厌氧氨氧化系列文章(三)

作者: laokou 分类: 水处理 发布时间: 2020-12-10 14:17
  1. 生物量及反应器的选型:

AOB与厌氧氨氧化菌均为自养菌,自养菌利用CO2作为碳源,产率低,增殖慢,这为厌氧氨氧化工艺带来无需外投碳源,剩余污泥产量低等优势的同时,引发的不利问题就是反应器需要很长的启动时间; 同时,在反应启动和运行过程,生物量的高度持留也成为控制关键,即要使细菌细胞尽可能多地聚集成絮体、颗粒或生物膜,避免反应器中生物量随处理水流失.

厌氧氨氧化菌生长缓慢,其倍增时间至少要11d.如何扩增并持留菌体已成为该工艺进一步开发的关键问题.探寻一个既能满足厌氧氨氧化菌的生长条件,促进细胞增殖,又能有效地持留菌体,在装置中积累足够生物量的生物反应器,将会有助于推动厌氧氨氧化工艺的实用化进程.为此,需要选择合适的反应器.

目前采用较多的是生物膜系统,如固定床反应器、流化床反应器、气提式反应器等,此类反应器能高效持留生物体.此外,比较流行的反应器还有序批式反应器.该反应器可通过静止沉淀和滗水过程实现高效的泥水分离.要增大反应器内的生物量,必须采用污泥持留能力强的反应器如:SBR,生物膜反应器,膜生物反应器,颗粒污泥床反应器,细胞固定化反应器。同时必须防止污泥上浮。经研究发现发现,厌氧氨氧化工艺运行至一定时期会出现污泥上浮而导致污泥流失。污泥上浮机理及其控制策略有待研究。

厌氧氨氧化菌能够在厌氧条件下,以CO2或HCO3为碳源,以氨氮(NH4-N)为电子供体,以亚硝氮NO2-N为电子受体,把NH4-N和NO2-N转化成N2去除,并从中获得能量.

(1)研究表明,两种主要的厌氧氨氧化菌有活性的最低细胞浓度分别为1010~1011mL-1和2×108mL-1,因此反应器必须能维持足够的生物量,才能达到较好的脱氮效果.

(2)厌氧氨氧化菌生长缓慢,世代时间长(11~29d),细胞产率低(0.11g/gvss/NH4+-N),这意味着要富集到足够的微生物所需的启动时间很长,启动后要求反应器能稳定可靠运行,尽可能保证微生物不流失.

(3)厌氧氨氧化菌对环境要求苛刻,需要严格厌氧;光能抑制厌氧氨氧化菌活性,降低30%~50%的氮去除率.厌氧氨氧化反应要顺利进行,反应器必须严格厌氧、避光.

(4)多种化学物质可抑制厌氧氨氧化菌的活性,作为底物的NH4+-N和NO2-N浓度若太高,对其也有毒害作用(氨氮和亚硝氮的抑制常数分别为38.0~98.5mmol/L和5.4~12.0mmol/L).因此,反应器设计和运行应尽量避免产生死角区或局部高基质浓度区.

(5)厌氧氨氧化菌一般位于生物膜或生物絮体的内层,底物必须扩散到内层,才可能发生厌氧氨氧化反应,因此,反应器内必须保证固液传质良好.

 

不同反应器应用于厌氧氨氧化的运行效果比较分析

(1)气提式反应器的氮容积去除负荷高于其它反应器,是目前厌氧氨氧化反应器中效率最高的,且得到的NO2-N与NH4+-N的消耗比最接近理论值.气提式反应器具有精细的内部结构,气流量、气泡大小和污泥循环等条件可通过调节内部结构来实现,有利于选择和控制厌氧氨氧化的最佳条件,但是其结构复杂,对操作、控制要求相对较高,因此适合专业水平较高的大型污水处理厂.

(2)流化床可在短时间内获得较高的脱氮效率,氮容积去除负荷高达1.5~4.8kg(N)m-3-1,仅次于气提式反应器.但是流化床存在污泥易流失和难长期稳定运行的缺点,影响其在实际中的应用.

(3)固定生物反应器由于反应器具体形式的多样性,氮容积去除负荷差异较大.上流式生物膜反应器和推流式生物膜反应器的容积去除负荷最低,仅为0.1~0.2kg(N)m-3-1,远低于其它反应器;固定床反应器去除负荷为1.1kg(N)m-3-1,厌氧生物滤池为0.93kg(N)m-3-1,略高于ASBR.

