厌氧氨氧化在城市污水主流处理工艺中的应用

1、厌氧氨氧化在城市污水主流处理工艺中的应用 厌氧氨氧化工艺已经广泛应用于侧流处理，但在主流条件下应用时，尚存在一定难度。在主流应用时，需要先对污水举行预处理，消退碳、磷的影响，然后再通过控制温度、溶解氧等因素来保障厌氧氨氧化过程的有效举行。影响厌氧氨氧化在主流工艺中应用的因素包括温度、pH和进水C/N等，还需考虑污泥形态、NOB抑制等问题，以保证主流工艺运行的稳定性。此外，厌氧氨氧化在侧流条件下的启动及主流条件时的稳定运行，均需通过多因素控制来实现。 厌氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation，Ana-mmox)的发觉为污水脱氮供应了一种新的方式。与传统的硝化/反硝化脱

2、氮工艺相比，Anammox可以削减100%的有机碳源投加量，降低60%的曝气量，产泥量也会削减90%。这些优势吸引了国内外大量科研人员对其举行研究，进而推进了以Anammox为基础的脱氮工艺的进展，特殊是在垃圾渗滤液、污泥消化液、工业废水等侧流城市废水处理中均取得了较好的效果。 与侧流相比，城市污水主流具有更低氨氮质量浓度(967mg/L)，更低运行温度(冬季1016)的特点。这意味着，在主流条件下氨氧化菌(AOB)的生长速率比亚硝酸盐氧化菌(NOB)低;同时，游离氨(FA)和游离亚硝酸(FNA)对NOB的抑制将不复存在。 NOB的增殖会导致大部分的氨转化为NO3-，而非N2，不能提高污水中总

3、氮的去除率。而且，城市污水中的有机物会促进异养微生物的增殖，在有机物存在时，厌氧氨氧化菌(AnAOB)的生长速率比异养菌慢，从而抑制了AnAOB的生长，进而影响污水处理效果。 此外，在城市污水处理过程中，温度、氮浓度、有机物浓度等因素随时节而变化，也会影响工艺性能。因此，将Anammox应用于城市污水主流处理工艺时，常需要对污水举行前处理。 1前处理方式及作用 城市污水中通常混杂有泥沙、悬浮物、有机物等物质，前两者会对污水处理厂的管路、构筑物造成影响，而有机物会促进异养菌的增殖，从而影响Anammox工艺的性能。此外，污水中的磷也会抑制AnAOB。研究表明，当水中磷620mg/L时，颗粒污泥和

4、悬浮污泥的比厌氧氨氧化活性(SAA)会显然受到抑制。 Anammox工艺有能源回收甚至产能的潜力，可以通过多级碳氮磷分别，分离对各物质举行处理，实现资源的高效回收。因此，为了保证AnAOB更好地生长繁殖，同时实现碳、磷等资源和能源的回收，需要对城市污水举行碳氮磷分别。 Anammox在侧流应用时，其进水常为污泥厌氧消化液，当采用两段式部分亚硝化/厌氧氨氧化(partial nitritation Anammox，PN/A)工艺(见图1)时，原水先进入硝化反应器，通过控制硝化反应器的运行条件，实现短程硝化。 图1两段式Anammox工艺 经过沉淀池后，清液进入厌氧氨氧化反应器，出水回到城市污水主

5、流。而主流Anammox的进水需通过格栅、沉砂池常规处理后，再举行预处理，即碳氮磷分别(见图2)，或采用侧流富集、主流强化的方式(见图3)，通过厌氧氨氧化菌的补给，确保处理效果。 图2预处理的主流Anammox工艺 图3Strass污水处理厂Anammox工艺 碳捕获可以实行多种方式。XiaojinLi等用混合厌氧反应器对进水举行厌氧预处理，去除了92%的COD，使PN/A进水COD为22mg/L。但混合厌氧反应器中会堆积硫酸盐还原菌，将进水中的硫酸盐还原为硫化物。 硫化物一方面会对微生物直接造成毒理影响，另一方面可以作为反硝化细菌的电子受体，影响Anammox性能。M.Laureni等将城市

6、污水举行初沉后，接入好氧SBR反应器(12L，SRT为1d)以去除COD，结果表明，出水NH4+-N为(21±5)mg/L，残余总COD为(69±19)mg/L，COD去除率达到80%以上。 也有研究认为，可以联合2种处理方式，即污水在进入厌氧消化段之前，先通过低污泥停歇时光(SRT)的好氧段，实现产甲烷的最大化。荷兰鹿特丹Dokhaven污水处理厂采用A-B工艺设计，BOD在A段(HRT=1h，SRT=0.3d)中通过高负荷反应器去除，使污水中大部分碳转化进入污泥，以得到最大化的产甲烷量。 另外，采用短程反硝化耦合Anammox工艺处理实际生活污水时，短程反硝化不仅可以消

