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厌氧氨氧化是公认的未来脱氮新技术,国内外对厌氧氨氧化的研究也有增无减,尤其是污水占比最大的市政污水,但是为什么到目前为止,并没有出现真正可以普遍适用的厌氧的氨氧化技术,本文将简单直白的介绍一下厌氧氨氧化的应用。
1、厌氧氨氧化的原理
Anammox是在无氧条件下,以氨为电子供体、亚硝酸为电子受体,产生氮气和硝酸的生物反应。Anammox包括两个过程:一是分解(产能)代谢,即以氨为电子供体,亚硝酸盐为电子受体,两者以1:1的比例反应生成氮气,并把产生的能量以ATP的形式储存起来;二是合成代谢,即以亚硝酸盐为电子受体提供还原力,利用碳源二氧化碳以及分解代谢产生的ATP合成细胞物质,并在这一过程中产生硝酸盐。厌氧氨氧化菌 (Anaerobic ammonia oxidation bacteria, AnAOB) 是厌氧氨氧化的实施者。
NH4++ NO2-= N2+ 2H2O,ΔG=-358kg/mol
厌氧氨氧化的发生进程主要分为两大步:“第一个过程是部分亚硝化(Partial Nitritation),在这个过程中只有大约55%的氨氮需要转化为亚硝酸盐氮;第二个过程是厌氧氨氧化(Anammox),氨氮在厌氧条件下,被亚硝酸氮作为电子受体,氧化成氮气。因此它也被称作PN/A工艺。
在这过程中,大约89%的无机氮都将被转化产生氮气,另外11%的无机氮被转化为硝酸盐氮,与传统硝化反硝化工艺相比,厌氧氨氧化工艺有着巨大的技术优势,其曝气能耗只有传统工艺的55-60%;该工艺几乎无需碳源,如果为了去除硝酸盐产物需要在厌氧氨氧化过程中投加碳源,其投加量也比传统工艺中碳源投加量降低90%;厌氧氨氧化工艺可以减少45%碱度消耗量。同时,厌氧氨氧化工艺的污泥产量也远低于传统脱氮工艺,这将显著降低剩余污泥的处理和处置成本。
厌氧氨氧化在市政污水应用的难点
在全球范围内的厌氧氨氧化工程统计中,75%的项目是处理污泥消化液。消化污泥脱水液水质水量特点非常适合厌氧氨氧化工艺。正是因为消化液上述特点,工程主要用于污泥消化液的高温高浓度氨氮废水处理(35 ℃,NH4-N> 1000 mg/L),如今工程界都将目光投到主流厌氧氨氧化上。市政污水的氨氮浓度约为15-50mg/L,水温为8-25℃。面对这样的条件,anammox菌的活性一般会下降。在主流污水处理系统中为anammox菌创造合适的生存条件是目前需要解决的挑战,包括了anammox和AOB菌(氨氮化菌,将氨氮转化成亚硝酸盐)的富集,以及NOB菌(亚硝酸盐氧化菌,将亚硝酸盐转化成硝酸盐)的抑制等。
1、温度
微生物的代谢活性很大程度上受到温度的影响。前期的研究结果表明,35℃是Anammox 菌生物代谢最快,并且繁殖周期最短的最适温度。然而,大多数实际城市污水的水温较低(10~ 25℃),尤其是一些高纬度如我国北方地区,废水温度常低于10℃。Anammox 在这些地区的应用效果及稳定性是一个巨大的挑战。
城市污水主流温度一般为 10~20 ℃左右, 低于AnAOB(25~40 ℃)生长的最适宜温度, 这会影响Anammox 的性能。
2、有机物的影响
污水中含有的COD 有助于异养反硝化菌的生长并对Anammox 过程形成抑制,只有当COD 被前者消耗至较低水平时Anammox 过程才有可能占主导。这一问题在高强度城市污水的处理中尤为突出。Winkler等通过研究指出,在25℃环境下,如果原水的C/N <0.5,则Anammox 与异养反硝化过程可以和谐共存,不会导致脱氮效果下降。
3、短程硝化的稳定性
应用Anammox工艺时,必须在主流条件下尽可能降低NOB活性,使亚硝酸盐累计,硝化系统处于短程硝化的状态,这是确保Anammox 过程正常进行的基础并直接关系到其处理效果。上述目标可以通过游离氨的控制来实现。所以,这就是为什么厌氧氨氧化主要应用到高氨氮废水中,因为高氨氮废水中的游离氨可以抑制NOB,在控制条件合适的情况下使系统维持短程硝化状态。而市政污水中,短程硝化的稳定性受温度、氨氮的影响没有办法做到稳定运行!在 PN/A 工艺中,短程硝化段也会受到温度的影响,这是因为AOB 在低温条件下活性会受到抑制,降低氨氮的转化率,并且AOB的活化能高于 NOB,导致 NO2-的积累不足,无法为Anammox 反应提供足够的底物。
市政污水应用的新模式:膜法
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似乎,膜法成为了厌氧氨氧化的主流配置,笔者颜胖子在最近2年内接触到实现厌氧氨氧化运行的案例有几个,不过都是通过膜法来实现的,而且都是高浓度的氨氮废水,填料解决的厌氧氨氧化细菌富集的问题,如果厌氧氨氧化膜法能够在市政污水中普遍适应,应该是一个突破性的污水处理新技术!
(参考文献:李桂凤, 黄宝成, 汪彩华,等. 厌氧氨氧化技术应用于主流城市污水处理的研究进展[J]. 生物产业技术, 2019, 000(002):65-74.)
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