新型生物脱氮工艺的简介.docx

新型生物脱氮工艺的简介摘要：水体中的氮素污染越来越严重。传统生物脱氮工艺在废水脱氮过程中发挥着重要的作用，但也暴露出成本高、脱氮效率低等缺点。随着生物脱氮新技术如亚硝酸型硝化反硝化技术、厌氧氨氧化技术的发展，生物脱氮新工艺也越来越多的受到研究者的关注。本文主要介绍了亚硝化脱氮工艺（SHARON）、厌氧氨氧化工艺（ANMAMOX）、亚硝化-厌氧氨氧化组合工艺（SHARON-ANAMMOX）、全程自养脱氮工艺（CANON）、限制自养硝化反硝化工艺（OLAND）。分别阐述了各工艺的原理、影响因素、运行特性、应用状况等。最后，简单叙述了各工艺的区别和联系，对各种工艺的操作参数进行了比较和概括。关键词：SHARON；ANMAMOX；SHARON-ANAMMOX；CANON；OLAND1.引言传统的生物脱氮理论包括硝化和反硝化两个过程，分别由自养型硝化菌和异氧型反硝化菌完成。传统生物脱氮工艺需要消耗大量的溶解氧、碳源，造成较高的运行成本。随着近代生物学和生物技术的发展，以及污水生物脱氮工程实践中出现的新的问题和现象，国内外学者提出了一些脱氮理论的新认识，并逐渐形成了生物脱氮新的理论。基于这些生物脱氮新理论，废水生物脱氮新技术也有了较快的发展。在亚硝酸型硝化反硝化技术和厌氧氨氧化技术发展的基础上，出现了一些新的生物脱氮工艺。这些生物脱氮工艺包SHARON、ANMAMOX、SHARON-ANAMMOX、OLAND、CANON 等。2.Sharon工艺SHARON（single reactor for high ammonia removal over nitrite）即亚硝化脱氮工艺，是荷兰Delft 技术大学1997 年提出并开发的一种新型生物脱氮技术1。其基本原理是在同一个反应器内，在有氧的条件下，自养型亚硝酸菌将NH4+转化为NO2，然后在缺氧的条件下，异氧型反硝化菌以有机物为电子供体，以NO2为电子受体，将NO2转化为N2。其理论基础是亚硝酸型硝化反硝化技术，生化反应式可用下式（1）表示：NH4+ + 0.75O2 + HCO3 0.5 NH4+ + 0.5NO2+ CO2 + 1.5H2O （1）该工艺的关键是如何将氨氧化控制在亚硝酸阶段，并持久维持较高浓度的亚硝酸盐积累2。由于硝化过程中的两类细菌亚硝酸菌和硝酸菌的生长特性不同，对环境的要求也不同，这为将硝化控制在亚硝化阶段提供了条件 3。SHARON 工艺使用单个无需污泥停留的完全混合反应器（CSTR）来实现，在较短的HRT 和3035的条件下，利用高温下硝酸菌的活性比亚硝酸的活性低，同时利用硝酸菌的水力停留时间大于亚硝酸菌的水力停留时间，使水力停留时间介于两者之间，从而淘汰硝酸菌4。经过小试、中试，第一个生产规模的运用SHARON 工艺的Dokhaven 污水处理场于1998年初在荷兰鹿特丹建成并投入运行。该SHARON 的进水氨氮质量浓度为1g/L，进水氨氮的总量为1200kg/d，氨氮的去除率为85%。SHARON 工艺与传统的的脱氮工艺相比，具有能够节省25%的氧气，节省40%的碳源、污泥产量少、反应器容积减少、反应时间短等优点。同时，它也存在一些问题，如反应时较高的温度不适合城市污水的处理，仅比较适合处理污泥硝化上清液和垃圾渗滤液等高氨高温废水，适合C/N 较低的废水，亚硝化产物NO2是致癌、致畸、致突变物质，对受纳水体和人体健康有害。3. Anammox工艺ANAMMOX(anaerobic ammonium oxidation)即厌氧氨氧化工艺，是由荷兰DeLft 大学1990 年提出的一种新型脱氮工艺。厌氧的条件下，微生物以NH4+为电子供体，NO2为电子受体，把NH4+、NO2转化为N2 的过程。其生化反应式可用下式（2）表示：NH4+ + NO2 N2 + 2H2O （2）Graaf5等通过同位素15N 示踪研究，提出了厌氧氨氧化可能的代谢途径，见下图1。他认为ANAMMOX是通过生物氧化的途径实现的，过程中最可能的电子受体是羟(NH2OH)，而羟胺本身是由亚硝酸盐产生的。图1 Graaf 提出的ANAMMOX 工艺的可能途径5厌氧氨氧化过程中起作用的微生物是Anammox 菌。Anammox 菌是专性厌氧化学无机自养细菌，生长十分缓慢，在实验室的条件下世代期为23 周，厌氧氨氧化过程的生物产量很低，相应污泥产量也很低。ANAMMOX 工艺的影响因素主要集中在系统环境对Anammox 菌的抑制。主要的影响因素包括反应器的生物量、基质浓度、pH 值、温度、水力停留时间和固体停留时间等。