探討改進(jìn)AB工藝以達(dá)到優(yōu)化脫氮的研究
摘 要：結(jié)合傳統(tǒng)的AB工藝運(yùn)行方式對(duì)新近發(fā)現(xiàn)的亞硝酸鹽型硝化和ANAMMOX工藝加以改進(jìn)，在減少能源(外加碳源和氧氣)消耗的同時(shí)產(chǎn)生了甲烷，減少了占地面積，提高了廢水處理系統(tǒng)的脫氮除磷效率。
1 AB工藝的缺點(diǎn)
傳統(tǒng)的AB工藝運(yùn)行時(shí)部分氨氮、磷和COD一起被A段快速生長(zhǎng)的微生物通過(guò)吸附作用帶入A段剩余污泥中，進(jìn)入B段的廢水中COD含量少、氨氮約10～30mg/L，另外A段污泥經(jīng)消化處理后產(chǎn)生具有較高氨氮含量的濃縮液(一般為0.5～1.5kgN/L)，總體上BOD5/TN很難達(dá)到反硝化對(duì)碳源的需求水平而成為AB工藝在脫氮過(guò)程中遇到的障礙。因此，傳統(tǒng)AB工藝在脫氮除磷時(shí)必須采取控制A段的COD去除率，或在反硝化段添加碳源并增加B段硝化運(yùn)行級(jí)數(shù)和控制硝化液回流量等煩瑣措施才能實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。
2 ANAMMOX工藝和短程硝化
2.1 ANAMMOX工藝
氨氮厭氧氧化(ANAMMOX)是1995年荷蘭Delft技術(shù)大學(xué)Mulder等在研究生物反硝化時(shí)發(fā)現(xiàn)氨氮和硝酸鹽同時(shí)消失的現(xiàn)象后開發(fā)的一種新的處理工藝。研究表明，化能自養(yǎng)型細(xì)菌可以在無(wú)分子態(tài)氧的條件下以CO2(CO32-)作為碳源、NO2-為電子受體、NH4+作為電子供體，將NH4+和NO2-共同轉(zhuǎn)化為N2。[HJ]這一反應(yīng)過(guò)程的發(fā)現(xiàn)為利用生物法處理高氨、低BOD的廢水找到了一條最優(yōu)的途徑。理論上利用這一原理將比傳統(tǒng)工藝節(jié)省62.5%的O2［如式(1)、(2)所示］,同時(shí)不需任何外加堿度和有機(jī)物(反硝化菌的碳源和電子供體)。ANAMMOX反應(yīng)過(guò)程如式(3)，該反應(yīng)是一個(gè)自發(fā)的過(guò)程。
傳統(tǒng)脫氮過(guò)程：
NH4++2O2+0.83CH3OH→0.5N2+
3.17H2O+H++0.83CO2(1)
亞硝酸鹽型硝化+氨的厭氧氧化過(guò)程：
NH4++0.75O2→0.5N2+1.5H2O+H+(2)
NH4++NO2-→N2+2H2O(ΔG＝-358kJ/mol)(3)
該反應(yīng)的微生物屬自養(yǎng)型厭氧細(xì)菌，生長(zhǎng)速率非常低，但將氨氮厭氧轉(zhuǎn)化能力非常高，可以達(dá)到4.8kgTN/(m3·d)，最佳運(yùn)行條件：溫度為10～43℃，pH值為6.7～8.3。
2.2 短程硝化工藝
如何使反應(yīng)控制在亞硝酸型硝化階段(即實(shí)現(xiàn)短程硝化)是本項(xiàng)工藝改進(jìn)的關(guān)鍵，以下介紹幾種實(shí)現(xiàn)的方法：
① 由于氨和亞硝酸是具有毒性的化合物，pH值的稍微改變就可能對(duì)這些化合物的濃度產(chǎn)生相當(dāng)大的影響，改變pH值在最初確實(shí)可以使硝化作用朝著亞硝酸鹽方向進(jìn)行，一般亞硝酸鹽型硝化的最佳pH值為7.4～8.3；