但是它们在应用中又各有特点.上流式生物膜反应器和推流式生物膜反应器水力停留时间较长,是气提式反应器的4~10倍,但是,这两种反应器采用固定填料,不易发生污泥流失,都以支撑填料充当载体,不易发生载体堵塞,流态采用推流式,可使微生物在填料上实现分区,前段可在氧气、抑制物存在时对后段起到保护作用,且运行费用相对低廉,因此适合日处理水量较小的小型污水处理系统(例如:单个养殖厂的废水处理).固定床载体堵塞、气体滞留的缺点使得厌氧氨氧化菌活性降低,造成工程应用的困难.厌氧生物滤池具有良好的运行稳定性,能适应废水浓度和水力负荷的变化,使污泥性能不易因这种变化而受到破坏,且再启动迅速,因此,更适宜处理间歇排放的废水.

(4)UASB反应器氮容积去除负荷0.38~6.39kg(N)m-3-1,高于上流式生物膜反应器和推流式生物膜反应器,其去除负荷的差异可能源自反应器的高径比或内部结构.UASB是目前应用最普遍的厌氧反应器,其主要优点(如生物量高、污染物负荷高、传质效果好等)已得到广泛认同,如对其结构进行适当改进,应该可以达到更高的厌氧氨氧化效率.

(5)ASBR厌氧氨氧化氮容积去除负荷处于中等水平,为0.6~0.7kg(N)m-3-1,但具有很多优点:结构简单,不会发生污泥堵塞,生物的持留效果最佳;涡轮机械搅拌产生的剪切力使传质良好;强的污泥筛选能力,可富集结构更紧凑的颗粒污泥,使系统更加稳定;无短流现象,无需回流,无需单独的固液分离器;运行操作简单方便,由实验室放大到实际应用规模比较容易.

 

 

 

  1. 厌氧氨氧化处理工艺

6.1 SHARON-ANAMMOX工艺

SHARON工艺是由荷兰Delft大学于1997年开发的脱氮工艺。其基本原理是在同一个反应器内,氨氧化细菌利用氧气将NH4+-N氧化成NO2-N;然后,在缺氧条件下,反硝化菌利用有机碳源作为电子供体将NO2-N转化成N2。                                 SHARON工艺的成功在于巧妙地利用了硝化细菌和亚硝化细菌的生长速率不同的特点,在较高温度下,硝化细菌的生长速率明显低于亚确化细菌。当然,NO2-N的积累也受许多其他环境因素的影响,例如温度、泥龄、溶解氧、游离氨、pH值等。

NH4+ +1.5O2→NO2+2H++H2O

NO2+3[H]+ H+→0.5N2+2 H2O

ANAMMOX反应是由van de Graaf研究表明发现的,其原理是在厌氧条件下厌氧氦氧化细菌利用NH4+-N作为电子供体,将亚硝酸盐还原为N2。同样厌氧氨氧化反应也受多种环境因素的影响,例如游离氨、亚硝酸盐、pH值、溶解氧、温度、有机物等。

NH4++ NO2→ N2+2H2O

比较SHARON工艺和ANAMMOX反应的特点发现,前者的第一步反应的产物恰好是ANAMMOX反应的底物,而且ANAMMOX反应作为后续反应可以有效的减少SHARON工艺对于有机物的依赖,因此SHARON工艺和ANAMMOX反应可以联合在一起完成高效脱氮,即SHARON-ANAMMOX工艺。该组合工艺与传统生物脱氮工艺相比具有耗氧量少、污泥产量少、不需要外加有机碳源等优点。

目前,SHARON-ANAMMOX工艺被认为是迄今为止最简捷的生物脱氮工艺,具有非常好的应用前景,主要用于处理含较高氨氮的低C/N比废水,例如垃圾渗滤液、工业废水、污泥消化液等。第一座ANAMMOX反应器工程应用于2002年6月在荷兰鹿特丹 DokHaven 城市污水处理厂,由荷兰Delft 理工大学和帕克公司合作设计运营,用于处理高氨氮污泥消化液废水。由SHARON短程硝化反应器为ANAMMOX反应器提供进水。鹿特丹污水厂ANAMMOX工艺采用帕克公司的IC反应器作为厌氧氨氧化反应器结构示意图如下。

IC 反应器总体积为 70m3,其中下部反应器40m3,该区域混合主要由进水、降流水和回流气体来搅拌混合优化传质。厌氧氨氧化产生的氮气被在低部区域的三相分离器收集在升流管内形成气提作用,液体经过低部区域的三相分离器后进入上部反应区域,此区域混合作用更弱,从而有利于系统中污泥的有效持留。IC 反应器的进水由反应器底部进入IC反应器,当进水流量低于8 m3/h 或进水氮负荷低于150kgN/d时,通过回流反应器出水来保持反应器内足够的上升流速和剪切力,从而促进污泥颗粒化。此IC反应器设计氮负荷为 500kgN/d(7.1kgN/ m3/d),而实际最大氮负荷是由消化污泥中的氮含量决定的,平均为700kgN/d。

