厌氧氨氧化系列文章(一)

作者: laokou 分类: 水处理 发布时间: 2020-12-08 09:42

厌氧氨氧化(ANAMMOX)工艺是近20年来新型生物脱氮技术的研发热点之一。目前,在我国、荷兰、丹麦、日本、等国该技术已用于消化污泥压滤液、马铃薯加工废水以及垃圾渗滤液等废水的处理,最高容积氮去除速率达9.5kgN/(m3 d) ,远远高于传统的硝化反硝化工艺(容积氮去除率<0.50kgN/(m3•d)) ,其处理费用为0. 75 欧元/kgN,远远低于传统生物脱氮工艺( 2-5欧元/kgN) 显示了诱人的应用前景。但是,由于厌氧氨氧化菌的增值时间长,对温度,C/N比,溶解氧等条件的要求较高,抑制物及有毒物质的影响,以及反应器,及工艺的选择不成熟等原因,导致现在的厌氧氨氧化工程仅在与发酵、味精、污泥硝化上清液垃圾渗滤液等高温低C/N废水上有工程应用。

1. 厌氧氨氧化原理:

在缺氧条件下,以亚硝酸盐作为氧化剂将氨氧化为氮气;或者以氨作为电子供体将亚硝酸盐还原成氮气的生物反应,称为厌氧氨氧化。能够进行厌氧氨氧化的微生物,称为厌氧氨氧化菌。厌氧氨氧化是一个全新的生物反应,与硝化作用相比,它以亚硝酸盐取代氧气,改变了末端电子受体;与反硝化作用相比,它以氨取代有机物,改变了电子供体。

1.1 厌氧氨氧化机理:

厌氧氨氧化的反应物是氨和亚硝酸盐,主要产物是氮气和硝酸盐。包括细胞合成在内的厌氧氨氧化反应过程可表示如下

NH4++1.32NO2+0.066HCO3+0.13H+→1.02N2+0.26NO3+0.066CH2O0.5N0.15+2.03H20       

其中NH4+-N消耗量、NO2-N消耗量和NO3-N生成量的计量比为1:1.32:0.26

反应特点:无需外加碳源,消耗碱度低,不产生剩余污泥,无需曝气供氧。

1.2 厌氧氨氧化菌:

厌氧氨氧化菌为化能自养菌,生长缓慢,倍增时间长(10-30d),细胞产率低,以二氧化碳为唯一碳源,通过将亚硝酸氧化成硝酸来获得能量。虽然一些厌氧氨氧化菌能够转化丙酸、乙酸等有机物质,但不能将其合成细胞物质

厌氧氨氧化菌的最佳生长pH范围为6.7-8.3,最佳生长温度范围为30-37℃

1. 厌氧氨氧化的控制因素:

2.1 温度

温度是影响细菌生长和代谢的重要环境因素之一。郑平等人的分批实验结果表明厌氧氨氧化反应的最适宜温度为30℃左右。当温度<15℃时,反应速率较低;当温度从15℃升至30℃时,反应速率逐渐提高,继续升至35℃时,反应速率反而下降,当温度>40℃时,厌氧氨氧化细菌的活性急剧下降。同时在不断上升的温度下,亚硝酸菌与硝化菌的生长速率不一致,发现温度高于30℃时,亚硝化菌生长速度高于硝酸化菌,SHARON工艺利用在高温(30-35℃) 下亚硝酸菌的比增长速率大于硝酸菌这一微生物动力学特性来实现短程硝化。在温度超过30℃条件下,能产生对 硝酸菌的抑制作用在高温下,亚硝酸菌比硝酸菌生长速率较快,通过缩短污泥停留时间,实现对硝酸菌的冲刷与对亚硝酸菌的保留作用因此在联合工艺的2级反应工艺中,可单独为每个反应器设置合适的温度,而在单级工艺中将反应器温度设置在30℃左右则是较为妥当的。

2.2 溶解氧

溶解氧是影响厌氧氨氧化反应的一个重要的因素。厌氧氨氧化反应被证实是个典型的严格厌氧反应,实验证明厌氧氨氧化对溶解氧非常敏感,只能在严格的厌氧环境下进行,溶解氧大于2μmol/L就会对他产生抑制作用。

2.3 PH

PH也是厌氧氨氧化过程中的一个重要的影响因素。国内外很多学者就pH对厌氧氨氧化的影响进行了研究,有文献报道的厌氧氨氧化反应适宜的pH范围在6.7-8.3,最大反应速率出现在8.0左右。目前普遍认为的厌氧氨氧化的最适pH在7.8-8.0之间。

2.4 水力停留时间

水力停留时间(HRT)是ANAMMOX工艺的重要操作参数。研究结果表明,将HRT由10.1h缩短至3.lh,反应器的氨氮去除率由89%降至61%,亚硝酸盐去除率由98%降至77%,但容积基质氮去除速率稳步上升;进一步将HRT缩短为2.0h,容积氮负荷提高至7.3kg/(m3·d),反应器的容积基质氮去除速率达6.1kg/(m3·d)。Tsushimactal采用厌氧管式滤器运行厌氧氨氧化工艺,可将HRT逐步缩短至0.24h,取得的容积基质氮去除速率为26.0kg/(m3·d)。

低HRT工况所致的大水力剪切力对形成颗粒污泥具有重要作用。颗粒污泥沉降性能优良,易于通过沉降持留于反应器内,并且具有较强的抗冲击负荷能力,容易使反应器取得高容积效能。

3.启动时间

由于ANAMMOX细菌缓慢的增长率,反应器的启动时间是该技术工程应用需着力解决的问题。建立于荷兰鹿特丹的世界上第一座ANAMMOX反应器启动时间长达3年半之久,这使得ANAMMOX技术的工程应用受到一定阻碍。但是,随着时间的推移,对ANAMMOX工程应用中技术难点的认识不断得到提高,更多的工程化反应器相继建成,启动时间也大幅缩短,这使ANAMMOX工程有了良好的应用前景。

第一座ANAMMOX反应器的启动时间长达3年半,其原因是多方面的:

  1. 当时没有任何接种污泥可以获得,完全靠系统自我富集ANAMMOX细菌;
  2. 反应器没有经过中间试验而直接从实验室小试(10L的发酵罐)经数学模拟放大为70m3的工程反应器;
  3. 初期过高的进水NO2--N浓度(在线监测仪故障造成),对循环,颗粒污泥所需的高水力紊动条件只有靠加大进水负荷实现,导致较多污泥的流失;
  4. 在长达3年的启动时间内 ,未设置图示中的液体循环,颗粒污泥所需要的高水流紊动条件只能通过加大进水负荷实现,造成较多的污泥流失。
  5. 在前置亚硝化反应器后部投加甲醇使反硝化不完全,导致部分甲醇进入反应器对ANAMMOX细菌造成毒害作用;
  6. 运行至第5个月后遇冬季寒冷天气而使进水管道冻结,致使进水完全停止;
  7. 启动期间前500d进水泵和空压机因事故经常停机,影响了反应器的正常混合和进水;
  8. 移动厕所中的排泄物直接进入污泥处理厂,其中所添加的化学物质或经厌氧消化和中温亚硝化后的代谢产物对ANAMMOX产生抑制作用。从某种程度上说,第一座ANAMMOX反应器实际上具有中间试验的某些特点,起着工程演示和为推广应用提供经验和设计标准的双重作用。第一座反应器在经历了长达3年半的启动后终于达到设计处理负荷标准。