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厭氧氨氧化污水處理技術及實際應用

發布時間:2019-06-29 09:22人氣:

水質控制的重要指標就是氮含量。在工業社會發展的前提下, 水體富氧化問題日益加重。因此, 當前水處理技術的研究重點就是對氮污染的控制與治理。傳統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, 不但運行費用較高, 還可能會造成二次污染, 影響脫氮效率。

隨著科技的不斷進步, 研究者逐漸開始關注新型的生物脫氮技術, 厭氧氨氧化 (ANAMMOX) 技術以其獨特的高效低耗的特點應運而生, 并逐漸得以開發應用。本文根據筆者工作實踐,對厭氧氨氧化污水處理技術及實際應用進行了分析和探討。

1 厭氧氨氧化反應機理

根據國內外相關學者的研究, 厭氧氨氧化指的是在厭氧的條件下, 以氨氮 (NH4N) 為電子供體, 亞硝酸氮 (NO2N) 為電子受體, 以CO2或HCO3為碳源, 通過厭氧氨氧化菌的作用, 將氨氮氧化為氮氣 (N2) 的過程。其中, 在厭氧氨氧化的過程中, 也產生了中間產物聯氨 (N2H4) 以及羥氨 (NH2OH) 。在厭氧氨氧化的反應中只對CO2以及HCO3產生了消耗, 并沒有進行外加碳源, 因此不但能夠有效實現成本的節約, 也防止了反應中產生的二次污染;反應過程中幾乎不產生N2O, 能夠有效避免傳統脫氮造成的溫室氣體排放;反應過程產堿量為零, 無需添加中和試劑, 并較為環保。

2.影響厭氧氨氧化的主要因子

Anammox菌生長相對緩慢,倍增時間為11~29d,且對周圍環境要求很高,周圍環境的波動對Anammox效果有嚴重的影響。因此,如何選擇和控制Anammox菌影響因素,對于快速和穩定培育Anammox菌,具有非常重要的意義。

2.1溫度對厭氧氨氧化的影響

溫度能顯著影響Anammox活性,在合適的溫度范圍內Anammox菌才會表現出較好的反應活性,提高反應器的運行效能。溫度在26~37°C之間變化時,氮去除速率在1.51~1.84kg/(m3•d),當溫度低于20°C時,反應器氮去除會快速下降,特別是當溫度低于15°C時,反應器氮去除速率下降至0.55kg/(m3•d),從而抑制Anammox反應。對其進行線性擬合發現,低于20°C時溫度與氮去除速率具有明顯的線性關系。

2.2pH對厭氧氨氧化的影響

在Anammox過程中,pH是一個非常重要的環境參數,它不僅能直接影響Anammox菌,還能通過影響氨和亞硝酸的有效性而間接影響反應活性,在多項研究中表明,pH對Anammox活性有重要的影響。pH值和有機物對Anammox反應器的影響顯著,在(20±1)°C下,Anammox反應的最適pH值為6.7~8.5。當pH值<6.7或>8.5時,將導致游離氨(FA)和游離亞硝酸(FNA)的濃度分別高于8.93mg/L和2.67×10-2mg/L,抑制Anammox反應。

2.3溶解氧對厭氧氨氧化的影響

Anammox菌為厭氧菌,因此,氧氣的存在極易影響Anammox菌活性。保持反應器內厭氧環境對Anammox反應極為重要,不容忽視。通過改變進水堿度、光照條件和溶解氧,發現水力停留時間為1.5h條件下,當進水DO小于3mg/L時,平均氨氮去除率和亞硝氮去除率分別為99.7%和100%,平均總氮去除負荷為1.0kg/(m3•d)。溶解氧會使Anammox活性受到抑制,在溶解氧去除后Anammox活性可以得到恢復。

2.4基質濃度對厭氧氨氧化的影響

Anammox反應是氨氮和亞硝酸鹽的生物反應,一般來說,亞硝酸鹽既是Anammox的必備物質,同時也是Anammox的限制性基質,甚至是毒性物質。當亞硝酸鹽的含量超過一定限度后,亞硝酸鹽會抑制Anammox活性,影響正常的生長與代謝。

