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厭氧氨氧化污水處理技術(shù)

  水質(zhì)控制的重要指標(biāo)就是氮含量。在工業(yè)社會(huì)發(fā)展的前提下,水體富氧化問題日益加重。因此,當(dāng)前水處理技術(shù)的研究重點(diǎn)就是對氮污染的控制與治理。傳統(tǒng)廢水處理一般是硝化-反硝化的脫氮工藝,需要外加碳源和堿,不但運(yùn)行費(fèi)用較高,還可能會(huì)造成二次污染,影響脫氮效率。隨著科技的不斷進(jìn)步,研究者逐漸開始關(guān)注新型的生物脫氮技術(shù),厭氧氨氧化(ANAMMOX)技術(shù)以其獨(dú)特的高效低耗的特點(diǎn)應(yīng)運(yùn)而生,并逐漸得以開發(fā)應(yīng)用。

  1、厭氧氨氧化反應(yīng)機(jī)理

  根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者的研究,厭氧氨氧化指的是在厭氧的條件下,以氨氮(NH4+N)為電子供體,亞硝酸氮(NO2-N)為電子受體,以CO2或HCO3-為碳源,通過厭氧氨氧化菌的作用,將氨氮氧化為氮?dú)?N2)的過程。其中,在厭氧氨氧化的過程中,也產(chǎn)生了中間產(chǎn)物聯(lián)氨(N2H4)以及羥氨(NH2OH)。因此,在逐漸完善的研究中,就得到了如下的厭氧氨氧化反應(yīng)公式:

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  根據(jù)反應(yīng)方程式,以及厭氧氨氧化技術(shù)的原理,可以得出:在厭氧氨氧化的反應(yīng)中只對CO2以及HCO3-產(chǎn)生了消耗,并沒有進(jìn)行外加碳源,因此不但能夠有效實(shí)現(xiàn)成本的節(jié)約,也防止了反應(yīng)中產(chǎn)生的二次污染;反應(yīng)過程中幾乎不產(chǎn)生N2O,能夠有效避免傳統(tǒng)脫氮造成的溫室氣體排放;反應(yīng)過程產(chǎn)堿量為零,無需添加中和試劑,并較為環(huán)保。除此以外,該項(xiàng)技術(shù)還具有產(chǎn)泥量少,節(jié)省供氧動(dòng)力消耗等多方面的優(yōu)點(diǎn),具有可持續(xù)開發(fā)利用的意義。

  2、厭氧氨氧化技術(shù)

  厭氧氨氧化污水處理技術(shù)有著諸多方面的優(yōu)勢,經(jīng)過了國內(nèi)外學(xué)者對工藝技術(shù)的不斷深入研究,目前已經(jīng)存在多種形式的厭氧氨氧化技術(shù),其中開發(fā)較為成熟的主要有亞硝化-厭氧氨氧化(SHARON-ANAMMOX)以及完全自養(yǎng)脫氮工藝(CANON)、氧限制自養(yǎng)硝化-反硝化(OLAND)等工藝技術(shù)。

  (1)亞硝化-厭氧氨氧化工藝

  短程硝化-厭氧氨氧化技術(shù)要分兩部分完成,并需要在不同的反應(yīng)器中進(jìn)行。首先是亞硝化部分,能夠?qū)崿F(xiàn)50%左右的氨氮氧化,其次是厭氧氨氧化部分,完成剩余部分的氨氮氧化,并實(shí)現(xiàn)與亞硝化部分新生成的亞硝態(tài)氮進(jìn)行厭氧氨氧化反應(yīng),生成氮?dú)夂拖鯌B(tài)氮。因此,在兩項(xiàng)技術(shù)的并列連用下,就不需要再外加亞硝氮,且在反應(yīng)過程中能有效補(bǔ)償亞硝化堿的消耗,使其達(dá)到堿的自平衡。將兩種菌種分別放置在不同的反應(yīng)器內(nèi),分別產(chǎn)生生物作用,也有利于功能菌的生長,有效減少水中有害物質(zhì)的抑制效應(yīng)。該工藝技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是操作簡單、需氧量低且厭氧環(huán)境好。較之傳統(tǒng)技術(shù),也能有效降低曝氣量,為氨氧化菌的生長提供了舒適的條件。以外,還能有效減少N2O等溫室氣體的排放。該項(xiàng)串聯(lián)技術(shù)目前多用于低碳氮化廢水的處理,在垃圾滲濾液、城鎮(zhèn)污水處理廠等也有較好的處理效果。