② 在高溫下亞硝酸鹽氧化菌比氨氮氧化菌世代期短、生長(zhǎng)速率慢，因此通過(guò)縮短污泥齡在35℃可以獲得穩(wěn)定的部分硝化過(guò)程；
③DO在0.5mg/L以下時(shí)利用生物膜或活性污泥中的亞硝酸鹽氧化菌和自養(yǎng)型氨厭氧氧化菌的氧親和力差異及物質(zhì)傳輸?shù)南拗，就?huì)有選擇性地限制亞硝酸鹽氧化菌的生長(zhǎng)，這可以通過(guò)控制生物膜厚度和在絮體內(nèi)、外部創(chuàng)造缺氧、好氧條件或通過(guò)SBR法的好氧與缺氧之間的快速循環(huán)而獲得；
SHARON工藝就是利用方法②實(shí)現(xiàn)的，即在一個(gè)單一反應(yīng)器內(nèi)通過(guò)亞硝酸鹽去除高濃度氨氮，而通過(guò)方法③可以形成OLAND形式的亞硝酸鹽型硝化，其反應(yīng)見(jiàn)式(4)。
NH4++1.5O2→NO2-+H2O+2H+(ΔG=-260.2 kJ/mol)(4)
研究表明，亞硝酸鹽型硝化系統(tǒng)中富集的自養(yǎng)型氨厭氧氧化菌可以適應(yīng)高濃度的亞硝酸鹽(＞1g/L，pH值為7)，該工藝非常適合高濃度氨氮廢水(＞0.5g/L)的脫氮。
3 AB工藝改進(jìn)設(shè)想及優(yōu)點(diǎn)
3.1 改進(jìn)設(shè)想
將現(xiàn)有的AB工藝進(jìn)行改進(jìn)，利用SHARON或OLAND過(guò)程與氨氮厭氧氧化的ANAMMOX聯(lián)合實(shí)現(xiàn)脫氮，這種工藝在減少基建投資和運(yùn)行成本的同時(shí)還能保證穩(wěn)定、高效的脫氮除磷效果 。
3.2 可行性
A段產(chǎn)生的污泥含有大量有機(jī)物(吸附的BOD)、氨氮和磷，經(jīng)厭氧消化處理后有機(jī)物以甲烷的形式回收利用，厭氧釋放的含氨氮、磷上清液在進(jìn)入亞硝酸鹽硝化反應(yīng)器前經(jīng)過(guò)一道化學(xué)除磷過(guò)程之后進(jìn)入亞硝酸鹽硝化段。自養(yǎng)型氨厭氧氧化菌具有相對(duì)較低的氨氮親和力，因此在處理氨氮濃度＞500g/m3的高溫廢水時(shí)出水中還會(huì)剩余一定量的氨氮，這為氨氮與亞硝酸鹽以1∶1進(jìn)入ANAMMOX段提供了非常好的條件。ANAMMOX中自養(yǎng)型氨厭氧氧化菌以NO2-為電子受體、氨氮為電子供體、CO2或HCO3-為碳源，最終將NO2-和氨氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)狻＿@一過(guò)程無(wú)論在理論和實(shí)踐上都是可行的。
3.3 改進(jìn)工藝的優(yōu)點(diǎn)
改進(jìn)后的AB工藝除具有傳統(tǒng)AB工藝的特點(diǎn)外，還增加了以下優(yōu)點(diǎn)：
① 整個(gè)過(guò)程需要更少的供氧量(理論上減少了62.5%)；
② 不需要外加碳源(BOD)，從根本上解決了現(xiàn)有的污水處理廠普遍因碳源不足而脫氮除磷效率低的問(wèn)題；
③ 污泥消化性能好，A段吸附的COD經(jīng)污泥消化轉(zhuǎn)化為甲烷(0.5kg甲烷/kgCOD)，并且由于ANAMMOX微生物世代期長(zhǎng)而從總體上減少了剩余污泥產(chǎn)量；
④ 通過(guò)A段吸附的有機(jī)物在污泥厭氧消化中提供短鏈脂肪酸強(qiáng)化了污泥釋磷的效果，結(jié)合后續(xù)的化學(xué)除磷過(guò)程使廢水中磷的去除更徹底；
