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厭氧氨氧化污水處理技術(shù)

來(lái)源:建樹(shù)環(huán)保 2023-03-17 13:35:30 1596

1、厭氧氨氧化概述

厭氧氨氧化(Anammox),即厭氧氨氧化菌,一種自養(yǎng)型的細(xì)菌,厭氧氨氧化生物在缺氧或厭氧的環(huán)境條件下,分別將氨、亞硝酸鹽作為無(wú)機(jī)碳源固定的電子供體和厭氧氨氧化反應(yīng)的受體,產(chǎn)生無(wú)色無(wú)味、性質(zhì)穩(wěn)定的氮?dú)猓∟2)和硝酸鹽的生物過(guò)程,其化學(xué)計(jì)量學(xué)方程式為:1.32NOˉ2+0.12H++NH+4+0.066HCOˉ3→0.26NOˉ3+1.0N2+2.03H2O+0.066CH2O0.5N0.15,該方程式還囊括了分解代謝反應(yīng)和合成代謝反應(yīng)。

與傳統(tǒng)工藝相比,厭氧氨氧化工藝是一種比較高效、經(jīng)濟(jì)的自養(yǎng)型生物脫氮工藝,不需要供氧和有機(jī)碳源,產(chǎn)生污泥的比率比較低,投資少,工藝成本費(fèi)用較低,能夠最大限度減少氧氣量、有機(jī)碳源、運(yùn)行費(fèi)用和曝氣量等的消耗,轉(zhuǎn)變現(xiàn)階段我國(guó)污水處理難、能耗高、污泥量大等問(wèn)題,最為關(guān)鍵的是,不會(huì)對(duì)水資源環(huán)境產(chǎn)生二次污染。

2、厭氧氨氧化的主要影響因子

近年來(lái),厭氧氨氧化工藝在實(shí)際中的應(yīng)用范圍和規(guī)模愈加廣泛,在亞歐十多個(gè)國(guó)家中得到廣泛的應(yīng)用,并取得了較好的成效。但國(guó)內(nèi)厭氧氨氧化工藝的研究相對(duì)較晚,受許多干擾因素的影響,厭氧氨氧化反應(yīng)也受到影響和限制,工藝手段還有待加強(qiáng),存在著一定的局限性。

2.1 溫度

溫度的高低會(huì)對(duì)酶的活性產(chǎn)生直接有效的影響,是影響污水細(xì)菌新陳代謝的重要影響因子。酶是微生物中的主要因素,其活性關(guān)系著微生物中的新陳代謝功能,一定程度會(huì)對(duì)厭氧氨氧化工藝的脫氮效果造成影響。有實(shí)驗(yàn)研究表明,溫度的高低與厭氧氨氧化的反應(yīng)效率具有顯著的影響效果,諸多學(xué)者眾說(shuō)紛紜,有認(rèn)為最佳溫度為30℃的、40℃的、45℃的,但經(jīng)研究表明,18℃的低溫環(huán)境下都有可能啟動(dòng)厭氧氨氧化反應(yīng),而當(dāng)處于35~40℃的時(shí)候,厭氧氨氧化的活性最大,是最適宜發(fā)生厭氧氨氧化反應(yīng)的溫度值。

2.2 PH值

在水中,pH值影響著厭氧氨氧化的效果,廢水中的硝態(tài)氮和硝基氮會(huì)在水中發(fā)生離解反應(yīng)。不同學(xué)者認(rèn)為厭氧氨氧化最適宜的pH值不同,有7.5~8.0、7.61、6.5~7.8等各種pH值推算結(jié)果,但根據(jù)pH值在AAOB反應(yīng)器啟動(dòng)條件和污泥接種差異水平展開(kāi)的研究中得出,不同pH值對(duì)厭氧氨氧化的影響程度大小不盡相同,但通過(guò)綜合匯總得知,pH值在7~8左右是最適宜發(fā)生厭氧氨氧化作用的,這也是能夠?yàn)閷W(xué)者普遍接受的。