  (2)限氧自養(yǎng)硝化-反硝化工藝

  限氧自養(yǎng)硝化-反硝化工藝是一種一步脫除氨氮,無需加入COD的新工藝技術(shù),這是由比利時(shí)某大學(xué)微生物研究室研制開發(fā)的。在低氧的條件下,亞硝酸菌有著較強(qiáng)的溶解氧的親和力,形成了亞硝酸的積累。通常條件下,亞硝酸菌飽和常數(shù)為0.2~0.4mg/L,與硝酸菌(1.2~1.5mg/L)有較大差異。限氧自養(yǎng)硝化-反硝化工藝?yán)眠@種差異性,就容易在較低溫度下實(shí)現(xiàn)對亞硝酸菌的穩(wěn)定積累,淘汰硝酸菌。最后再實(shí)現(xiàn)厭氧氨氧化反應(yīng),產(chǎn)生氮?dú)狻EcSHARON-ANAMMOX工藝相比,OLAND生物脫氮在硝化過程中更能節(jié)省溶解氧消耗,在相對較低的溫度下脫氮效果更好。

  (3)完全自養(yǎng)脫氮工藝

  完全自養(yǎng)脫氮工藝技術(shù)是指通過對同一構(gòu)筑物內(nèi)溶解氧的控制來實(shí)現(xiàn)厭氧氨氧化,氨氮到氮?dú)獾霓D(zhuǎn)化過程都由自養(yǎng)菌完成。其基本原理是氨氮部分被亞硝化細(xì)菌氧化,形成亞硝氮;而剩余部分的氨氮與隨后產(chǎn)生的亞硝氮發(fā)生氧化反應(yīng),就形成了氮?dú)?。在此過程中,由于完全自養(yǎng)脫氮反應(yīng)所需的細(xì)菌都是自養(yǎng)型的細(xì)菌,反應(yīng)過程也是在無機(jī)自養(yǎng)的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)的,因此在反應(yīng)期間無需再添加有機(jī)物。不過此項(xiàng)技術(shù)也容易受到硝酸菌的干擾,為保證其穩(wěn)定運(yùn)行,使厭氧氨氧化菌不受競爭,就需要嚴(yán)格控制反應(yīng)條件和水質(zhì)。因?yàn)橥耆责B(yǎng)脫氮工藝技術(shù)全程自養(yǎng),因此廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室廢水、城市污水等處理。

  3、厭氧氨氧化污水處理的應(yīng)用

  隨著對厭氧氨氧化技術(shù)研究的不斷深入,已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了多種污水處理的實(shí)際應(yīng)用,如市政污泥液、生活污水、廁所水、焦化廢水、味精廢水以及垃圾滲濾液等的處理,并逐漸在其他廢水處理領(lǐng)域得以普及和使用。但目前對于一些制藥、養(yǎng)殖等高氨氮的工業(yè)領(lǐng)域,應(yīng)用厭氧氨氧化技術(shù)進(jìn)行污水處理仍較少,這也是今后需要努力的方向。以下選取幾個(gè)較為典型的厭氧氨氧化污水處理的實(shí)際應(yīng)用效果,供參考。

  (1)污泥液廢水處理

  較為典型的低碳氮比污泥液廢水有污泥消化液以及污泥壓濾液等,溫度多為30℃~37℃,pH值也多在7.0~8.5之間,非常適宜厭氧氨氧化菌的生長。國外學(xué)者對亞硝化-厭氧氨氧化技術(shù)的多次優(yōu)化研究,在2002年就已經(jīng)形成了世界上第一套亞硝化-厭氧氨氧化組合反應(yīng)器,并在Dokhaven污水處理廠正式投入使用。至此,對污泥液采用厭氧氨氧化技術(shù)處理的工程逐漸在歐洲各國得以展開。污泥液水量小、水溫高,有著高氨氮低碳氮比的水質(zhì)特點(diǎn),這也是最初進(jìn)行厭氧氨氧化處理的對象。因此,全球大多數(shù)的厭氧氨氧化工程多由處理污泥液而產(chǎn)生,并已有相當(dāng)成熟的經(jīng)驗(yàn)。但由于技術(shù)條件的限制,仍然存在一定的技術(shù)難題需要在今后的研究和實(shí)踐發(fā)展中解決,例如在厭氧氨氧化過程中產(chǎn)生的硫化物的影響及其減排措施等。