ANAMMOX 工艺具有不少突出的优点：相对传统的脱氮过程，耗氧下降62.5%；不需外加碳源，节约成本；不需调节pH 值降低运行费用。但该工艺还存在以下几个方面的问题：工艺还没有实现实用化和长期稳定运行；Anammox 细菌生长缓慢，启动时间长，为保持反应器内足够多的生物量，需要有效的截留污泥等6。荷兰的研究者们于2002 年通过数学模型模拟设计出世界上第一个生产性规模的ANMAMOX 反应器，该反应器建在荷兰鹿特丹Dokhaven 污水处理厂内，主要用于污泥消化液的脱氮处理。4. SHARON-ANAMMOX工艺SHARON-ANAMMOX 工艺即为SHARON 和ANAMMOX 的组合工艺。SHARON 作为硝化反应器，在此反应器内，含NH4+的污水中约50%的NH4+氧化成NO2；ANAMMOX作为反化反应器，含NH4+和NO2的SHARON 反应器的出水作为此反应器的进水，在此反应器内，厌氧条件下NH4+和NO2被转化为N2 和H2O。生化反应式如下式（3）：NH4+ + 0.75O2 + HCO3 0.5N2 + CO2 + 2.5H2O （3）典型的SHARON-ANAMMOX 工艺流程如下图2 所示。图2 SHARON-ANAMMOX 组合工艺流程7SHARON-ANAMMOX 工艺的中，反应的主要控制条件为温度、碱度和水力停留时间；同时，Anammox 反应器中不得有溶解氧的存在8。SHARON-ANAMMOX 工艺中发挥作用的细菌主要为氨氧化菌和Anammox 菌，两者均为自养型细菌，因此该工艺无需外加碳源；同时还可以节约氧气约50%，污泥产量低，可以节约90%以上的运行成本，具有很好的应用前景。SHARON-ANAMMOX 工艺主要适用于处理污泥上清液和高氨氮、低碳源工业废水。对污泥上清液而言，应用此工艺时并不需要调节pH 值，因为污泥上清液中含有HCO3，当有一半的NH4+被转化后，污水中的碱度也几乎被耗光，从而导致反应器中pH 值下降，从而抑制硝化反应的进行，使SHARON 反应器的出水中NH4+/NO2保持在1.0 左右，为ANAMMOX 工艺中反应的发生创造条件9。清华大学蒙爱红10利用CSTR 反应器对亚硝化工艺处理高浓度氨氮自配废水进行了试验研究，利用EGSB 反应器进行了厌氧氨氧化工艺的试验研究。在亚硝化厌氧氨氧化串联运行后，亚硝化反应器的氨氮平均去除率为79%，厌氧氨氧化反应器中氨氮的去除率为1%45%，NO2的平均去除率为60%99.9%。世界上第一个生产性SHARON-ANAMMOX 工艺已于2002 年6 月在荷兰鹿特丹Dokhaven 污水处理厂正式运行，主要用于处理污泥消化上清液。5. CANON 工艺新型生物脱氮工艺CANON 工艺（completely autotrophic ammonium removal overnitrite)即全程自养脱氮工艺,该工艺是指在单个反应器或生物膜内，通过控制溶解氧实现亚硝化和厌氧氨氧化，从而达到脱氮的目的。CANON 工艺是基于亚硝化和厌氧氨氧化技术而发展的。在限氧条件下，NH4+首先被好氧亚硝化菌氧化成NO2，然后，厌氧氨氧化菌将NH4+和NO2以及痕量的NO3转化为N2。总化学反应式可用下式（4）表示：NH4+ + 0.85O2 0.435N2 + 0.13NO3+ 0.14H+ +1.3H2O （4）CANON 工艺反应器中的微生物主要是亚硝化细菌和厌氧氨氧化菌以及少量的硝化细菌和常规异氧菌。有研究表明，CANON 工艺中反应的发生依赖于好氧氨氧化菌Anammox菌两种自养微生物菌群在限氧条件下稳定的相互作用关系CANON 工艺对于含高氨氮、低有机碳的污水来说，是一个既经济又高效的选择。CANON 工艺中所涉及的微生物均为自养菌，无需外加碳源。另外，CANON 工艺在单一的反应器中运行，且仅需微量曝气，从而减少占地面积和能耗。与传统的脱氮工艺相比，该工艺可减少63%的供氧量、100%的碳源。Sliekers 等人112002 年研究了CANON 工艺在SBR 反应器中的应用情况，同时研究了该过程中的微生物特性。在限氧条件下，并未发现亚硝酸氧化菌，只有在O2 不受限制时或进水NH4+浓度较低时，反应器中才出现亚硝酸氧化菌。郝晓地12等人利用数学模拟技术对CANON 工艺的各个未知因素和影响因子进行理论分析，发现溶解氧和膜的氨表面负荷（ASL）是CANON 工艺中两个重要的影响因子。Sliekers 等人13在2003 年研究了CANON在气提反应器中的应用情况，结果表明，气提反应器适用于CANON 工艺。