厌氧氨氧化富集培养研究及其工业应用进展

2009年给水厂、污水厂升级改造及节能减排新技术新工艺研讨会论文集-225-厌氧氨氧化富集培养研究及其工业应用进展李祥1，郑宇慧1，黄勇1，袁怡1,2(1.苏州科技学院环境科学与工程学院，江苏苏州215011；2.同济大学环境学院，上海200092)摘要:在处理高氨氮废水方面，厌氧氨氧化工艺与传统硝化—反硝化生物脱氮工艺相比具有较高的脱氮效能，近几年得到了快速发展。但是由于厌氧氨氧化细菌所需要的培养条件及其自身特性使得其不能很快地在实际污水处理中得到广泛推广。在总结厌氧氨氧化富集培养研究进展及其向工业化发展的基础上，讨论了厌氧氨氧化工艺以后发展的方向及其需要解决的问题。关键词：厌氧氨氧化；生物脱氮；富集培养随着人们生活水平和工业化程度的不断提高，含氮污染物的排放量也在不断增加，氮污染问题也开始引起人们的高度关注，传统的硝化—反硝化脱氮方法已经很难满足目前高氨氮废水的处理要求。因此，寻找一些低耗能、高效率的生物脱氮工艺成为许多水处理工作者的研究热点。厌氧氨氧化是指在厌氧的条件下将NH4+-N和NO2--N转化为N2的过程。在此反应过程中不需要有机物和氧气的参与，使得其脱氮成本大幅降低。目前的工程应用表明，传统的脱氮成本为2～5欧元/(kgN)，而采用厌氧氨氧化技术其脱氮成本仅为传统的1/10左右[1]。因此厌氧氨氧化工艺的高效廉价性得到人们更多的关注。但是厌氧氨氧化细菌倍增时间长达11d，限制了其工业化的发展,使得目前此技术基本处于实验室理论研究阶段。本文对厌氧氨氧化目前研究现状及其次向工业化发展的研究进展进行一些综述和讨论，并在此基础上提出厌氧氨氧化朝工业化发展时还需解决的一些问题。1厌氧氨氧化富集培养研究进展经过十多年的研究，人们已经初步探明厌氧氨氧化反应的机制、厌氧氨氧化作用菌的生理特征等问题[2、3]，在通过人工配水对厌氧氨氧化菌进行富集培养方面，获得了较大的成果[2]。在厌氧氨氧化反应器启动方面，目前的研究表明，厌氧氨氧化菌普遍存在于处理污水的活性污泥中，采用不同的种泥源均能够启动厌氧氨氧化反应器[4]。由于厌氧氨氧化菌倍增时间长，体积较小，在培养过程中易流失，及其对氧气的敏感性使得反应器启动非常缓慢。通过目前的研究表明，采用悬浮污泥启动反应器一般需要3~5个月，有的甚至长达200d[4]，以致其氮容积去除负荷很难得到提高。然而利用不同生物膜启动厌氧氨氧化反应器可以很好地避免这些不利因素对厌氧氨氧化菌生长的影响[5~7]。马富国[5]等采用自养型硝化生物膜启动厌氧氨氧化反应器，经过110d的培养，成功启动了厌氧氨氧化反应器，氮容积负荷达到0.1kgN/(m3.d)。张蕾[6]等接种硝化污泥采用竹炭作为载体经过144d的培养，氮容积去除负荷达到3.2kgN/(m3.d)。Tsushima等[7]利用装有无纺滤布的上流式固定床生物膜反应器进行了普通污泥筛选富集厌氧氨氧化菌的试验，在富集247d后，反应器内的总氮基金项目：江苏省环境科学与工程重点实验室开放课题（ZD081202）；苏州科技学院重点学科建设项目（AO030702）2009年给水厂、污水厂升级改造及节能减排新技术新工艺研讨会论文集-226-去除率达到了26.0kgN/(m3.d)，成为到目前为止所获得脱氮效率最高的报道。由此可见，向反应器内投加载体能够形成很好的厌氧和微生物附着生长的环境，有利于厌氧氨氧化富集培养。厌氧氨氧化能够成为生物脱氮领域研究的热点，其重要原因在于其能够高效地处理低碳氮比的废水，减少反硝化过程中有机物的添加。表1为不同高氨氮废水的特性[9~14]。表1不同高氨氮废水的特性废水种类NH4+-N浓度/(mg/L)NO2--N浓度/(mg/L)COD浓度/(mg/L)pH味精废水250～500250～700150～2007.5～8.0猪场废水1718－336207.4～8.0垃圾渗滤液983－119507.5～8.0消化污泥上清液10000.2178～2748.16～9.34化肥生产废水511－5179.3由表1可知，目前的一些废水氨氮浓度相当高，然而过高的NH4+-N和NO2--N浓度将会抑制厌氧氨氧化菌的生长，使得其在工程应用中受到一定的限制。