再谈厌氧氨氧化(Anammox)技术

再谈厌氧氨氧化(Anammox)技术

曹建明

(中持水务股份有限公司,北京 100070)

摘要:采用厌氧氨氧化工艺时,城市污水处理厂能源自给率大幅提高。主要原因在于2方面,一是碳氮污染物去除的分离,使得有机物可充分回收,甲烷产量可增加1倍,二是污水厂运行能耗尤其是曝气能耗也大幅度削减。因此基于一体化厌氧氨氧化工艺的城市污水处理厂能量自给率提高的关键在于曝气能耗的降低和厌氧消化工艺中甲烷产量的提高。

关键词厌氧氨氧化,短程硝化,CANON

 

1Anammox反应的发现

厌氧氨氧化(Anaerobic ammonia oxidation,ANAMMOX)是指在厌氧条件下,以亚硝酸氮为电子受体,氨氮为电子供体的微生物反应,最终产物为氮气。与传统硝化反硝化生物脱氮技术相比,厌氧氨氧化技术理论上可以节约 62.5%的曝气量,无需外加碳源,污泥产量很少,还可以减少温室气体的排放,是一种节能降耗的新型生物脱氮技术,受到水处理工作者的广泛关注,其简要反应式如下:

NH4++ NO2=N2↑+2H2O  ΔG=-358kg/mol

由上式可知,较传统全程硝化反硝化工艺,硝化和反硝化过程均缩短了一个步骤,理论上无需碳源,并且产生更少的剩余污泥(自养菌生长缓慢),排放更少的CO2(自养菌以CO2作为碳源) ,是一种更具可持续特征的脱氮工艺。

1977年,奥地利的理论化学家Broda根据化学反应热力学标准吉布斯自由能变化(见下表),做出了自然界应该存在以硝酸盐或者亚硝酸盐为氧化剂的氨氧化反应的预言。

部分氨氧化反应的标准吉布斯自由能变化

ΔG of several ammonium-oxidizing reactions

电子受体 化学反应 ΔG/KJ.mol-1 可能性
NO2-N NH4++ NO2→N2+2H2O -358 可能
NO3-N 5NH4++ 3NO3→4N2+9H2O+2H+ -278 可能

在实际工程中,1995年,荷兰Mulder等首先在一个处理酵母废水的反硝化中试装置内发现该反应过程。根据热力学理论,此反应过程可自发进行,厌氧氨氧化是一个产能反应,理论上可以提供微生物生长所需要的能量。

ANAMMOX

2 Anammox反应的关键因素

代尔夫特理工大学环境生物技术研究室在污泥停留时间约3d,温度30℃的缺氧反应器里进行了厌氧氨氧化菌的生长动力学研究,该培养条件与樟宜回用水处理厂运行条件相似.结果表明,以Candidatus Brocadia sp. 40为主的悬浮的游离厌氧氨氧化菌能在相对较低的污泥龄下得到持留。结果支持了以下假设:与厌氧氨氧化颗粒污泥相比,悬浮或游离的厌氧氨氧化菌世代周期短、繁殖速度快,能够在樟宜污水处理工艺中起到关键作用。

樟宜回用水厂分段进水生物脱氮工艺氮平衡分析

Nitrogen balance in BNR SFAS process in Changi WRP

根据新加坡樟宜回用水处理厂在较高运行温度(28-32℃)条件下,较短的好氧污泥龄(约2.5d)是生物脱氮SFAS工艺实现稳定的部分亚硝化的关键原因。

3市政污水的短程硝化

ANAMMOX菌几乎存在于所有的市政污水厂中,在厌氧消化污泥、反硝化污泥和硝化污泥样品中,都能检出具有厌氧氨氧化活性的菌株,但在不同污水处理厂具有不同的丰度表现,其在一般市政污水厂中丰度范围为106-107copies/g VSS,占全细菌的比例为0.02‰~0.08‰,与厌氧氨氧化菌在陆地淡水生态系统的丰度水平相当,但高于海洋氧最小区的丰度水平104copies/g。即在非厌氧氨氧化工艺的普通市政污水处理系统中,厌氧氨氧化菌也具有广泛存在性,并在不同污水处理生态系统间具有强异质性特点。

