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新加坡这样一个国土面积有限、极度缺乏淡水资源的国家却在全球越来越多国家面临水危机的背景下发展出这样一个奇迹般的现代水故事,不仅能基本实现水资源的自给自足,还成为了全球的水务中心,新加坡传奇的水故事也被誉为新加坡的国家品牌。新加坡在水资源管理和水行业发展方面的成就在举世瞩目,它的经验对于水资源管理和水环境改善愈发迫切的中国来说,具有尤其珍贵的的借鉴意义。因此,研究院将新加坡作为一个重点的研究对象,持续的调研与跟踪,期望从中找到中国水处理产业通向未来的道路。
新加坡污水处理正在迈向能量自给
1、厌氧氨氧化的原理和反应过程
最初,人们认为氮在厌氧条件下发生氧化是不可行的,因为人们无法用合理的生物学基础理论来解释这样的反应。直到1990年,ArnoldMulder的发现才改变了这一观点。Mulder是Deflt理工大学Kuenen教授指导的学生。Mulder等人发现,生物脱氮流化床反应器除了进行人们所熟知的反硝化外,还进行这人们未知的某个反应使氨消失了。进一步观察发现,除了氨不明去向外,硝酸盐和亚硝酸盐也有一半以上不明去向。而且伴随着氨与硝酸盐的消失,产气率大幅度提高,气体中的最主要成分是氮气。Mulder的反应器进水采用的是一个产甲烷反应器的出水,水中含有铵、硫化物、硝酸盐和其他化合物,其中硝酸盐来自一个采用硝化工艺污水处理厂的出水。这一反应过程被命名为“厌氧氨氧化(Anammox)”。厌氧氨氧化工艺首次呈现于公众面前是在第五届生物技术欧洲论坛上。
传统硝化反硝化工艺中,氨氮在自养菌的作用下首先被氧化为亚硝酸盐氮,然后被氧化为硝酸盐氮,这是硝化过程;在反硝化过程中,硝酸盐氮在异养菌的作用下,在缺氧环境中消耗碳源被转换为氮气。在短程硝化反硝化过程中,氨氮只被氧化到亚硝酸盐氮为止,然后亚硝酸盐氮在自养菌的作用下还原为氮气。
厌氧氨氧化(Deammonification)是指在厌氧或者缺氧条件下,厌氧氨氧化微生物以NO-2-N为电子受体,氧化NH+4-N为氮气的生物过程。厌氧氨氧化反应的基质为NH+4-N和NO-2-N,由于废水中的氮素主要以氨氮形态存在,所以厌氧氨氧化工艺需与短程硝化工艺组合,才能实现脱氮。
第一个过程是亚硝化反应,是指在氨氧化菌(AmmoniaOxidizingBacteria,AOB)的作用下,NH+4-N被氧化为NO-2-N的好氧氧化过程,在这个过程中只有大约55%的氨氮需要转化为亚硝酸,这个过程也被称为部分亚硝化反应。接下来第二个过程是厌氧氨氧化(anaerobicammoniumoxidation,Anammox)反应过程,氨氮在厌氧条件下,被厌氧氨氧化菌氧化,其中第一过程中产生的亚硝酸盐氮作为电子受体。整个过程中,大约89%的无机氮都将被转化产生N2,另外11%的无机氮被转化为硝酸盐氮。
厌氧氨氧化工艺有着比短程硝化-反硝化更为优越的特点,与传统硝化反硝化工艺相比,厌氧氨氧化工艺在供氧量、耗碱量、碳源需求量以及剩余污泥产生量方面具有以下特点:
1)氨去除率可达90~95%,总氮去除率可达80~85%。
2)曝气耗能只有传统工艺的55~60%。
3)不需要外加投入碳源。即使为了去除硝酸盐产物,而需要在厌氧氨氧化过程中投加碳源,其碳源投加量也不到传统工艺中碳源投加量的90%。
4)减少温室气体排放量。相比传统硝化/反硝化脱氮过程中异养菌会释放CO2的现象,厌氧氨氧化则是一个消耗CO2的过程。
5)碱度消耗量减少45%左右。大多数厌氧出水含有以重碳酸盐存在的碱度可以补偿亚硝化所造成的碱度消耗,实现工艺碱度自平衡。
6)污泥产量也远低于硝化反硝化工艺,这将大大降低剩余污泥的处理和处置成本。
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