7、耗污水中的有机物，还能将NO3-还原为NO2-，满意Anammox的进水要求。 预先将污水中的磷举行去除或回收，能使后续Anammox工艺取得更好的脱氮效果，常用的方法有生物除磷和化学除磷。生物除磷是利用聚磷菌对原水中的磷举行去除，化学除磷则采用投加FeCl3、AlCl3等化学除磷药剂的方法，将磷从污水中沉淀分别。 荷兰鹿特丹Dokhaven污水处理厂的工艺流程中，在A段投加FeCl3，有效地将进水中的磷降低为1mg/L，为B段的Anammox工艺发明了有利条件。 2主流Anammox的应用及其影响因素 在世界范围内，以Anammox为基础工艺的污水处理厂超过110座，其中约75%用于侧流城市

8、污水处理。尽管已有Anammox主流应用的实际案例，但多数需要进一步优化。直接应用以Anammox为基础工艺的方法处理城市废水，依然面临着进水氨氮浓度低、处理温度低、进水水质波动、能否长期稳定运行的挑战，因此，仍需做进一步的研究。 表1列出了不同条件下(温度、pH、C/N等)不同反应器中主流Anammox的脱氮性能，用以比较不同因素对Anammox工艺运行的影响。 表1主流Anammox的研究与应用 2.1温度 城市污水主流温度一般为1020左右，低于AnAOB(2540)生长的最适合温度，这会影响Anammox的性能。在PN/A工艺中，短程硝化段也会受到温度的影响，这是由于AOB在低温条件下

9、活性会受到抑制，降低氨氮的转化率，并且AOB的活化能高于NOB，导致NO2-的堆积不足，无法为Anam-mox反应供应足够的底物。 然而，有研究发觉，当Anammox由高温(30)向低温(10)变化时，AnAOB优势菌属由Ca.Bro-cadia改变为Ca.Kuenenia，说明某些AnAOB可以在低温下举行有效的Anammox过程。V.Kouba等在2123条件下，胜利运行了一段式短程硝化厌氧氨氧化MBBR反应器，并进一步降低温度，在12.5的条件下，通过批次实验证实AnAOB也具有较强的活性NRR=40g/(m3d)，而低温对短程硝化的影响更为显著，从而提出AOB的低活性是抑制PN/A低温

10、运行的缘由，这可以通过两段式PN/A举行改善。 M.Laureni等采用SBR反应器举行一段式PN/A实验，控制温度由29阶梯式递减至12.5，发觉在1512.5时，反应器脱氮性能的弱化程度更为显著，说明温度线性变化时，微生物的活性将发生复杂的变化，这与J.A.SanchezGuillen等的实验结果相全都。另外，M.Tomaszewski等在研究中发觉，随着温度的降低，AnAOB最适合的pH范围减小，即在低温条件下，适当地提高pH可以提高Anammox工艺的脱氮效率。 2.2有机物 2.2.1有机物的影响 一般认为，有机物会促进异养微生物的增殖，这些微生物会占领AnAOB生存空间，从而影响脱

11、氮性能。但不同的有机物对Anammox的影响不同。研究发觉，甲醇、乙醇等醇类会抑制Anammox过程;葡萄糖、甲酸盐等对其性能不会造成影响;而乙酸盐、丙酸盐不仅不影响，还可以被AnAOB利用。 如Ca.Brocadiafulgida能够以乙酸作电子供体，Ca.Anammoxoglobuspropionicus可以利用丙酸。总而言之，有机物对Anammox的抑制与促进尚需进一步研究，这对Anammox在主流工艺中的应用具有重要意义。 2.2.2碳氮比的影响 对于全程自养脱氮工艺，在进水C/TN0.5时，可以获得较好的脱氮性能，也有认为0.7为适宜Anammox工艺的C/N。当调节C/N在最佳范围

12、之内时，可以保证系统长期处于稳定状态。但有研究发觉，在较高的C/N条件下也可能实现反应器的启动与正常运行。 F.Persson等在一段式PN/AMBBR反应器中，考察了不同的C/NH4+-N对反应器脱氮性能的影响。结果表明，当进水C/NH4+-N上升至1.12时，脱氮效果显然下降。 但试验也发觉，氮去除负荷并非随着C/NH4+-N的上升而肯定降低，如第2阶段与第1阶段相比，C/NH4+-N升高，但氮去除负荷增强，这可能与进水氨氮浓度足够高或C/NH4+-N尚低，还不足以影响系统的脱氮性能有关。 A.Malovanyy等在1个中试MBBR反应器中发觉了相像的现象，当C/TN由1.19变为2.31

13、时，氮去除效率由35%下降至19%，而当C/TN为1.61时，氮去除效率为40%。这说明在低温、低氨氮浓度的主流条件下，相较于侧流条件C/TN对系统脱氮性能的影响更大。所以，务必尽可能地降低主流污水中有机物含量。 2.2.3碳的去除 碳的去除效果不仅关系到能否为AnAOB营造适合的环境，还会影响能源的回收。在污水处理过程中去除含碳有机物，通常采用的方法有初沉池处理、化学强化初级处理、高负荷活性污泥法或几种方法的联合等。 据文献报道，用高负荷活性污泥法对生活污水举行前处理，可部分去除水中的COD，从而得到低C/TN的出水。以之作为Anammox工艺的进水，能够确保较高的总氮去除效率(80

