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厌氧氨氧化污水处理技术及实际应用

厌氧氨氧化污水处理技术及实际应用

发布日期:2018-11-01 作者:基层建设 张晓丹 点击:

水质控制的重要指标就是氮含量。在工业社会发展的前提下, 水体富氧化问题日益加重。因此, 当前水处理技术的研究重点就是对氮污染的控制与治理。传统废水处理一般是硝化-反硝化的脱氮工艺, 需要外加碳源和碱, 不但运行费用较高, 还可能会造成二次污染, 影响脱氮效率。


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随着科技的不断进步, 研究者逐渐开始关注新型的生物脱氮技术, 厌氧氨氧化 (ANAMMOX) 技术以其独特的高效低耗的特点应运而生, 并逐渐得以开发应用。本文根据笔者工作实践,对厌氧氨氧化污水处理技术及实际应用进行了分析和探讨。


1 厌氧氨氧化反应机理


根据国内外相关学者的研究, 厌氧氨氧化指的是在厌氧的条件下, 以氨氮 (NH4N) 为电子供体, 亚硝酸氮 (NO2N) 为电子受体, 以CO2或HCO3为碳源, 通过厌氧氨氧化菌的作用, 将氨氮氧化为氮气 (N2) 的过程。其中, 在厌氧氨氧化的过程中, 也产生了中间产物联氨 (N2H4) 以及羟氨 (NH2OH) 。在厌氧氨氧化的反应中只对CO2以及HCO3产生了消耗, 并没有进行外加碳源, 因此不但能够有效实现成本的节约, 也防止了反应中产生的二次污染;反应过程中几乎不产生N2O, 能够有效避免传统脱氮造成的温室气体排放;反应过程产碱量为零, 无需添加中和试剂, 并较为环保。


2.影响厌氧氨氧化的主要因子


Anammox菌生长相对缓慢,倍增时间为11~29d,且对周围环境要求很高,周围环境的波动对Anammox效果有严重的影响。因此,如何选择和控制Anammox菌影响因素,对于快速和稳定培育Anammox菌,具有非常重要的意义。


2.1温度对厌氧氨氧化的影响


温度能显著影响Anammox活性,在合适的温度范围内Anammox菌才会表现出较好的反应活性,提高反应器的运行效能。温度在26~37°C之间变化时,氮去除速率在1.51~1.84kg/(m3•d),当温度低于20°C时,反应器氮去除会快速下降,特别是当温度低于15°C时,反应器氮去除速率下降至0.55kg/(m3•d),从而抑制Anammox反应。对其进行线性拟合发现,低于20°C时温度与氮去除速率具有明显的线性关系。


2.2pH对厌氧氨氧化的影响


在Anammox过程中,pH是一个非常重要的环境参数,它不仅能直接影响Anammox菌,还能通过影响氨和亚硝酸的有效性而间接影响反应活性,在多项研究中表明,pH对Anammox活性有重要的影响。pH值和有机物对Anammox反应器的影响显著,在(20±1)°C下,Anammox反应的最适pH值为6.7~8.5。当pH值<6.7或>8.5时,将导致游离氨(FA)和游离亚硝酸(FNA)的浓度分别高于8.93mg/L和2.67×10-2mg/L,抑制Anammox反应。


2.3溶解氧对厌氧氨氧化的影响


Anammox菌为厌氧菌,因此,氧气的存在极易影响Anammox菌活性。保持反应器内厌氧环境对Anammox反应极为重要,不容忽视。通过改变进水碱度、光照条件和溶解氧,发现水力停留时间为1.5h条件下,当进水DO小于3mg/L时,平均氨氮去除率和亚硝氮去除率分别为99.7%和100%,平均总氮去除负荷为1.0kg/(m3•d)。溶解氧会使Anammox活性受到抑制,在溶解氧去除后Anammox活性可以得到恢复。


2.4基质浓度对厌氧氨氧化的影响


Anammox反应是氨氮和亚硝酸盐的生物反应,一般来说,亚硝酸盐既是Anammox的必备物质,同时也是Anammox的限制性基质,甚至是毒性物质。当亚硝酸盐的含量超过一定限度后,亚硝酸盐会抑制Anammox活性,影响正常的生长与代谢。