此ANAMMOX反应器的启动直接基于实验室规模的10L反应器试验获得的信息,未进行中试试验验证就直接放大到工程规模的70 m3反应器中应用。ANAMMOX反应器最初接种污泥是来自于鹿特丹 DokHaven 污水厂的硝化污泥。后来在622天至1033天期间又投加了29次厌氧氨氧化颗粒污泥,每次投加量在24~500L之间,总计投加量为 9.6 m3。这些厌氧氨氧化颗粒污泥来自于荷兰Balk 污水厂的一个中试规模(5m3)的厌氧氨氧化反应器,此反应器氮去除速率为 5kgN/ m3/d。

此工程预计启动时间为2年,而实际启动时间为3.5年。其中,导致启动时间增加的主要原因分析如下:

(1)亚硝酸盐抑制。这主要发生于进水氮负荷太高或亚硝酸盐氮监测仪故障或未校正好的情况。

(2)上升流速的突然增加导致污泥流失。当增加出水回流后,导致上升流速迅速增加,从而造成污泥的流失。

(3)甲醇的抑制。试验研究已经证明甲醇对厌氧氨氧化菌有抑制作用。ANAMMOX反应器的进水来自于SHARON工艺的出水,而SHARON工艺在启动的前900 天采用了甲醇作为反硝化碳源,偶尔会造成甲醇流入ANAMMOX反应器。

(4)设备故障及管道冻结。偶尔的水泵、空压机故障会造成ANAMMOX反应器的停止运行,此外冬季低温导致的进水管冻结也造成了近 150 天反应器无法进水。

(5)局部死区IC反应器局部搅拌不均造成死区的出现,此区域产生硫化物会抑制厌氧氨氧化菌活性。

ANAMMOX 反应器成功启动后,出水 NO2-N浓度低于5~10mg/L,出水NH4+-N 浓度在 60~130mg/L 之间。通过优化进水中 NO2-N/NH4+-N 的比值可以提高TN去除率,具体优化数值与具体反应器污泥特性及水质有关。进水NO3-N 浓度低于10mg/L,而出水浓度约为 130mg/L,进水氮负荷的12%被转化为了 NO3-N。ANAMMOX 反应器表现出了脱氮稳定性很强的特点,即使进水氮负荷在 300kgN/d 到750kgN/d 的范围内变化时,ANAMMOX 反应仍能发生完全。综上所述,可以看出厌氧氨氧化工程启动时间比较长,而一旦启动成功之后,脱氮性能稳定,且出水氮浓度稳定在较低的范围,在以后的厌氧氨氧化工程启动时接种现有的厌氧氨氧化颗粒污泥可大大减少启动时间。

 

6.2 Canon(OLAND,DEMON)工艺

Canon (Completely autotrophic nitrogen removal over nitrite)是一个基于亚硝酸盐的全自养生物脱氮过程。它通过氨氧化细菌的作用,将氨氧化成亚硝酸盐,再通过厌氧氨氧化细菌的作用,将剩余的氨和亚硝酸盐转化成氮气。20世纪末,荷兰E. B. Muller和德国A. Hippen 等分别在消化污泥压滤液和垃圾渗滤液的脱氮处理系统中发现了Canon现象。2002年,荷兰Delft工业大学提出并研发了Canon工艺。由于该工艺不需外源有机物,只需一个反应装置,操作相对简单,因此受到环境工程界的关注和青睐。

在厌氧氨氧化工程化应用之初,人们把短程硝化和厌氧氨氧化置于两个反应器内进行,如SHARON-ANAMMOX工艺.SHARON反应器中AOB先将进水中约一半的氨转化为亚硝酸盐,产生的1∶1 的NH4+:NO2出水进入ANAMMOX 反应器,ANAMMOX 反应器中的厌氧氨氧化菌再将氨和亚硝酸盐转化为氮气和少量的硝酸。出水的硝酸盐浓度较低,一般可达到排放标准要求。后来,人们发现上述两个过程也可以整合于一个反应器内进行。

需要说明的是,文献有以下3种名称命名该过程: OLAND,DEMON,和CANON。由于距厌氧氨氧化菌 报道时间并不长,研究者们提出前两个名称时还未认识到该过程有厌氧氨氧化菌的参与,误以为反应器的脱氮效果是氨氧化细菌的反硝化作用导致的。

一般来说,CANON 工艺指的是在单个反应器内限制曝气的条件下,利用好氧氨氧化菌和厌氧氨氧化菌 的协同作用来去除废水中氨氮的工程。CANON工艺之所以采用限制曝气,一是因为氨氧化细菌相比硝化细菌在低氧条件下能较好地生长,二是因为厌氧氨氧化菌是严格的厌氧菌,需要氨氧化细菌消耗掉几乎所有的溶解氧。