⑤ ANAMMOX段氮的轉(zhuǎn)化率可達(dá)到0.25kgN/(kgSS·d)，是傳統(tǒng)活性污泥反硝化速率［0.012kgTN/(kgSS·d)］的20倍，大大提高了脫氮效率；
⑥ 由于負(fù)荷高，水力停留時(shí)間短，節(jié)省了占地面積和基建投資并實(shí)現(xiàn)了污水與污泥消化滲濾液一同高效處理，是城市污水處理廠未來(lái)處理工藝發(fā)展的新方向。
4 工藝改進(jìn)的研究要點(diǎn)
4.1 氨氮和亞硝酸鹽量的合理搭配
ANAMMOX中所需的氨氮和亞硝酸鹽的最佳比例是脫氮的關(guān)鍵，實(shí)驗(yàn)表明，ANAMMOX污泥可以有效地從污泥消化出水中去除氨氮和亞硝酸鹽(見(jiàn)表1)，但在實(shí)際工程中受溫度、堿度、溶解氧等環(huán)境條件影響時(shí)如何控制亞硝酸鹽硝化段的氨氮轉(zhuǎn)化率是實(shí)現(xiàn)完全脫氮的關(guān)鍵。
4.2 pH值的有效調(diào)控
亞硝酸鹽硝化段的最佳pH值為7.4～8.3，在氨氮氧化為亞硝酸鹽的過(guò)程中每氧化1mol的氨氮可產(chǎn)生2mg/L的氫離子［見(jiàn)式(2)］使出水pH值降低。如果50%的氨氮被轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽，則對(duì)于大多數(shù)污泥厭氧消化出水中以碳酸氫鹽形式存在的堿度足以彌補(bǔ)酸的產(chǎn)生，不需要添加額外的堿。因此，如何在最佳pH值內(nèi)提高氨氮的轉(zhuǎn)化率是研究的關(guān)鍵。
表1 SHARON和ANAMMOX相結(jié)合去除氮的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 mg/L
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4.3 短程硝化的運(yùn)行方式
除了SHARON方式外還可以通過(guò)合理控制溶解氧的生物膜反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)亞硝酸鹽蓄積形式，即OLAND工藝。此工藝受低溫影響小且可以實(shí)現(xiàn)氨氮的部分硝化和污泥的消化一體化，但是如何合理控制這一系統(tǒng)的溶解氧、絮體尺寸等因素使氨氮和亞硝酸鹽按照最佳比例進(jìn)入ANAMMOX工藝，同樣是研究和實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵。
4.4 ANAMMOX工藝的運(yùn)行方式
自養(yǎng)型氨厭氧氧化菌生長(zhǎng)慢，啟動(dòng)時(shí)間非常長(zhǎng)，為使ANAMMOX污泥保留在反應(yīng)器中并得到足夠的生物量，需要有效的污泥截留(由此建議用生物膜反應(yīng)器)。另外ANAMMOX過(guò)程的營(yíng)養(yǎng)需求，是否出現(xiàn)羥胺、肼類化合物，二氧化氮等代謝中間產(chǎn)[HJ]物和二次污染問(wèn)題等都是新工藝實(shí)際運(yùn)行中要解決的問(wèn)題。
5 結(jié)語(yǔ)
結(jié)合傳統(tǒng)的AB工藝運(yùn)行方式對(duì)新近發(fā)現(xiàn)的亞硝酸鹽型硝化和ANAMMOX工藝加以改進(jìn)，在減少能源(外加碳源和氧氣)消耗的同時(shí)產(chǎn)生了甲烷，減少了占地面積，提高了廢水處理系統(tǒng)的脫氮除磷效率。
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