝化(hua)(hua)反(fan)應(ying)，短(duan)程(cheng)(cheng)硝化(hua)(hua)-厭(yan)氧氨氧化(hua)(hua)(PN-ANAMMOX)裝置大多(duo)采(cai)用(yong)(yong)兩(liang)級(ji)系統(tong)(tong)或利用(yong)(yong)已(yi)有的短(duan)程(cheng)(cheng)硝化(hua)(hua)系統(tong)(tong)(如SHARON反(fan)應(ying)器)。但隨(sui)著工程(cheng)(cheng)化(hua)(hua)經驗越來越豐(feng)富，重點(dian)開始轉向(xiang)單級(ji)系統(tong)(tong)。目(mu)前，工程(cheng)(cheng)化(hua)(hua)的裝置主要包括移動床生物膜反(fan)應(ying)器(MBBR)、顆粒污泥(ni)反(fan)應(ying)器和序(xu)批式反(fan)應(ying)器(SBR)，還有少數生物轉盤(RBC)和活性污泥(ni)系統(tong)(tong)。
DEMON是(shi)最(zui)為風(feng)靡的(de)SBR系(xi)統，該(gai)工藝(yi)(yi)首先裝(zhuang)(zhuang)配在(zai)奧地(di)利Strass，采(cai)用自主設計的(de)基(ji)于pH調(diao)控(kong)的(de)進水(shui)控(kong)制系(xi)統，用來處理污(wu)(wu)泥(ni)(ni)壓(ya)濾液。利用水(shui)力旋流器可(ke)以分別調(diao)節(jie)適合氨氧化菌(AOB)和(he)(he)ANAMMOX菌(AnAOB)的(de)泥(ni)(ni)齡(SRT)，并且可(ke)從接種污(wu)(wu)泥(ni)(ni)中分離(li)出(chu)生長緩慢的(de)AnAOB。還能使小絮(xu)體(ti)中的(de)亞硝酸氧化菌(NOB)被洗出(chu)，使大聚集體(ti)中的(de)AnAOB得以持留。另一種SBR技術是(shi)由瑞士(shi)聯邦水(shui)生科學技術研究所開發的(de)基(ji)于氨控(kong)制的(de)PN-ANAMMOX工藝(yi)(yi)。該(gai)工藝(yi)(yi)最(zui)早裝(zhuang)(zhuang)配在(zai)瑞士(shi)，在(zai)每個(ge)運行周期的(de)開始(shi)階(jie)段或者曝(pu)(pu)氣(qi)(qi)(qi)階(jie)段進水(shui)，進水(shui)流量受氨傳感器調(diao)控(kong)，因此SBR運行周期長度(du)不固定。氨信(xin)號(hao)也可(ke)由電導(dao)率信(xin)號(hao)替代，通(tong)過控(kong)制曝(pu)(pu)氣(qi)(qi)(qi)量確保短程硝化和(he)(he)ANAMMOX同(tong)步進行，一般(ban)溶解氧(DO)濃(nong)度(du)控(kong)制在(zai)0.1mg/L以下，通(tong)常情況下建議采(cai)用連續曝(pu)(pu)氣(qi)(qi)(qi)，啟動階(jie)段或者污(wu)(wu)泥(ni)(ni)活性較低時采(cai)用間歇(xie)曝(pu)(pu)氣(qi)(qi)(qi)。
此(ci)外(wai)，一些PN-ANAMMOX設施(shi)采(cai)用(yong)其他調控(kong)(kong)策略，差異(yi)主要在(zai)于進水(shui)(shui)(shui)模式(shi)(間(jian)歇(xie)或連續(xu))、污(wu)泥(ni)存(cun)在(zai)形式(shi)(懸浮或附著(zhu)生(sheng)長)、曝(pu)氣(qi)控(kong)(kong)制(zhi)方式(shi)。比如德(de)國Ingolstadt污(wu)水(shui)(shui)(shui)廠(chang)的(de)SBR采(cai)用(yong)間(jian)歇(xie)進水(shui)(shui)(shui)(6h周期(qi)內進水(shui)(shui)(shui)4次(ci))和間(jian)歇(xie)曝(pu)氣(qi)(6min曝(pu)氣(qi)/9min停止)。但在(zai)德(de)國Gütersloh污(wu)水(shui)(shui)(shui)廠(chang)的(de)SBR周期(qi)為(wei)24h，白天連續(xu)進水(shui)(shui)(shui)，進水(shui)(shui)(shui)量(liang)取決于污(wu)泥(ni)壓(ya)濾(lv)液的(de)產生(sheng)量(liang)。當(dang)(dang)氨濃度達到上限時(shi)啟動曝(pu)氣(qi)，當(dang)(dang)pH或者(zhe)氨濃度跌至下(xia)限時(shi)停止曝(pu)氣(qi)，DO濃度控(kong)(kong)制(zhi)在(zai)0.5mg/L以下(xia)。
