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厌氧氨氧化在市政污水应用中,为什么“行不通”?

2020/7/29 9:00:12 来源:环保工程师 作者: 阅读数:15次

厌氧氨氧化是公认的未来脱氮新技术,国内外对厌氧氨氧化的研究也有增无减,尤其是污水占比最大的市政污水,但是为什么到目前为止,并没有出现真正可以普遍适用的厌氧的氨氧化技术,本文将简单直白的介绍一下厌氧氨氧化的应用。

 

厌氧氨氧化的原理

Anammox是在无氧条件下,以氨为电子供体、亚硝酸为电子受体,产生氮气和硝酸的生物反应。Anammox包括两个过程:一是分解(产能)代谢,即以氨为电子供体,亚硝酸盐为电子受体,两者以1:1的比例反应生成氮气,并把产生的能量以ATP的形式储存起来;二是合成代谢,即以亚硝酸盐为电子受体提供还原力,利用碳源二氧化碳以及分解代谢产生的ATP合成细胞物质,并在这一过程中产生硝酸盐。厌氧氨氧化菌 (Anaerobic ammonia oxidation bacteria, AnAOB) 是厌氧氨氧化的实施者。

NH4++ NO2-= N2+ 2H2O,ΔG=-358kg/mol

厌氧氨氧化的发生进程主要分为两大步:“第一个过程是部分亚硝化(Partial Nitritation),在这个过程中只有大约55%的氨氮需要转化为亚硝酸盐氮;第二个过程是厌氧氨氧化(Anammox),氨氮在厌氧条件下,被亚硝酸氮作为电子受体,氧化成氮气。因此它也被称作PN/A工艺。

在这过程中,大约89%的无机氮都将被转化产生氮气,另外11%的无机氮被转化为硝酸盐氮,与传统硝化反硝化工艺相比,厌氧氨氧化工艺有着巨大的技术优势,其曝气能耗只有传统工艺的55-60%;该工艺几乎无需碳源,如果为了去除硝酸盐产物需要在厌氧氨氧化过程中投加碳源,其投加量也比传统工艺中碳源投加量降低90%;厌氧氨氧化工艺可以减少45%碱度消耗量。同时,厌氧氨氧化工艺的污泥产量也远低于传统脱氮工艺,这将显著降低剩余污泥的处理和处置成本。

 

厌氧氨氧化在市政污水应用的难点

在全球范围内的厌氧氨氧化工程统计中,75%的项目是处理污泥消化液。消化污泥脱水液水质水量特点非常适合厌氧氨氧化工艺。正是因为消化液上述特点,工程主要用于污泥消化液的高温高浓度氨氮废水处理(35 ℃,NH4-N> 1000 mg/L),如今工程界都将目光投到主流厌氧氨氧化上。市政污水的氨氮浓度约为15-50mg/L,水温为8-25℃。面对这样的条件,anammox菌的活性一般会下降。在主流污水处理系统中为anammox菌创造合适的生存条件是目前需要解决的挑战,包括了anammox和AOB菌(氨氮化菌,将氨氮转化成亚硝酸盐)的富集,以及NOB菌(亚硝酸盐氧化菌,将亚硝酸盐转化成硝酸盐)的抑制等。

 

1、温度

微生物的代谢活性很大程度上受到温度的影响。前期的研究结果表明,35℃是Anammox 菌生物代谢最快,并且繁殖周期最短的最适温度。然而,大多数实际城市污水的水温较低(10 ~ 25℃),尤其是一些高纬度如我国北方地区,废水温度常低于10℃。Anammox 在这些地区的应用效果及稳定性是一个巨大的挑战。

城市污水主流温度一般为 10~20 ℃左右, 低于AnAOB(25~40 ℃) 生长的最适宜温度, 这会影响Anammox 的性能。

 

2、有机物的影响

污水中含有的COD 有助于异养反硝化菌的生长并对Anammox 过程形成抑制,只有当COD 被前者消耗至较低水平时Anammox 过程才有可能占主导。这一问题在高强度城市污水的处理中尤为突出。Winkler等通过研究指出,在25℃环境下,如果原水的C/N < 0.5,则Anammox 与异养反硝化过程可以和谐共存,不会导致脱氮效果下降。

 

3、短程硝化的稳定性

应用Anammox工艺时,必须在主流条件下尽可能降低NOB活性,使亚硝酸盐累计,硝化系统处于短程硝化的状态,这是确保Anammox 过程正常进行的基础并直接关系到其处理效果。上述目标可以通过游离氨的控制来实现。所以,这就是为什么厌氧氨氧化主要应用到高氨氮废水中,因为高氨氮废水中的游离氨可以抑制NOB,在控制条件合适的情况下使系统维持短程硝化状态。而市政污水中,短程硝化的稳定性受温度、氨氮的影响没有办法做到稳定运行!在 PN/A 工艺中,短程硝化段也会受到温度的影响,这是因为AOB 在低温条件下活性会受到抑制,降低氨氮的转化率,并且AOB的活化能高于 NOB,导致 NO2-的积累不足,无法为Anammox 反应提供足够的底物。

 

市政污水应用的新模式:膜法

西安第四污水处理厂升级改造后的新工艺的应用效果在行业内受到广泛关注。首期厌氧-缺氧-好氧(A-A-O)工艺(规模为2.5×10^5m3/d)的改造,通过向缺氧池与厌氧池投放填料,在不需要额外添加碳源的条件下,处理后的水体中TN 浓度可基本保持在10mg/L 以下,甚至可以稳定在5mg/L。通过一年多时间的运行,填料表面生物膜的颜色出现一定变化,逐渐呈微红色(这是Anammox 菌的重要特征)。随后的跟踪研究和监测表明,在缺氧条件下实现了Anammox 反应。尽管该现象背后蕴藏的机理以及这一现象是否可重复的问题尚需后续研究进行论证,但这是世界范围内首次在11 ~ 20℃的中低水温条件下于生产性规模装置内实现了Anammox 反应,具有重要的意义。

似乎,膜法成为了厌氧氨氧化的主流配置,笔者颜胖子在最近2年内接触到实现厌氧氨氧化运行的案例有几个,不过都是通过膜法来实现的,而且都是高浓度的氨氮废水,填料解决的厌氧氨氧化细菌富集的问题,如果厌氧氨氧化膜法能够在市政污水中普遍适应,应该是一个突破性的污水处理新技术!



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