 ANAMMOX反应的电子受体是NO2-N而非NO3-N,因此要解决市政污水处理厂主流线路采用 ANAMMOX技术的问题,必须首先解决NO2-N的来源问题,在常温、低氨氮浓度条件下,稳定地获取亚硝酸盐,即实现稳定的短程硝化绝非易事,尽管目前有许多人声称实现了短程硝化,但迄今仍未见有市政污水工程实例实现了稳定短程硝化的报道。如果市政污水尝试采用ANAMMOX技术,不解决亚硝酸盐的来源问题,ANAMMOX将无从谈起。但市政污水的稳定短程硝化是世界性难题,各种各样的复杂控制条件的代价,很可能已经超过了应用短程硝化所能带来的优势,甚至有人认为低浓度生活污水的短程硝化难以实现。

    目前,建立短程硝化主要有三大控制手段:

 (1)超过25℃的操作温度;

 (2)提高游离氨( Free Ammonia,FA)浓度;

 (3)降低溶解氧。

一个刚刚启动的生物脱氮反应系统,如何在短时间内实现短程硝化以及如何能够长期稳定地维持下去是人们最为关心的问题。给予亚硝酸菌适宜的生长环境并结合过程控制来解决这个问题可以说是一种很好的方法。

短程硝化的电子传递模式图

因氨氧化反应较亚硝酸氧化反应对温度更敏感,以致在较高温度( 但低于酶变性温度) 条件下,AOB生长得比NOB更快。温度对于短程硝化的作用是最显著的,也是成功运用于工程实践中(SHARON工艺) 的控制手段。目前,经过不同温度条件下的对比分析及 FISH 试验研究,表明 11~15℃与 31~35℃均可抑制NOB 的活性,从而有利于实现生活污水短程硝化的稳定运行,也有试验表明26℃的条件下,能够实现亚硝化,出水可满足后续厌氧氨氧化工艺的进水要求。但对于目前温度要求在31~35℃的范围,市政污水显然无法满足这一条件,而把市政污水加热到这一温度范围也是不现实的,因此,在此只对温度之外的其他控制因素进行讨论。在实际运行中大多采用在线监测控制策略,其中 DO和pH值是应用最广泛的控制参数。

4国内外目前的应用

国外第一个工程化的厌氧氨氧化反应器建立在荷兰鹿特丹Dokhaven污水处理厂,并于2002年投入运行,Dokhaven污水处理厂建成了有效容积为70m3的生产性Anammox反应器,用于处理Sharon工艺的出水。经3.5年(1250d)的运行,成功启动了反应器。作为世界上第一个生产性厌氧氨氧化反应器,其接种污泥和启动策略对其他工程应用具有较好的借鉴作用。奥地利滑雪圣地斯特拉斯Strass污水处理厂于2004年开始实施运行,Strass污水处理厂规模虽小,但其在能源回收方面的突出表现使之成为全球可持续污水处理标志性示范厂之一。该厂通过回收污水中能量(CH4)并优化各处理单元运行,早在2005年便己实现了碳中和运行目标,其产能/耗能比己高达1.08,是目前世界上率先实现能量自给自足为数不多的几个污水处理厂之一。此外,奥地利salzburg污水处理厂,瑞士glarnerland污水处理厂以及美国 washington.DC污水处理厂等都已工程化实施厌氧氨氧化脱氮技术,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。

在此过程中,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。世界上一些具有代表性的工程大部分坐落于欧洲,也正日益盛行于南美洲。下表即为SHARON-ANAMMOX和CANNON工艺在国外的的工程应用。

SHARON-ANAMMOXCANNON工艺的工程应用

Engineering application of SHARON-ANAMMOX and CANNON process

工程项目 应用场合 工艺 N负荷/(kg/m3.d) 反应器

容积/m3

接种污泥 启动时间/月
设计 实际
Zurich 消化上清液 CANNON 625 500 1400 驯化接种污泥 6
Strass污水厂 消化污泥脱水废水 CANNON 250 500 500 短程硝化反硝化污泥 30
Glarnerland污水厂 消化污泥脱水废水 CANNON 250 500 400 CANNON工艺污泥 1.7
Rotterdam 污泥消化液 Sharon-Anammox 500 700 70 污水厂消化污泥 41