一體式顆粒污泥反應器(qi)也應用(yong)于工(gong)業(ye)(ye)廢(fei)(fei)水(shui)(shui)的自養(yang)脫氮工(gong)程。目前在我(wo)國建造了(le)數座實際工(gong)程，主要在發酵(jiao)行業(ye)(ye)(包括釀(niang)酒、味(wei)精(jing)、酵(jiao)母廢(fei)(fei)水(shui)(shui))，其中通遼梅花味(wei)精(jing)廢(fei)(fei)水(shui)(shui)Ⅰ期工(gong)程ANAMMOX反應器(qi)容(rong)積高(gao)達6600m3，是迄今世界上規模最大的ANAMMOX工(gong)程。
傳統的生(sheng)物膜技(ji)術(shu)也成(cheng)功(gong)用(yong)(yong)于(yu)PN-ANAMMOX工藝(yi)。RBC是最早發現存有ANAMMOX反應(ying)的反應(ying)器之一，隨后被(bei)Ghent大學(xue)成(cheng)功(gong)應(ying)用(yong)(yong)于(yu)OLAND工藝(yi)中(zhong)。RBC的運(yun)營成(cheng)本低(di)，但工藝(yi)缺乏靈活(huo)性。目前，荷(he)蘭(lan)Sneek市有兩座(zuo)采(cai)用(yong)(yong)OLAND工藝(yi)處(chu)理厭氧(yang)消化廁(ce)所(suo)水(shui)的RBC裝置，一座(zuo)容積0.5m3的裝置服(fu)(fu)務于(yu)64人口當量(liang)，另一座(zuo)容積6m3服(fu)(fu)務于(yu)464人口當量(liang)。通過調節轉(zhuan)(zhuan)盤轉(zhuan)(zhuan)速(1−4r/min)來實現工藝(yi)控(kong)(kong)制，確保DO濃(nong)度處(chu)于(yu)目標值(0.60−0.65mg/L)。荷(he)蘭(lan)Hulst市也有利用(yong)(yong)RBC處(chu)理化肥(fei)生(sheng)產廢(fei)水(shui)的工程(cheng)，通過在線監測氨來調控(kong)(kong)進水(shui)，調節轉(zhuan)(zhuan)盤轉(zhuan)(zhuan)速控(kong)(kong)制DO濃(nong)度。預(yu)計到2015年該(gai)工程(cheng)的氮負荷(he)可達150kgN/d。
2001年(nian)在德國Hattingen污水廠建造(zao)了一(yi)座生物(wu)(wu)膜PN-ANAMMOX工程(cheng)(cheng)，用于(yu)處理污泥(ni)壓濾液。該工程(cheng)(cheng)DeAmmon工藝中(zhong)MBBR系統的40%−50%由填料填充，并設有(you)曝氣(qi)裝(zhuang)置和(he)攪(jiao)拌器(qi)。2007年(nian)第二座采(cai)用DeAmmon工藝的MBBR裝(zhuang)置在瑞典Himmerfjärden污水廠開始建造(zao)。生物(wu)(wu)膜的理念(nian)還被應用在位于(yu)瑞典Malmö的ANITAMoxTM工藝設計中(zhong)，該裝(zhuang)置不僅用于(yu)處理污泥(ni)壓濾液，還可為其他裝(zhuang)置培養種(zhong)子載體。在此基礎上采(cai)用復合固定膜活性(xing)(xing)污泥(ni)裝(zhuang)置還可將性(xing)(xing)能提高(gao)3−4倍。
該復合裝置持留的懸(xuan)浮(fu)污(wu)(wu)泥(ni)具有(you)90%的AOB，其(qi)負荷比單一的生物膜(mo)(mo)系統高(gao)。在(zai)PN-ANAMMOX工藝(yi)(yi)中也有(you)懸(xuan)浮(fu)污(wu)(wu)泥(ni)理(li)念的應用(yong)。荷蘭Colsen的新活性(xing)污(wu)(wu)泥(ni)(NAS)系統即(ji)采用(yong)懸(xuan)浮(fu)污(wu)(wu)泥(ni)法，包括好氧、厭氧、攪拌室，依(yi)賴于(yu)PN-ANAMMOX和硝化反硝化耦合作(zuo)用(yong)來處理(li)食品加工廢水。通過(guo)控制DO和SRT實(shi)現工藝(yi)(yi)調控。德國TERRANA系統與復合固定膜(mo)(mo)活性(xing)污(wu)(wu)泥(ni)法原理(li)相(xiang)似，起初(chu)在(zai)SBR和分體式活性(xing)污(wu)(wu)泥(ni)工藝(yi)(yi)中都添(tian)加膨潤土載體，用(yong)于(yu)AnAOB附著和改(gai)善沉降性(xing)能(neng)，并(bing)且膨潤土還可(ke)為緩沖能(neng)力較弱的廢水補充(chong)堿(jian)度。
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