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ANAMMOX(厌氧氨氧化)的工艺发展及工程应用!
2019-12-12 16:14       来源:环保工程师       作者:       分享:

厌氧氨氧化 (ANAMMOX) 工艺,最初由荷兰Delft工业大学于20 世纪末开始研究,并于本世纪初成功开发应用的一种新型废水生物脱氮工艺。它以20 世纪90 年代发现的ANAMMOX 反应为基础,该反应在厌氧条件下以氨为电子供体,亚硝酸盐为电子受体反应生成氮气,在理念和技术上大大突破了传统的生物脱氮工艺。


ANAMMOX 工艺具有脱氮效率高、运行费用低、占地空间小等优点,在污水处理中发展潜力巨大。目前该工艺在处理市政污泥液领域已日趋成熟,位于荷兰鹿特丹Dokhaven 污水厂的世界上首个生产性规模的ANAMMOX 装置容积氮去除速率 (NRR) 更是高达9.5 kg N/(m3·d)。此外,ANAMMOX 工艺在发酵工业废水、垃圾渗滤液、养殖废水等高氨氮废水处理领域的推广也逐步开展,在世界各地的工程化应用也呈星火燎原之势。


1、ANAMMOX 工艺及其衍生工艺

经过20多年的研究和发展,基于ANAMMOX 反应开发出来的较成熟的工艺有SHARON -ANAMMOX 工艺、全程自养脱氮 (CANON) 工艺、限氧自养硝化反硝化 (OLAND) 工艺、反硝化氨氧化 (DEAMOX) 工艺、好氧反氨化(DEMON) 工艺。近年来,研究人员仍在不断探索其他形式的ANAMMOX 衍生工艺,譬如同步短程硝化、厌氧氨氧化、反硝化耦合 (SNAD) 工艺、单级厌氧氨氧化短程硝化脱氮(Single-stage nitrogen removal using ANAMMOX)


目前,存在两种方法为ANAMMOX 提供电子受体亚硝酸盐,一种是在一个独立的曝气反应器中产生而随后进入ANAMMOX 反应器,另一种是在一个无O2 或者微O2 的ANAMMOX反应器中产生并立即参与ANAMMOX 反应。据此,可将ANAMMOX 工艺相应分为分体式 (两级系统) 和一体式 (单级系统) 两种,一体式包括CANON、OLAND、DEAMOX、DEMON、SNAP 、SNAD 等工艺,分体式主要是SHARON-ANAMMOX 工艺。


一体式工艺的基建成本低、结构紧凑、装置运行和控制简单,并且其短程硝化产生的亚硝酸盐立即参与ANAMMOX 反应,能有效避免因亚硝酸盐累积造成的抑制,另外单位体积脱氮速率高也是一体化工艺的优势。但是一体化工艺启动时间长,反应器内微生物间的生态关系复杂,经受负荷冲击时易失稳,并引发连锁反应,导致“雪崩”效应,系统受扰紊乱后恢复时间也长。


与一体式工艺相比,分体式工艺中的两反应器可单独进行灵活和稳定的调控,系统受扰后恢复时间短,ANAMMOX 反应器进水具有相对稳定的氨氮和亚硝氮比例。其次由于短程硝化阶段能削减某些毒物和有机物,避免其直接进入ANAMMOX 反应器,所以更适合处理含毒物和有机物的废水。另外,处理高负荷含氮废水时,分体式工艺的高投资成本会通过较低的运营成本得以补偿。因此,这两种工艺各有利弊,实际应用时需根据具体情况,做到“因水制宜,量水裁艺”。



2、ANAMMOX 工艺的工程应用现状

在过去的10年里,ANAMMOX工程化应用逐渐兴起,ANAMMOX工程化装置和研究文献呈逐年增长趋势。第一座工程化装置的诞生与ANAMMOX 的发现和发展有短暂的滞后,由此可见中试和实验室研究对工程化应用具有积极的推动作用。2014年末,全球范围内ANAMMOX工程超过100 座。


为了更好地控制短程硝化反应,短程硝化-厌氧氨氧化 (PN-ANAMMOX) 装置大多采用两级系统或利用已有的短程硝化系统 (如SHARON 反应器)。但随着工程化经验越来越丰富,重点开始转向单级系统。目前,工程化的装置主要包括移动床生物膜反应器(MBBR)、颗粒污泥反应器和序批式反应器(SBR),还有少数生物转盘 (RBC)和活性污泥系统。