由于Canon工艺赖以进行的氨氧化菌和厌氧氨氧化菌皆为自养菌,不需要利用有机物,因此Canon工艺可在完全无机条件下进行。它特别适合处理低碳氮比含氨废水甚至无机含氨废水,这既是Canon工艺显著优势,也是该工艺的一大特征。在Canon工艺中,一边氨氧化菌将氨氮转化为亚硝氮, 另一边厌氧氨氧化菌 将剩余的氨氮和产生的亚硝氮转化成氮气, 两个反应在同个空间同段时间内完成, 因此Canon 工艺可置于一个反应器内进行。它可缩短脱氮工艺流程,这既是Canon 工艺另一显著优势,也是该工艺的另一大特征。在Sharon-Anammox工艺中,前置短程硝化需为后续Anammox 提供比例合适的氨氮和亚硝氮,给工艺操作带来了很大困难。在Canon 工艺中,亚硝氮边产生边利用,只要控制DO浓度即可满足Anammox 对亚硝氮的要求。它可简化工艺操作,这是Canon 工艺又一显著优势,也是该工艺的又一大特征。

曝气量与溶解氧控制一般来说,过量曝气将导致CANON 反应器内的溶解氧上升并使硝化细菌的增殖成为可能.另一方面,保持CANON反应器运行过程中较好的氨氧化菌氨氧化活性至关重要。当进水氨氮负荷波动或一些有毒物质进入反应器致使AOB 活性下降时,①如果此时曝气量仍保持不变,反应器内溶解氧将会上升,并可能导致厌氧氨氧化菌 活性的抑制,从而破坏CANON 工艺的稳定性。污水厂可通过配置溶解氧控制器来解决这个问题: 当进水氨氮浓度下降时,控制气泵的空气流量防止水中溶解氧的提高,使硝化细菌难以有生存的空间。

②另一方面,厌氧氨氧化菌实际接触到的氧气多少不仅与水相溶解氧有关,还与群居于污泥外层的好氧氨氧化菌的耗氧速率有关.换句话说,即便通过降低曝气量使反应器内的溶解氧维持在之前的水平,也无法完全确保CANON工艺的脱氮效果。在CANON 反应器正常运行时,溶解氧为0.2 mg·L-1 时可维持厌氧氨氧化脱氮效果良好;但若好氧氨氧化菌的活性被部分抑制,同样的溶解氧浓度( 0.2 mg·L-1 ) 却完全抑制了厌氧氨氧化过程,导致了亚硝酸盐的积累,从而促成了有利于硝化菌增殖的环境条件。为此他们提出,为防止硝化菌的增殖,曝气量应根据亚硝酸盐浓度而非溶解氧浓度来调控: 当亚硝酸盐浓度大于2 mg ( NO2-N)·L-1 时,即说明曝气量过高。尽管如此,由于目前溶解氧更方便在线检测,且多数情况下能反映工艺的稳定性,溶解氧仍是CANON 工艺最重要的控制工况.

关于CANON 工艺,主要有以下两个问题丞待解决:

( 1) 氨氧化菌与厌氧氨氧化菌 均为自养菌,自养菌利用CO2作为碳源,产率低、增殖慢,这为CANON 工艺带来无需外投碳源、剩余污泥产量低等优势的同时,引发的不利问题就是反应器需要很长的启动时间; 同时,在反应启动和运行过程,生物量的高度持留( high biomass retention) 也成为控制关键,即要使细菌细胞尽可能多地聚集成絮体、颗粒或生物膜,避免反应器中生物量随处理水流失.

( 2) 不同于两段式的厌氧氨氧化工艺将短程硝化和厌氧氨氧化两个过程分别最优化,CANON 工艺中AOB 的活性因氧气的不足而受到限制,同时厌氧氨氧化菌 的生存空间也在一定程度上被压缩,致使CANON 工艺的脱氮速率较低,而在低温低基质条件下更是如此.

Canon 工艺的问世为废水脱氮提供了一种新工艺,并初显了投资少、能耗低、易操作等优势,将其推向工程应用将促进废水特别是低碳氮比废水的脱氮处理。然而,目前Canon 工艺基本上处于实验室研究阶段,还存在运行性能不稳定的困扰。Canon 工艺研发进展缓慢的主要症结在于废水NH4+-N 浓度波动时,DO 浓度难以动态匹配。通过反应器构型的设计和反应器填料的设置,来分割反应器内的好氧区和缺氧区,增大操作弹性,增强反应器对废水NH4+-N浓度波动的适应能力, 是Canon 工艺急待解决的关键问题。优质菌种(耐低氧氨氧化菌 、耐高氧厌氧氨氧化菌、耐低温氨氧化菌和厌氧氨氧化菌)、在线监控、高效反应器等也是未来Canon 工艺研发中需要探索的重点。