14、7;4)%。A.Malovanyy等在试验室运行条件下，采用UASB反应器处理城市污水，降低了水中COD的量，出水COD平均为61mg/L。 以此出水作为Anammox为基础工艺的MBBR反应器进水，该反应器稳定运行了21个月。YandongYang等采用强化生物除磷反应器，在低HRT、低SRT的运行条件下，使污水COD从237.5mg/L降至56.1mg/L，保证了后续反应器的处理效果。 2.3溶解氧 在PN/A系统里，一般认为溶解氧(DO)的存在会促进NOB的生长，其与AnAOB竞争底物，从而影响Anammox反应性能。XuemingChen等采用膜生物反应器分离处理模拟主流和侧流含氮废水

15、，发觉随氧表面负荷的增大，NOB的量均增强。但YandongYang等在主流条件下的研究中发觉，保持一定的污泥浓度、适当地上升DO可以提高脱氮性能，当DO由0.15mg/L增至0.3mg/L时，氮去除负荷可提高到0.105kg/(m3d)。另外，污泥的形态不同，对DO的适应能力也不尽相同。在颗粒污泥和生物膜中，好氧菌与厌氧菌会消失分层的状况，即好氧菌分布在外层氧气较多的部分，而厌氧菌分布在相对内层。 主流条件下，水中的FA不足以抑制NOB的活性，特殊是长期处在低氧条件时，NOB对氧的竞争要比AOB强，这也导致系统中更简单产生硝酸盐而非氮气。但E.Isanta等发觉，不同属的NOB对氧的亲和力不

16、同。DO较低时，硝化杆菌的活性弱于AOB，这为NOB的抑制供应了可能。不过，如何在启动阶段使硝化杆菌在菌群内占比最大，需要进一步研究。 2.4系统构成 PN/A工艺的系统构成有一段式和两段式2种，在已投入生产的以PN/A为基础工艺的污水处理厂中，一段式占比近90%，其主要应用于侧流。一段式基建费用低，一氧化氮、一氧化二氮排放量少，可以降低对大气的污染程度。 但一段式的运行通常受到DO和NO2-的影响，DO需控制在较低浓度;NOB消耗NO2-会造成Anammox过程底物不足。两段式是在2个反应器内分离举行短程硝化和Anammox过程，且只对短程硝化段举行曝气，Anammox可以在缺氧条件下运行，

17、避开了NOB竞争NO2-。另外，在处理高氨氮废水时，两段式相对于一段式工艺运行成本较低，可以一定程度上补偿高基建投入。 一段式PN/A在侧流上的应用已日渐成熟，但城市污水主流具有温度低、氨氮浓度低、氮负荷不稳定以及出水水质要求严苛等特征，因此其在主流上的应用将面临更大的挑战。两段式工程上应用相对较少，基建成本偏高等经济因素可能限制其在主流条件下的应用。 3、Anammox在主流处理工艺中的稳定运行 因为AnAOB生长速率比AOB慢，所以在PN/A启动阶段，AnAOB的富集是限制步骤。大多数Anammox工艺的启动是从适合的温度和较高的氨氮浓度条件下开头的，第1座生产规模的厌氧氨氧化污水处理厂的

18、启动进水为厌氧消化液。 在试验室培养中，反应器多接种种泥，运行条件采用阶梯式递减的方式，渐渐稳定地降低温度和氨氮浓度，使AnAOB在不利的运行条件下有较强的活性。对于种泥接种，有研究人员提出了“生态农场”概念，即可以从“农场”中提取部分填料，用以反应器的迅速启动。 Anammox在主流水处理工艺中的稳定运行会受到污泥形态、DO、温度、pH等多种因素的影响。污泥形态不同，会造成微生物种类不同，进而影响主流工艺的稳定运行。T.Lotti等研究发觉，悬浮污泥中AnAOB的量微乎其微，而在颗粒污泥中存在分层结构，即颗粒污泥的外层为AOB等好氧菌，内层包裹着AnAOB。同样，在生物膜上也会由表及里消失分

19、层结构。 此外，悬浮污泥不易在系统中持留，而颗粒污泥、生物膜有利于微生物在体系中的存留。这表明，生物膜和颗粒污泥在主流Anammox应用中更有优势。 值得一提的是，当颗粒污泥粒径400m时，CandidatusJettenia在污泥中占主导地位，说明该属对于脱氮可能有重要的作用。M.Ali等采用凝胶固定法固定微生物，其与颗粒污泥相比，可在短时光内迅速提高氮去除负荷，该方法极大地促进了AnAOB在生理、生化等方面的研究。 DO会促进NOB等异养微生物的增殖，为了维持运行稳定，一方面需对DO举行准确控制，另一方面需淘洗出以絮状形态存在的NOB污泥，在体系中仅留下颗粒形态的AOB、AnAOB，以降低异养微生物对工艺稳定性的影响。 AnAOB在低温条件(10、20)下长期培养后，可以适应这一温度条件，但温度以及pH的变化会对稳定的体系造成冲击。温度影响效应会随温度的降低而更加显然，这表明在低温条件下