2.3 底物濃度及其他影響因素

硝態(tài)氮、硝基氮、氨氮和亞硝酸鹽氮等是廢水中厭氧氨氧化反應(yīng)的限制性底物,有研究已經(jīng)證明,這些底物對(duì)細(xì)胞的毒害作用尤為劇烈,比率的高低影響著厭氧氨氧化工藝的去氮效率,一定濃度比率有利于進(jìn)行厭氧氨氧化反應(yīng),提高除氮的效果。

此外,厭氧氨氧化菌是一種典型的嚴(yán)格厭氧菌,容易受到溶解氧的影響和抑制,在0.005的氧氣飽和度下,厭氧氨氧化菌就已經(jīng)全部停止了對(duì)NH3和NaNO2的轉(zhuǎn)換,作用十分顯著,這也就表明,厭氧氨氧化菌容易受到氧氣濃度的限制。

再者,溶解氧、光、高鹽度等因素也會(huì)抑制厭氧氨氧化菌的活性,限制厭氧氨氧化反應(yīng)的效果,能夠使氨的祛除效率至少降低30%以上,當(dāng)溶解氧的濃度大于2微摩爾每升時(shí),就會(huì)完全抑制厭氧氨氧化菌的可逆活性。

3、厭氧氨氧化污水處理技術(shù)工藝及其應(yīng)用

3.1 Sharon-Anammox聯(lián)合工藝

目前,Sharon-Anammox工藝是國(guó)內(nèi)外污水處理工作中比較常用的工藝之一,與傳統(tǒng)Sharon工藝不同,該工藝分成在不同反應(yīng)容器當(dāng)中進(jìn)行的兩個(gè)處理階段,一是亞硝化階段,通過(guò)亞硝化作用將60%左右的氨氮元素轉(zhuǎn)化成亞硝態(tài)氨;二是厭氧氨氧化階段,通過(guò)脫氮反應(yīng)把亞硝態(tài)氨生成氨氣(N2)和部分硝態(tài)氮,其化學(xué)方程式為:

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Sharon-Anammox聯(lián)合工藝操作步驟十分簡(jiǎn)潔,將(1)(2)相加便可得到(3),即用Sharon工藝將廢水中的氨氮轉(zhuǎn)化成硝基氮,再用Anammox工藝通過(guò)自養(yǎng)菌將剩余的等量銨根離子和亞硝酸根離子生成氮?dú)?,并不需要額外添加亞硝氮,生成堿性的亞硝態(tài)氨物質(zhì)還可以和來(lái)自厭氧水的重碳酸鹽發(fā)生中和反應(yīng),實(shí)現(xiàn)水體及工藝的酸堿平衡。而且不同的反映容器可以給功能菌提供適宜的環(huán)境生長(zhǎng),降低外來(lái)物質(zhì)抑制厭氧氨氧化的可能性,并且一定程度上還能減少NO和N2O的排放,降低空氣資源污染的問(wèn)題。

近年來(lái),隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和現(xiàn)代化大城市建設(shè)進(jìn)程的加快,廢水、污水的排放量有增無(wú)減,氮磷元素嚴(yán)重超出排放的標(biāo)準(zhǔn),極大影響了河流湖泊的生態(tài)環(huán)境,傳統(tǒng)單一的污水處理工藝技術(shù)已無(wú)法滿足現(xiàn)階段發(fā)展的需求,不僅成本高,還容易對(duì)環(huán)境造成二次污染,加大目前環(huán)保的難度。Sharon-Anammox聯(lián)合工藝能夠最大限度減少污水處理過(guò)程所需的供氧量,從而整體降低了污水處理的成本和負(fù)擔(dān),最為關(guān)鍵的是能夠避免了對(duì)水資源產(chǎn)生二次的污染。污水處理廠從國(guó)外先進(jìn)的發(fā)達(dá)國(guó)家中引進(jìn)了先進(jìn)的污水處理組合反應(yīng)器,能夠祛除83%以上的污泥氮含量,但受相關(guān)技術(shù)條件限制,產(chǎn)生的硫化物問(wèn)題尚未得到妥善的解決和處理。