从目前的研究来看，对厌氧氨氧化菌特性的研究几乎是建立在低基质浓度的基础之上。在获得较好脱氮效果的前提下，厌氧氨氧化反应器的进水NH4+-N浓度并不是很高，一般在300～400mg/L左右[8~10]，而高氨氮的工业废水其氨氮浓度远远超过1000mg/L，若将此工艺运用于实际废水处理必须对废水进行稀释，从而增加了运行成本。因此，在今后厌氧氨氧化富集培养过程中还需对厌氧氨氧化细菌进行驯化，研究其能否适应高浓度氨氮的废水环境，并对该细菌在较高浓度下的脱氮特性做进一步研究。2实验室条件下厌氧氨氧化处理实际废水的研究进展从目前的研究结果来看，运用实际废水能够启动厌氧氨氧化反应器。目前的研究对象主要有消化污泥上清液、污泥脱水液、垃圾渗滤液、养殖废水、猪场废水以及味精废水等，本文从不同种类的废水水质介绍该工艺的应用研究情况。2.1垃圾渗滤液垃圾渗滤液是一种非常复杂的高浓度废水，特别高浓度的氨氮是其最主要的污染物之一，其浓度一般小于3000mg/L，特别成熟的垃圾填埋场的氨氮浓度多数为500~2000mg/L，碳氮比非常低，在采用生物方法处理过程中，由于反硝化过程碳源不足，导致反应器脱氮效果不高。采用二级生化法处理后出水硝态氮很高，但是两者的混合液却符合厌氧氨氧化反应的电子受体与电子供体的基本要求，因此采用厌氧氨氧化技术能够很好地解决此问题。张鸿郭[15]等采用垃圾渗滤液启动厌氧氨氧化反应器，经过161d的培养出现厌氧氨氧化现象，NO2--N和NH4+-N的消耗比在1.32附近波动，两氮去除率都在90％以上。而钟红春[16]对筛选后的厌氧氨氧化污泥进行二次启动研究时发现，二次启动后NH4+-N去除量∶NO2--N去除量∶NO3--N生成量为1∶0.95∶0.2，略低于厌氧氨氧化的计量方程式，分析其原因可能是因为进水中含有其他脱氮微生物[17]。2.2污泥消化液及污泥脱水液消化污泥上清液和污泥脱水液是典型的低碳源高氨氮废水，若采用传统的生物处理则存在有2009年给水厂、污水厂升级改造及节能减排新技术新工艺研讨会论文集-227-机物和碱度不足的问题。然而这种水质的pH值一般为7.0～8.5、温度一般为30～37℃，基本处于厌氧氨氧化菌的最佳生长范围内，因此可采用厌氧氨氧化工艺进行脱氮处理。孟凡能[18]等利用污泥脱水液启动厌氧氨氧化反应器，经过186d的培养，对总氮的去除率达到0.99kgN/(m3.d)，并且发现中、低浓度的DO不会抑制厌氧氨氧化反应的进行。U.Imajo等以污泥消化液进行中试研究，经过一年多的运行，最终容积氮去除负荷达到6.39kgN/(m3.d)，氮最大去除负荷达到92.3％。2.3养殖废水具有规模化的养猪场，其废水排放量大，COD浓度高达1000mg/L左右，目前多采用厌氧法进行处理。厌氧处理对COD的去除效果很好，但无法脱除NH4+-N，并且其运行成本很高，因此可将经过厌氧处理后的低碳、高氮废水进行厌氧氨氧化脱氮处理。王欢[19]等采用经短程硝化反硝化预处理的猪场废水，再经厌氧氨氧化处理，对NH4+-N、NO2--N、总氮的去除率分别达到91.8％9、9.3％、84.1％，并且发现经短程硝化反硝化后猪场废水中的残留有机物对厌氧氨氧化无明显影响。Yamamoto[20]等采用半亚硝化工艺和厌氧氨氧化的联合工艺处理屠宰废水，试验中半亚硝化工艺的氮容积负荷为1.0kgN/(m3·d)，NH4+-N转化为NO2--N和NO3--N的比例分别为58%和小于5%，出水进入厌氧氨氧化反应器，70d后对氮的去除速率为0.22kgN/(m3·d)。2.4味精废水味精废水具有高SS、高COD、高BOD、高NH4+-N、高硫酸盐、低pH值的特点，是难以治理的工业污染源之一。由于味精废水的C/N值偏低，给以生物处理工艺为核心的常规方法带来了很大困难。