当处理人工配水时,在中低进水浓度下(NO2--N≤400mg/L),与改进式连续进水方式相比,宜采用一次性进水方式运行;在高进水浓度下(NO2--N≥400mg/L)改进式连续进水方式比一次性进水方式优势明显。


2.5有机物对厌氧氨氧化的影响


有机物对Anammox既有促进作用,同时也会抑制Anammox的活性。促进作用主要是特定的有机物可作为能源被Anammox所利用,维持Anammox的生理代谢,同时也能调节碳氮比,使Anammox和反硝化耦合;抑制作用主要表现在有机物的存在会增强异样菌的活性,使其与Anammox菌争夺电子受体亚硝酸盐。


3 厌氧氨氧化污水处理的应用


随着对厌氧氨氧化技术研究的不断深入, 已经成功实现了多种污水处理的实际应用, 如市政污泥液、生活污水、厕所水、焦化废水、味精废水以及垃圾渗滤液等的处理, 并逐渐在其他废水处理领域得以普及和使用。


但目前对于一些制药、养殖等高氨氮的工业领域, 应用厌氧氨氧化技术进行污水处理仍较少, 这也是今后需要努力的方向。以下选取几个较为典型的厌氧氨氧化污水处理的实际应用效果, 供参考。


(1) 污泥液废水处理


较为典型的低碳氮比污泥液废水有污泥消化液以及污泥压滤液等, 温度多30℃~37℃, p H值也多在7.0~8.5之间, 非常适宜厌氧氨氧化菌的生长。国外学者对亚硝化-厌氧氨氧化技术的多次优化研究, 在2002年就已经形成了世界上第一套亚硝化-厌氧氨氧化组合反应器, 并在Dokhaven污水处理厂正式投入使用。至此, 对污泥液采用厌氧氨氧化技术处理的工程逐渐在欧洲各国得以展开。


(2) 垃圾渗滤液处理


垃圾渗滤液的特点是有机物浓度高、氨氮含量高、水质变化大, 且容易含有重金属等有毒物质, 因而是一种成分较为复杂的污水。集中的氨氮浓度一般为2000mg/L, 随着垃圾堆放时间的增长还会越来越高。有学者对废物填埋场渗滤液进行研究时, 发现了渗滤液中厌氧氨缺失的现象, 才使得对其进行厌氧氨氧化技术处理成为一种可能。


(3) 城市生活污水处理


随着近年来我国城市化进程的不断加快, 城市污水处理行业的压力也越来越大。要增强污水处理的效益, 实现可持续发展, 就需要实现城市污水的再利用, 有效实现能源的循环回收, 这已成为当前的污水处理研究的重要课题。


城市生活污水中含有有机碳、磷酸盐以及氨氮等众多能量, 正符合自养型的脱氮技术的处理条件, 因而有望实现污水厂的能源自给。但是对于较低水温 (8℃~15℃) 的城市来说, 尤其是冬季, 用厌氧氨氧化工艺进行城市污水处理仍是较大的挑战。


虽然国外的相关学者 (如Lotti等)对于这方面已有了突破性研究, 对于中试 (4m, 19℃±1℃) 的阶段性研究也有所进展, 有望实现污水处理厂的能源自给, 但在实际技术工程应用的过程中, 仍存在诸如低温条件下如何提高菌性活体、如何实现全体扩增等问题, 需要在未来的研究发展中有所突破, 才能使其在处理城市污水中得以更好地运用。


(4) 畜禽养殖污水处理


该类污水的特点是COD浓度高、成分复杂且水质波动大, 还存在一定的有机氮。使用传统的脱氮技术进行畜禽养殖污水处理时, 不仅能耗高, 还需要加补碳源, 脱氮效果也不理想。而现代的厌氧氨氧化工艺有着传统技术没有的优势, 有望成为处理该类废水的备选工艺技术。


当前在对猪场废水厌氧处理的研究中, 还存在着运行尚不稳定的问题, 需要进一步优化工艺, 找到消除影响厌氧氨氧化菌生长障碍的对策, 才能发挥其在畜禽养殖污水处理领域的最佳效能。


4 结语


当前阶段国内对厌氧氨氧化工程运行的条件以及启动的时间等方面的研究, 相对来说还不太够, 需要在未来的实践过程中进一步研究其影响因素, 以缩短启动时间, 实现厌氧氨氧化污水处理技术的广泛应用。


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