反应器中存在少量的活性很低的亚硝酸氧化菌，可能是由于反应器中O2 浓度过高所导致的。孟了等14利用SBR 反应器处理垃圾渗滤液，实现了CANON 工艺。当DO 控制在1mg/L 左右，处理废液流量为600m3/d，进水氨氮800mg/L 的条件下，氨氮的去除率95%，总氮的去除率90%。这些研究都为CANON 工艺的工程应用提供了有力的中试基础，对于如何在实际工程中控制其操作参数还有待进一步的深入研究。6.OLAND工艺OLAND（oxygen limited autotrophic nitrification denification，限制自养硝化反硝化工艺）工艺是限氧亚硝化与厌氧氨氧化偶联的一种新颖的生物脱氮反应系统15。其原理是首先在DO约为0.10.3mg/L的限氧条件下，好氧氨氧化菌将50%的NH4+转化为NO2，使亚硝化阶段的出水比例稳定在NH4+/ NO2=1：（1.20.2），从而为厌氧氨氧化阶段提供理想的进水，达到高效脱氮的目的。该工艺的反应式可用下式（5）表示：NH4+ + 0.75O2 0.5N2 + H+ + 1.5H2O （5）OLAND 工艺和CANON 工艺最大的差别在于前者在两个反应器中进行，而后者则在单一反应器中完成。OLAND 工艺与传统脱氮工艺相比，可以节省供氧62.5%，节省碳源100%。该工艺的关键在于控制反应器中的溶解氧，这也是该工艺存在的主要问题，在混合菌群连续运行的条件下难以对氧和污泥的pH 值进行良好的控制15。OLAND 工艺中，溶解氧是限氧亚硝化阶段的主要影响因素，而生物量和基质浓度、pH值和温度则影响厌氧氨氧化过程。董远湘等16采用以多孔球悬浮填料为载体的限氧亚硝化生物膜处理高氨氮、低碳源的废水，通过对DO 控制在0.51.0mg/L，实现硝化阶段出水中的氨氮与亚硝态氮的比例达到最适值1：（1.20.2），从而为后阶段的厌氧氨氧化系统提供理想的进水；同时发现，在生物膜中进行氨氧化作用的主要为亚硝化杆菌（Nitrosomonas sp.）、亚硝化（Nitrosospira sp.）。张丹等17采用OLAND 工艺处理高氨氮、低COD 的废水，应用内浸式多聚醚砜中膜，实现了污泥的完全截留，通过控制DO 在0.10.3mg/L 之间，实现了硝化阶段出水中的氨氮与亚硝态氮的比例达到最适值1：（1.20.2）7. 结语新的生物脱氮工艺相对于传统脱氮工艺来说，具有明显的优势，如：降低供氧能耗、无需外加碳源、减少反应器容积、节省运行费用等。新工艺中反应的发生过程往往需要特定的条件，如较高的温度，一定的pH 值，低碳源、高氨氮的进水等，这通常不适于处理常规的生活污水，而对特殊的废水如污泥消化上清液和垃圾渗滤液等来说，则具有良好的处理效果。目前，这些新工艺的发展才刚刚起步，对于其影响因素、过程控制、微生物特性等还不甚清楚。这些都需要进一步研究。参考文献：1 万金宝，王建永基于短程硝化反硝化的SHARON 工艺原理及技术要点J工业水处理，2008，28（4）：13-152 袁林江，彭党聪，王志盈短程硝化反硝化生物脱氮J中国给水排水，2000,16（2）：29-313 林涛，操家顺，钱艳新型的脱氮工艺SHARON 工艺J环境污染与防治，2003，25（3）：164-1664 李振强，陈建中废水脱氮新技术研究进展J广州环境科学，2005，20（3）：16-195 Van de Graaf A A，Bruijn P，Robertson L A，et alAutotrophic growth of anaerobic ammonium-oxidationmicroorganism in a fluidized bed reactorJMicrobiology，1997，143：2415-24216 康海笑，陈建中，周明罗，等废水厌氧氨氧化工艺（ANAMMOX）J广州环境科学，2004，19（3）：14-167 Than Khin，Ajit P AnnachhatreNoval microbial nitrogen removal processJBiotechnology Advance，2004，22（7）：519-5328 汪慧贞，吴俊奇，高志明半硝化-厌氧氨氧化脱氮新工艺J环境工程，2001，19（5）：7-99 叶建锋废水生物脱氮处理新技术M北京：化学工业出版社，2006，132-13310 蒙爱红，左剑恶亚硝化-厌氧氨氧化工艺的试验研究J给水排水，2003，29（3）：9811 A.Olav Sliekers，N Derwort，J L Campos，et alCompl