3.2 CANON工藝

CANON工藝,即全自養(yǎng)脫氨工藝,是亞硝化和厭氧氨氧化工藝的結(jié)合,其化學(xué)反應(yīng)的方程式為:0.85O2+NH3→0.11NO3ˉ+0.44N2+1.43H2O+0.14H+。亞硝化菌是在限氧的條件下,借助共同的構(gòu)筑物體,控制溶解氧的含量及污泥停留時(shí)間,借助氧氣消耗,把自養(yǎng)菌的氨氧部分轉(zhuǎn)化成亞硝態(tài)氮,給厭氧氨氧化營(yíng)造環(huán)境,并與未轉(zhuǎn)成亞硝態(tài)氮的氨氧生成氮?dú)?。整個(gè)CANON工藝的反應(yīng)過(guò)程是在無(wú)機(jī)環(huán)境下進(jìn)行的,并不需要進(jìn)行外來(lái)碳源、有機(jī)物和pH值的控制,是現(xiàn)階段低碳氮比廢水處理中使用最為普遍的一種工藝,處理的效果比較明顯有效,是生活污水實(shí)現(xiàn)循環(huán)再利用的有效保障,在畜禽養(yǎng)殖廢水、垃圾滲濾液、污泥消化液和工廠加工中廣泛應(yīng)用。WettB和SchmidM分別采用了SBR、RBC反應(yīng)器處理污水,而后AbmaW對(duì)CANON工藝進(jìn)行加工改造,結(jié)合SBR和RBC反應(yīng)器對(duì)污水進(jìn)行處理,相對(duì)于前面兩種反應(yīng)器而言,CANON工藝采用的反應(yīng)器應(yīng)用更為成熟,處理污水的效果和規(guī)模也更好。

目前,人類(lèi)的環(huán)保意識(shí)已經(jīng)顯著提高,但城市的污水依舊隨著城市建設(shè)的步伐加快而不斷增多,污水處理工作顯得尤為重要。在實(shí)際的污水處理中,容易受溫度、污泥停留、氧氣含量等因素的影響及硝酸菌等菌類(lèi)的干擾,加大了該工藝進(jìn)行污水處理的困難。鑒于此,必須控制硝酸菌的生長(zhǎng)、氧氣和亞硝酸鹽含量,以確保CANON工藝的運(yùn)行安全,此外,還需要通過(guò)對(duì)該工藝進(jìn)一步的試驗(yàn)和優(yōu)化、改進(jìn),方能在生活污水處理上發(fā)揮更大的作用。

3.3 OLAND工藝

現(xiàn)階段比較新型的污水處理工藝即來(lái)自國(guó)外研發(fā)的OLAND(限氧自養(yǎng)硝化-反硝化)工藝,不用添加COD(化學(xué)需氧量)。其化學(xué)方程式可以表示為:

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近年來(lái),廢水排放的總量逐漸增加,2011年,全國(guó)廢水排放量為6172562.00萬(wàn)噸,截至2015年,廢水排放總量就上升至7353226.83萬(wàn)噸,五年時(shí)間,增幅19%以上,污水處理工作迫在眉睫。實(shí)際上,污水處理中,垃圾滲透液的成分組成特別復(fù)雜,氨氮、有機(jī)物、重金屬、有毒元素等物質(zhì)的濃度和含量都特別高,但是有機(jī)碳源卻相對(duì)缺乏,污水的整體性能尤為糟糕。而廢水排放總量越大,堆放的時(shí)間越久,氨氮濃度就會(huì)越高,難以對(duì)垃圾滲濾液進(jìn)行達(dá)標(biāo)處理,加大了垃圾場(chǎng)滲濾液處理的難度。

