ANAMMOX(厭氧氨氧化)的工藝發展及工程應用

放大字體  縮小字體 發布日期:2019-11-10  來源:環保工程師  瀏覽次數:136
核心提示:由荷蘭Delft工業大學于20 世紀末開始研究,并于本世紀初成功開發應用的一種新型廢水生物脫氮工藝。
厭氧氨氧化 (ANAMMOX) 工藝,最初由荷蘭Delft工業大學于20 世紀末開始研究,并于本世紀初成功開發應用的一種新型廢水生物脫氮工藝。它以20 世紀90 年代發現的ANAMMOX 反應為基礎,該反應在厭氧條件下以氨為電子供體,亞硝酸鹽為電子受體反應生成氮氣,在理念和技術上大大突破了傳統的生物脫氮工藝。
ANAMMOX 工藝具有脫氮效率高、運行費用低、占地空間小等優點,在污水處理中發展潛力巨大。目前該工藝在處理市政污泥液領域已日趨成熟,位于荷蘭鹿特丹Dokhaven 污水廠的世界上生產性規模的ANAMMOX 裝置容積氮去除速率 (NRR) 更是高達9.5 kg N/(m3·d)。此外,ANAMMOX 工藝在發酵工業廢水、垃圾滲濾液、養殖廢水等高氨氮廢水處理領域的推廣也逐步開展,在世界各地的工程化應用也呈星火燎原之勢。
1、ANAMMOX 工藝及其衍生工藝
經過20多年的研究和發展,基于ANAMMOX 反應開發出來的較成熟的工藝有SHARON -ANAMMOX 工藝、全程自養脫氮 (CANON) 工藝、限氧自養硝化反硝化 (OLAND) 工藝、反硝化氨氧化 (DEAMOX) 工藝、好氧反氨化(DEMON) 工藝。近年來,研究人員仍在不斷探索其他形式的ANAMMOX 衍生工藝,譬如同步短程硝化、厭氧氨氧化、反硝化耦合 (SNAD) 工藝、單級厭氧氨氧化短程硝化脫氮(Single-stage nitrogen removal using ANAMMOX)
目前,存在兩種方法為ANAMMOX 提供電子受體亞硝酸鹽,一種是在一個獨立的曝氣反應器中產生而隨后進入ANAMMOX 反應器,另一種是在一個無O2 或者微O2 的ANAMMOX反應器中產生并立即參與ANAMMOX 反應。據此,可將ANAMMOX 工藝相應分為分體式 (兩級系統) 和一體式 (單級系統) 兩種,一體式包括CANON、OLAND、DEAMOX、DEMON、SNAP 、SNAD 等工藝,分體式主要是SHARON-ANAMMOX 工藝。
一體式工藝的基建成本低、結構緊湊、裝置運行和控制簡單,并且其短程硝化產生的亞硝酸鹽立即參與ANAMMOX 反應,能有效避免因亞硝酸鹽累積造成的抑制,另外單位體積脫氮速率高也是一體化工藝的優勢。但是一體化工藝啟動時間長,反應器內微生物間的生態關系復雜,經受負荷沖擊時易失穩,并引發連鎖反應,導致“雪崩”效應,系統受擾紊亂后恢復時間也長。
與一體式工藝相比,分體式工藝中的兩反應器可單獨進行靈活和穩定的調控,系統受擾后恢復時間短,ANAMMOX 反應器進水具有相對穩定的氨氮和亞硝氮比例。其次由于短程硝化階段能削減某些毒物和有機物,避免其直接進入ANAMMOX 反應器,所以更適合處理含毒物和有機物的廢水。另外,處理高負荷含氮廢水時,分體式工藝的高投資成本會通過較低的運營成本得以補償。因此,這兩種工藝各有利弊,實際應用時需根據具體情況,做到“因水制宜,量水裁藝”。
2、ANAMMOX 工藝的工程應用現狀
在過去的10年里,ANAMMOX工程化應用逐漸興起,ANAMMOX工程化裝置和研究文獻呈逐年增長趨勢。第一座工程化裝置的誕生與ANAMMOX 的發現和發展有短暫的滯后,由此可見中試和實驗室研究對工程化應用具有積極的推動作用。2014年末,全球范圍內ANAMMOX工程超過100 座。
為了更好地控制短程硝化反應,短程硝化-厭氧氨氧化 (PN-ANAMMOX) 裝置大多采用兩級系統或利用已有的短程硝化系統 (如SHARON 反應器)。但隨著工程化經驗越來越豐富,重點開始轉向單級系統。目前,工程化的裝置主要包括移動床生物膜反應器(MBBR)、顆粒污泥反應器和序批式反應器(SBR),還有少數生物轉盤 (RBC)和活性污泥系統。