DEMON 是最为风靡的SBR 系统,该工艺首先装配在奥地利Strass,采用自主设计的基于pH 调控的进水控制系统,用来处理污泥压滤液。利用水力旋流器可以分别调节适合氨氧化菌(AOB) 和ANAMMOX菌 (AnAOB) 的泥龄 (SRT),并且可从接种污泥中分离出生长缓慢的AnAOB。还能使小絮体中的亚硝酸氧化菌(NOB) 被洗出,使大聚集体中的AnAOB 得以持留。另一种SBR 技术是由瑞士联邦水生科学技术研究所开发的基于氨控制的PN-ANAMMOX 工艺。该工艺最早装配在瑞士,在每个运行周期的开始阶段或者曝气阶段进水,进水流量受氨传感器调控,因此SBR 运行周期长度不固定。氨信号也可由电导率信号替代,通过控制曝气量确保短程硝化和ANAMMOX同步进行,一般溶解氧(DO) 浓度控制在0.1 mg/L 以下,通常情况下建议采用连续曝气,启动阶段或者污泥活性较低时采用间歇曝气。


此外,一些PN-ANAMMOX 设施采用其他调控策略,差异主要在于进水模式 (间歇或连续)、污泥存在形式 (悬浮或附着生长)、曝气控制方式。比如德国Ingolstadt 污水厂的SBR 采用间歇进水 (6 h 周期内进水4 次) 和间歇曝气 (6 min 曝气/9 min停止)。但在德国Gütersloh 污水厂的SBR 周期为24 h,白天连续进水,进水量取决于污泥压滤液的产生量。当氨浓度达到上限时启动曝气,当pH 或者氨浓度跌至下限时停止曝气,DO 浓度控制在0.5 mg/L 以下。


一体式颗粒污泥反应器也应用于工业废水的自养脱氮工程。目前在我国建造了数座实际工程,主要在发酵行业 (包括酿酒、味精、酵母废水) ,其中通辽梅花味精废水Ⅰ期工程ANAMMOX 反应器容积高达6600 m3,是迄今世界上规模最大的ANAMMOX工程。


传统的生物膜技术也成功用于PN-ANAMMOX工艺。RBC是最早发现存有ANAMMOX反应的反应器之一,随后被Ghent大学成功应用于OLAND工艺中。RBC的运营成本低,但工艺缺乏灵活性。目前,荷兰Sneek市有两座采用OLAND工艺处理厌氧消化厕所水的RBC 装置,一座容积0.5 m3的装置服务于64人口当量,另一座容积6m3服务于464人口当量。通过调节转盘转速(1−4 r/min)来实现工艺控制,确保DO 浓度处于目标值(0.60−0.65 mg/L)。荷兰Hulst市也有利用RBC处理化肥生产废水的工程,通过在线监测氨来调控进水,调节转盘转速控制DO浓度。预计到2015年该工程的氮负荷可达150kgN/d。


2001 年在德国Hattingen 污水厂建造了一座生物膜PN-ANAMMOX 工程,用于处理污泥压滤液。该工程DeAmmon 工艺中MBBR 系统的40%−50%由填料填充,并设有曝气装置和搅拌器。2007 年第二座采用DeAmmon 工艺的MBBR装置在瑞典Himmerfjärden 污水厂开始建造。生物膜的理念还被应用在位于瑞典Malmö 的ANITAMoxTM 工艺设计中,该装置不仅用于处理污泥压滤液,还可为其他装置培养种子载体。在此基础上采用复合固定膜活性污泥装置还可将性能提高3−4倍。


该复合装置持留的悬浮污泥具有90%的AOB,其负荷比单一的生物膜系统高。在PN-ANAMMOX 工艺中也有悬浮污泥理念的应用。荷兰Colsen 的新活性污泥 (NAS) 系统即采用悬浮污泥法,包括好氧、厌氧、搅拌室,依赖于PN-ANAMMOX 和硝化反硝化耦合作用来处理食品加工废水。通过控制DO 和SRT 实现工艺调控。德国TERRANA 系统与复合固定膜活性污泥法原理相似,起初在SBR 和分体式活性污泥工艺中都添加膨润土载体,用于AnAOB 附着和改善沉降性能,并且膨润土还可为缓冲能力较弱的废水补充碱度。

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