現(xiàn)階段比較常用的垃圾滲透液處理工藝是硝化-厭氧氨氧化-土壤滲濾的串聯(lián)工藝,OLAND工藝與傳統(tǒng)工藝相比,前景和價(jià)值廣,可以節(jié)省至少62%的氧氣和100%的電子供體,亞硝酸菌在低含氧量的條件下,具有比較強(qiáng)的溶氧能力,可以大部分積累亞硝酸。該工藝就是利用亞硝酸菌和硝酸菌飽和常數(shù)的差異性,對(duì)亞硝酸菌、硝酸菌優(yōu)勝劣汰后進(jìn)行厭氧氨氧化反應(yīng),從而脫除氮生成氮?dú)?,分別為0.2~0.4毫克每升、1.2~1.5毫克每升。在一些高濃度氨和低碳氨比的行業(yè)中,局部亞硝化結(jié)合是此類(lèi)行業(yè)廢水處理中最為行之有效的處理方法,例如化肥制造業(yè)、制藥行業(yè)等。廢水中50%的氨通過(guò)厭氧氨氧化反應(yīng)生成亞硝酸鹽,并通過(guò)氨氧化作用形成亞硝酸鹽,能夠?qū)⒖偟?、氨氮和溶解氧的含量平均祛除?7%~97%左右,但是,目前還沒(méi)有相關(guān)的機(jī)制和措施能夠針對(duì)不同重金屬產(chǎn)生的不同抑制作用妥善緩解或者解決垃圾滲透液?jiǎn)栴}。

3.4 甲烷化與厭氧氨氧化的耦合工藝

該工藝是利用甲烷來(lái)消除化學(xué)需氧量(COD),將氮的部分氧化成二氧化氮(NO2),氨根離子(NH4+)作為電子供體,發(fā)生反硝化反應(yīng),實(shí)現(xiàn)厭氧氨氧化和甲烷化的效果。這種耦合工藝主要借助EGSB反應(yīng)器(膨脹顆粒污泥床,第三代厭氧反應(yīng)器),祛除化學(xué)需氧量(COD),效果十分顯著,達(dá)到97%,而二氧化氮的去除率則達(dá)到了100%,完美地實(shí)現(xiàn)甲烷化、反硝化和厭氧氨氧化的耦合。

廢水處理并不是一朝一夕就能完成的事情,不僅容易受有機(jī)氮、水質(zhì)和水量的影響,溶解氧的濃度也特別高,水質(zhì)的波動(dòng)性較大。傳統(tǒng)的污水處理工藝在對(duì)廢水進(jìn)行處理時(shí),降噪值較低,需要提供額外的堿、有機(jī)碳源,能量消耗高,整體成本大,性能也不穩(wěn)定,處理的效果還不盡人意,極大的限制和制約了厭氧氨氧化污水處理工藝的發(fā)展和運(yùn)用。甲烷化與厭氧氨氧化的耦合工藝是目前廢水處理的一項(xiàng)重要工藝,是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的試驗(yàn)研究得出來(lái)的,打破了傳統(tǒng)工藝的不足和缺陷,但是相關(guān)的研發(fā)部門(mén)還需要針對(duì)該工藝在污水處理方面的不足和缺陷加大研究力度,以有效處理污水。

4、結(jié)束語(yǔ)

厭氧氨氧化作為一種新型污水處理工藝,是國(guó)內(nèi)外污水處理工作的重大突破,具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)和發(fā)展空間。但受各種環(huán)境及其自身因素的局限,在實(shí)際研究應(yīng)用中還存在許多問(wèn)題,應(yīng)對(duì)厭氧氨氧化污水處理工藝引起足夠重視,全面、系統(tǒng)的了解,并提出相應(yīng)對(duì)策、措施,及時(shí)進(jìn)行有效處理。

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