  (2)垃圾滲濾液處理

  垃圾滲濾液的特點(diǎn)是有機(jī)物濃度高、氨氮含量高、水質(zhì)變化大,且容易含有重金屬等有毒物質(zhì),因而是一種成分較為復(fù)雜的污水。集中的氨氮濃度一般為2000mg/L,隨著垃圾堆放時(shí)間的增長還會(huì)越來越高。有學(xué)者對廢物填埋場滲濾液進(jìn)行研究時(shí),發(fā)現(xiàn)了滲濾液中厭氧氨缺失的現(xiàn)象,才使得對其進(jìn)行厭氧氨氧化技術(shù)處理成為一種可能。從當(dāng)前對垃圾滲濾液進(jìn)行厭氧氨氧化技術(shù)處理的研究來看,多為采用的是亞硝化-厭氧氨氧化工藝,一些新的組合技術(shù)也得到了嘗試,但由于其中含有較多的有毒物質(zhì),很容易使厭氧氨氧化的活性受到抑制。為有效穩(wěn)定其運(yùn)行性能,還需要對滲濾液中的微生物、菌群等進(jìn)行抑制和有效調(diào)控,相關(guān)的技術(shù)也需要不斷研究和優(yōu)化。

  (3)城市生活污水處理

  隨著近年來我國城市化進(jìn)程的不斷加快,城市污水處理行業(yè)的壓力也越來越大。要增強(qiáng)污水處理的效益,實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展,就需要實(shí)現(xiàn)城市污水的再利用,有效實(shí)現(xiàn)能源的循環(huán)回收,這已成為當(dāng)前的污水處理研究的重要課題。城市生活污水中含有有機(jī)碳、磷酸鹽以及氨氮等眾多能量,正符合自養(yǎng)型的脫氮技術(shù)的處理?xiàng)l件,因而有望實(shí)現(xiàn)污水廠的能源自給。但是對于較低水溫(8℃~15℃)的城市來說,尤其是冬季,用厭氧氨氧化工藝進(jìn)行城市污水處理仍是較大的挑戰(zhàn)。雖然國外的相關(guān)學(xué)者(如Lotti等)對于這方面已有了突破性研究,對于中試(4m3,19℃±1℃)的階段性研究也有所進(jìn)展,有望實(shí)現(xiàn)污水處理廠的能源自給,但在實(shí)際技術(shù)工程應(yīng)用的過程中,仍存在諸如低溫條件下如何提高菌性活體、如何實(shí)現(xiàn)全體擴(kuò)增等問題,需要在未來的研究發(fā)展中有所突破,才能使其在處理城市污水中得以更好地運(yùn)用。

  (4)畜禽養(yǎng)殖污水處理

  該類污水的特點(diǎn)是COD濃度高、成分復(fù)雜且水質(zhì)波動(dòng)大,還存在一定的有機(jī)氮。使用傳統(tǒng)的脫氮技術(shù)進(jìn)行畜禽養(yǎng)殖污水處理時(shí),不僅能耗高,還需要加補(bǔ)碳源,脫氮效果也不理想。而現(xiàn)代的厭氧氨氧化工藝有著傳統(tǒng)技術(shù)沒有的優(yōu)勢,有望成為處理該類廢水的備選工藝技術(shù)。當(dāng)前在對豬場廢水厭氧處理的研究中,還存在著運(yùn)行尚不穩(wěn)定的問題,需要進(jìn)一步優(yōu)化工藝,找到消除影響厭氧氨氧化菌生長障礙的對策,才能發(fā)揮其在畜禽養(yǎng)殖污水處理領(lǐng)域的最佳效能。

  4、結(jié)語

  應(yīng)用厭氧氨氧化技術(shù)進(jìn)行污水處理,較之傳統(tǒng)的脫氮技術(shù)來說,既節(jié)約成本又節(jié)能降耗,存在諸多優(yōu)勢特點(diǎn),也有著廣闊的發(fā)展前景。在實(shí)際應(yīng)用的過程中,污水中的氮素多以有機(jī)氮、氨氮等形態(tài)存在,因此當(dāng)前階段如何為厭氧氨氧化技術(shù)提供穩(wěn)定的NO2- >

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