全球污水处理研发焦点之一：主流厌氧氨氧化工艺

Posted 2023-01-12 工艺

篇首语：鸟往明处飞，人往高处去。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了全球污水处理研发焦点之一：主流厌氧氨氧化工艺相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

摘要:侧流厌氧氨氧化技术已经相对成熟，在世界各地的污水处理厂得到了应用。介绍了厌氧氨氧化的基本原理、技术优势，分析了主流厌氧氨氧化面临的挑战，着重探讨了主流厌氧氨氧化当前的技术进展，特别是NOB抑制的方法和对策。同时对奥地利Strass污水处理厂的主流厌氧氨氧化探索进行了介绍，并对未来的发展提出了展望。
0引言
污水处理生物脱氮工艺从20世纪60年代的硝化反硝化工艺为起点经过数十年的发展，逐步衍生出了多种形式的生物脱氮工艺，这些传统工艺在稳定可靠解决富营养化的同时，消耗了大量的能源和资源(碳源)。在强调污水处理资源化、能源化的今天，以厌氧氨氧化为核心的脱氮技术被业界普遍视为未来污水处理发展的一种重要技术，由此围绕着城市污水处理主流工艺的厌氧氨氧化技术正成为当前全球污水处理研发的焦点之一。
1厌氧氨氧化原理
厌氧氨氧化(Anammox)是指在厌氧或者缺氧条件下，厌氧氨氧化菌以NO2--N为电子受体，氧化NH3-N为氮气的生物过程。
很多污水处理工艺的进步是在实践中观察到某些现象进而引发后续工艺的研发，如生物除磷工艺。但也有一些技术是在已有理论的基础上而获得突破，厌氧氨氧化工艺在某种程度上正是如此。1977年，奥地利化学家Broda发表了一篇题为“自然界中遗失的两种自养微生物”的文章，文章通过化学热力学推测自然界可能存在一种微生物能够发生式(1)中的反应：
NH3-N+NO2--N→N2+H2O(1)
之后，Mulder在处理食品废水和Siegrist对垃圾渗滤液的处理厂进行的氮平衡都证实了这种推测。目前被普遍接受的厌氧氨氧化脱氮的化学反应方程式是1998年Strous提出的式(2)：

实现厌氧氨氧化脱氮需要完成两个过程，第一个过程是部分亚硝化，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反应过程，氨氮在厌氧条件下，被厌氧氨氧化菌氧化，其中第一过程中产生的亚硝酸盐氮作为电子受体。整个过程中，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，即使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。
2002年，世界上第一座厌氧氨氧化工程在荷兰鹿特丹Dokhaven污水处理厂建成。经过十余年的发展，截止到2014年全世界已有114座厌氧氨氧化工程(包括10座在建的工程和8座正在设计的工程)，其中75%应用于城市污水处理厂。围绕着该工艺的基本原理，各种专利性的厌氧氨氧化工艺得到了蓬勃发展，如DEMON、ANITAMox、ANAMMOX、DeAmmon、TERRANA、ELAN、Cleargreen等。
2主流厌氧氨氧化的挑战
在侧流厌氧氨氧化技术不断成熟的同时，很多研究者逐渐转向了主流工艺的应用，因为从目前的认知来看，厌氧氨氧化菌大量存在于自然界，因此并没有限制它在普通污水处理厂的主流工艺中用来脱氮。但与侧流应用不同，主流厌氧氨氧化实现的前提条件明显不同，主要体现在以下两个方面。
(1)较低的进水氮浓度。
城市污水处理厂的进水总氮通常在20～75mg/L，而其侧流的浓度一般在800～3000mg/L。由于进水氮浓度较低会面临以下的巨大挑战：①侧流中抑制NOB(亚硝酸盐氧化菌)的游离氨条件不再存在；②在较低的出水氨氮浓度时(<2mg/L)，由于生长速率的差异，AOB(氨氧化菌)将难以竞争过NOB。因此，在厌氧氨氧化系统中，如果没有后续的进一步处理，出水氨氮难以获得很低的浓度。
(2)较低的进水温度。
很多污水处理厂主流工艺的水温在冬天时为10～16℃，夏季时温度升至24～30℃，而侧流工艺中温度相对较高，一般都在32～38℃。温度对主流厌氧氨氧化的挑战不仅是厌氧氨氧化菌在低温情况下增长速率较慢，AOB的增长速率也较低。
3主流厌氧氨氧化工艺应用的进展
主流工艺的上述特点引起了一系列具体的技术问题，这些具体技术问题包括如何有效地控制AOB与厌氧氨氧化菌的生长与截留、OHO(普通异养菌)的控制、NOB的抑制、出水氨氮、泥龄等。下文将围绕这些进行展开论述。
3.1AOB与Anammox菌的生长与截留
AOB的生长与截留主要有两种方法，一种是利用侧流高氨氮、高温利于AOB生长的条件，从侧流向主流工艺中补充微生物。另外一种方法是通过生物膜的方式或通过颗粒污泥的形式，这种方式主要是依靠Anammox菌附着于填料的最内层，AOB附着在填料的外层。