DEMON 是為風靡的SBR 系統,該工藝首先裝配在奧地利Strass,采用自主設計的基于pH 調控的進水控制系統,用來處理污泥壓濾液。利用水力旋流器可以分別調節適合氨氧化菌(AOB) 和ANAMMOX菌 (AnAOB) 的泥齡 (SRT),并且可從接種污泥中分離出生長緩慢的AnAOB。還能使小絮體中的亞硝酸氧化菌(NOB) 被洗出,使大聚集體中的AnAOB 得以持留。另一種SBR 技術是由瑞士聯邦水生科學技術研究所開發的基于氨控制的PN-ANAMMOX 工藝。該工藝裝配在瑞士,在每個運行周期的開始階段或者曝氣階段進水,進水流量受氨傳感器調控,因此SBR 運行周期長度不固定。氨信號也可由電導率信號替代,通過控制曝氣量確保短程硝化和ANAMMOX同步進行,一般溶解氧(DO) 濃度控制在0.1 mg/L 以下,通常情況下建議采用連續曝氣,啟動階段或者污泥活性較低時采用間歇曝氣。
此外,一些PN-ANAMMOX 設施采用其他調控策略,差異主要在于進水模式 (間歇或連續)、污泥存在形式 (懸浮或附著生長)、曝氣控制方式。比如德國Ingolstadt 污水廠的SBR 采用間歇進水 (6 h 周期內進水4 次) 和間歇曝氣 (6 min 曝氣/9 min停止)。但在德國Gütersloh 污水廠的SBR 周期為24 h,白天連續進水,進水量取決于污泥壓濾液的產生量。當氨濃度達到上限時啟動曝氣,當pH 或者氨濃度跌至下限時停止曝氣,DO 濃度控制在0.5 mg/L 以下。
一體式顆粒污泥反應器也應用于工業廢水的自養脫氮工程。目前在我國建造了數座實際工程,主要在發酵行業 (包括釀酒、味精、酵母廢水) ,其中通遼梅花味精廢水Ⅰ期工程ANAMMOX 反應器容積高達6600 m3,是迄今世界上規模最大的ANAMMOX工程。
傳統的生物膜技術也成功用于PN-ANAMMOX工藝。RBC是發現存有ANAMMOX反應的反應器之一,隨后被Ghent大學成功應用于OLAND工藝中。RBC的運營成本低,但工藝缺乏靈活性。目前,荷蘭Sneek市有兩座采用OLAND工藝處理厭氧消化廁所水的RBC 裝置,一座容積0.5 m3的裝置服務于64人口當量,另一座容積6m3服務于464人口當量。通過調節轉盤轉速(1−4 r/min)來實現工藝控制,確保DO 濃度處于目標值(0.60−0.65 mg/L)。荷蘭Hulst市也有利用RBC處理化肥生產廢水的工程,通過在線監測氨來調控進水,調節轉盤轉速控制DO濃度。預計到2015年該工程的氮負荷可達150kgN/d。
2001 年在德國Hattingen 污水廠建造了一座生物膜PN-ANAMMOX 工程,用于處理污泥壓濾液。該工程DeAmmon 工藝中MBBR 系統的40%−50%由填料填充,并設有曝氣裝置和攪拌器。2007 年第二座采用DeAmmon 工藝的MBBR裝置在瑞典Himmerfjärden 污水廠開始建造。生物膜的理念還被應用在位于瑞典Malmö 的ANITAMoxTM 工藝設計中,該裝置不僅用于處理污泥壓濾液,還可為其他裝置培養種子載體。在此基礎上采用復合固定膜活性污泥裝置還可將性能提高3−4倍。
該復合裝置持留的懸浮污泥具有90%的AOB,其負荷比單一的生物膜系統高。在PN-ANAMMOX 工藝中也有懸浮污泥理念的應用。荷蘭Colsen 的新活性污泥 (NAS) 系統即采用懸浮污泥法,包括好氧、厭氧、攪拌室,依賴于PN-ANAMMOX 和硝化反硝化耦合作用來處理食品加工廢水。通過控制DO 和SRT 實現工藝調控。德國TERRANA 系統與復合固定膜活性污泥法原理相似,起初在SBR 和分體式活性污泥工藝中都添加膨潤土載體,用于AnAOB 附著和改善沉降性能,并且膨潤土還可為緩沖能力較弱的廢水補充堿度。
 
 
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