當處理人工配水時,在中低進水濃度下(NO2--N≤400mg/L),與改進式連續進水方式相比,宜采用一次性進水方式運行;在高進水濃度下(NO2--N≥400mg/L)改進式連續進水方式比一次性進水方式優勢明顯。

2.5有機物對厭氧氨氧化的影響

有機物對Anammox既有促進作用,同時也會抑制Anammox的活性。促進作用主要是特定的有機物可作為能源被Anammox所利用,維持Anammox的生理代謝,同時也能調節碳氮比,使Anammox和反硝化耦合;抑制作用主要表現在有機物的存在會增強異樣菌的活性,使其與Anammox菌爭奪電子受體亞硝酸鹽。

3 厭氧氨氧化污水處理的應用

隨著對厭氧氨氧化技術研究的不斷深入, 已經成功實現了多種污水處理的實際應用, 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域得以普及和使用。

但目前對于一些制藥、養殖等高氨氮的工業領域, 應用厭氧氨氧化技術進行污水處理仍較少, 這也是今后需要努力的方向。以下選取幾個較為典型的厭氧氨氧化污水處理的實際應用效果, 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30℃~37℃, p H值也多在7.0~8.5之間, 非常適宜厭氧氨氧化菌的生長。國外學者對亞硝化-厭氧氨氧化技術的多次優化研究, 在2002年就已經形成了世界上第一套亞硝化-厭氧氨氧化組合反應器, 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處理的工程逐漸在歐洲各國得以展開。

(2) 垃圾滲濾液處理

垃圾滲濾液的特點是有機物濃度高、氨氮含量高、水質變化大, 且容易含有重金屬等有毒物質, 因而是一種成分較為復雜的污水。集中的氨氮濃度一般為2000mg/L, 隨著垃圾堆放時間的增長還會越來越高。有學者對廢物填埋場滲濾液進行研究時, 發現了滲濾液中厭氧氨缺失的現象, 才使得對其進行厭氧氨氧化技術處理成為一種可能。

(3) 城市生活污水處理

隨著近年來我國城市化進程的不斷加快, 城市污水處理行業的壓力也越來越大。要增強污水處理的效益, 實現可持續發展, 就需要實現城市污水的再利用, 有效實現能源的循環回收, 這已成為當前的污水處理研究的重要課題。

城市生活污水中含有有機碳、磷酸鹽以及氨氮等眾多能量, 正符合自養型的脫氮技術的處理條件, 因而有望實現污水廠的能源自給。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行城市污水處理仍是較大的挑戰。

雖然國外的相關學者 (如Lotti等)對于這方面已有了突破性研究, 對于中試 (4m, 19℃±1℃) 的階段性研究也有所進展, 有望實現污水處理廠的能源自給, 但在實際技術工程應用的過程中, 仍存在諸如低溫條件下如何提高菌性活體、如何實現全體擴增等問題, 需要在未來的研究發展中有所突破, 才能使其在處理城市污水中得以更好地運用。

(4) 畜禽養殖污水處理

該類污水的特點是COD濃度高、成分復雜且水質波動大, 還存在一定的有機氮。使用傳統的脫氮技術進行畜禽養殖污水處理時, 不僅能耗高, 還需要加補碳源, 脫氮效果也不理想。而現代的厭氧氨氧化工藝有著傳統技術沒有的優勢, 有望成為處理該類廢水的備選工藝技術。

當前在對豬場廢水厭氧處理的研究中, 還存在著運行尚不穩定的問題, 需要進一步優化工藝, 找到消除影響厭氧氨氧化菌生長障礙的對策, 才能發揮其在畜禽養殖污水處理領域的最佳效能。

4 結語

當前階段國內對厭氧氨氧化工程運行的條件以及啟動的時間等方面的研究, 相對來說還不太夠, 需要在未來的實踐過程中進一步研究其影響因素, 以縮短啟動時間, 實現厭氧氨氧化污水處理技術的廣泛應用。

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