为了更好地控制短程硝化反应,短程硝化-厌氧氨氧化 (Partial nitritation-ANAMMOX, 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(Moving bed biofilm reactor,MBBR)、颗粒污泥反应器和序批式反应器 (Sequencing batch reactor,SBR),还有少数生物转盘 (Rotating biological contactors,RBC)和活性污泥系统。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一期工程 ANAMMOX 反应器容积高达6600m3,是迄今世界上规模最大的ANAMMOX 工程。下表即为Anammox工艺在国外的应用情况:

中试和生产性Anammox反应器的接种污泥及其运行情况

项目 国家 废水种类 反应器类型 反应器容积/m3 接种污泥 TN负荷
 

 

厌氧氨氧化

瑞典 污泥消化液 MBBRl 2.1 硝化污泥 0.122b
瑞士 污泥消化液 SBR 2.5 市政污泥 0.65b
荷兰 模拟废水 GSRm 5 厌氧氨氧化污泥 5.00b
日本 N.A. GSR 58 N.A. 4.00K
丹麦 N.A. MBBR 67 N.A. 1.00K
荷兰 污泥消化液 GSR 70 硝化、厌氧氨氧化污泥 9.50
荷兰 N.A. GSR 100 部分厌氧氨氧化污泥 1K
短程硝化/厌氧氨氧化工艺(在同一个反应器内实现)

 

瑞典 污泥消化液 MBBR 4 N.A. 1.50-1.90b
瑞士 填埋场渗滤液 RBC 33 N.A. 0.5K
丹麦 N.A. RBC 80 N.A. 0.6K
丹麦 N.A. MBBR 102 N.A. 1K
英国 渗滤液 RBC 240 硝化污泥 1.7K
瑞士 N.A. SBR 400 N.A. 0.4K
奥地利 污泥消化液 SBR 500 部分厌氧氨氧化污泥 0.6k
荷兰 马铃薯废水厌氧消化液 Bubblecolumn 600 部分厌氧氨氧化污泥 1.2k
注:N.A.表示未知;b表示容积总氮去除率;k表示最大比去除速率;l表示移动床生物膜反应器;m表示颗粒污泥床  TN负荷单位:(kg/m3.d)

目前厌氧氨氧化工艺已成功运用于中国、日本、美国以及荷兰等国家的高基质(氨氮)中温(30-40°C)废水处理中,今后努力的方向则是将其较好地用于处理低基质低温的市政污水。

采用厌氧氨氧化工艺时,城市污水处理厂能源自给率大幅提高。主要原因在于2方面,一是碳氮污染物去除的分离,使得有机物可充分回收,甲烷产量可增加1倍,二是污水厂运行能耗尤其是曝气能耗也大幅度削减。因此基于一体化厌氧氨氧化工艺的城市污水处理厂能量自给率提高的关键在于曝气能耗的降低和厌氧消化工艺中甲烷产量的提高。

但高浓度有机碳源将对Anammox菌产生抑制作用,因此,Sharon-Anammox串联工艺目前主要用于低碳氮比废水的处理,主要应用于垃圾渗滤液、养殖废水、城镇污水处理厂厌氧消化液、味精加工废水等的处理,均取得了优异的效果。

目前,ANAMMOX工艺已经成功应用于污泥消化液、垃圾渗滤液、味精废水以及猪场废水等高浓度含氮废水的处理,且达到生产性规模。然而ANAMMOX菌仍然存在一些不足,比如还不能纯化培养、生长缓慢(倍增时间约为11 d)、对环境条件敏感、需要中温条件(30-40℃)、基质利用单一等,严重制约了该工艺的进一步发展,不过,近年来,分子生物学技术的飞速发展,为揭示ANAMMOX菌生命活动规律提供了新的研究手段。

上一篇: 下一篇:

发表评论