采用厌氧生物技术处理高浓度味精废水，可有效削减有机污染物负荷并可大幅降低运行费用，但出水COD不能达标，对NH4+-N的去除十分有限。传统硝化反硝化工艺的处理效果欠佳，迫切需要研发新型生物脱氮工艺。陈旭良等[11]采用厌氧氨氧化工艺处理味精废水，经过71d的培养成功启动了厌氧氨氧化反应器，总氮去除负荷能够达到0.457kgN/(m3.d)，远远高于传统的生物脱氮工艺。2.5其他废水在其他废水处理方面，厌氧氨氧化也体现了很好的脱氮性能。Dapena-mora[21]等采用Sharon-ANAMMOX工艺处理鱼肉罐头加工废水，其中SHARON工艺的进水NH4+-N为700～1000mg/L，最终整套工艺对氨氮的去除率达到68％。综上所述，厌氧氨氧化不仅可以处理高氨氮、低碳源废水，同时可以处理目前普通工艺不能处理的高氨氮、高碳源废水，只需将这类废水先经过厌氧处理降低其COD浓度，然后再用厌氧氨氧化工艺进行脱氮，这在一定程度上降低了成本。3厌氧氨氧化中试和工程化中存在的问题目前厌氧氨氧化技术在很多地方处于实验室研究阶段，将其直接运用到实际工程中鲜有报道。在中试研究中，唐崇俭等[22]接种混合污泥，经过255d的运行，可在常温(5～27)℃下成功启动厌氧氨氧化反应器，最终反应器的氮容积去除率可达1.30kgN/(m3·d)。但由于碱度、pH、温度的变化，使得反应器启动200d后未出现明显的厌氧氨氧化现象，最终经接种厌氧氨氧化污泥后才成功启动2009年给水厂、污水厂升级改造及节能减排新技术新工艺研讨会论文集-228-了厌氧氨氧化反应器。然而在实际工程应用中并没有足够的厌氧氨氧化污泥可以接种，这就使得初始阶段对污泥的筛选变得尤为重要。位于澳大利亚Strass的一个SBR厌氧氨氧化反应器从初始实验室规模为5L[23]，然后扩大至中试规模为2.4m3，最后扩大到生产性试验规模为500m3[24]，这整个规模扩大过程花了三年多的时间，这说明将一个厌氧氨氧化装置运用至实际污水厂将需要大量的时间。第一座厌氧氨氧化装置于2002年6月在荷兰鹿特丹建成投产，该工艺以Sharon反应器处理的厌氧消化液为进水，设计流量为550m3/d。由于进水基质浓度、温度等因素影响使得该反应器经过三年半的调试才最终达到设计标准，并达到稳定运行状态。由厌氧氨氧化中试及其工程应用可以看出，将实验规模的厌氧氨氧化运行条件运用至大规模的生产性工程时会遇到相当大的阻力，整个反应器的启动所消耗的时间远远大于实验室反应器启动所需要的时间。如何能够快速地在实际污水处理系统中实现厌氧氨氧化反应器的启动将是以后重点研究的问题。现将目前中试及工程应用中所出现的问题归纳如下：①在厌氧氨氧化反应器启动初期，由于污泥的流失使得厌氧氨氧化反应器很难启动，普通实验室装置以及第一座厌氧氨氧化工艺均出现了污泥流失问题，因此适合厌氧氨氧化富集培养的反应器还需进一步开发。②在厌氧氨氧化反应器启动过程中如何保持稳定的进水基质浓度尤为重要，因为厌氧氨氧化细菌受到高基质浓度的抑制后，其活性将很长时间内得不到恢复。③厌氧氨氧化细菌的生长环境比较苛刻，只有控制其适宜的生长环境才能使厌氧氨氧化细菌大量富集，从而缩短反应器的启动时间。在唐崇俭和第一座厌氧氨氧化工艺的启动过程中均出现因温度和pH的影响导致反应器很难启动这一问题，这在以后的实际运行中应得到重视。4结论与展望综上所述，厌氧氨氧化工艺能够很好地处理高氨氮、低C/N值或者含高浓度的废水。其与亚硝化工艺的结合是实现自氧脱氮的有效途径，使高氨氮、低碳源废水，如焦化、石化、化肥、以及垃圾渗滤等生物脱氮处理更加有效，成本更低，具有广阔的应用前景。然而在目前的实际研究过程中其脱氮效果并不是很好，启动很缓慢，运行条件的突然改变对其影响较大。因此，这些问题将是今后的重点研究方向，同时需要加强不同学科之间的交叉与合作，从工程应用、生态及微生物学等方面进行研究，以对厌氧氨氧化的研究有所突破。参考文献：[1]vand