关于厌氧氨氧化污水处理技术的研究杜嘉年

EngineeringTechnologyandApplication|工程技术与应用|·93·2018年6月关于厌氧氨氧化污水处理技术的研究杜嘉年（吉林省河海水环境科技研发有限公司，吉林 长春 130000）摘要：近年来，工业化、城市化程度不断提升，污水处理问题日益凸显，加剧了水资源的紧张趋势，若不及时解决污水问题，污染会随着城市化进程的推进愈加严重，影响也将愈加恶劣。为净化污水，改善水体环境，提高水资源的循环利用效率，文章对厌氧氨氧化污水处理技术展开探讨研究，以期为污水处理工作提供可参考性的意见。关键词：厌氧氨氧化；污水；处理技术中图分类号：X703 文献标志码：A 文章编号：2096-2789（2018）06-0093-02作者简介：杜嘉年（1987-），男，硕士，研究方向：污水处理技术。1厌氧氨氧化概述厌氧氨氧化（Anammox），即厌氧氨氧化菌，一种自养型的细菌，厌氧氨氧化生物在缺氧或厌氧的环境条件下，分别将氨、亚硝酸盐作为无机碳源固定的电子供体和厌氧氨氧化反应的受体，产生无色无味、性质稳定的氮气（N2）和硝酸盐的生物过程，其化学计量学方程式为：1.32NO¯2+0.12H++NH+4+0.066HCO¯3→0.26NO¯3+1.0N2+2.03H2O+0.066CH2O0.5N0.15，该方程式还囊括了分解代谢反应和合成代谢反应。与传统工艺相比，厌氧氨氧化工艺是一种比较高效、经济的自养型生物脱氮工艺，不需要供氧和有机碳源，产生污泥的比率比较低，投资少，工艺成本费用较低，能够最大限度减少氧气量、有机碳源、运行费用和曝气量等的消耗，转变现阶段我国污水处理难、能耗高、污泥量大等问题，最为关键的是，不会对水资源环境产生二次污染[1]。2厌氧氨氧化的主要影响因子近年来，厌氧氨氧化工艺在实际中的应用范围和规模愈加广泛，在亚欧十多个国家中得到广泛的应用，并取得了较好的成效。但国内厌氧氨氧化工艺的研究相对较晚，受许多干扰因素的影响，厌氧氨氧化反应也受到影响和限制，工艺手段还有待加强，存在着一定的局限性。2.1温度温度的高低会对酶的活性产生直接有效的影响，是影响污水细菌新陈代谢的重要影响因子。酶是微生物中的主要因素，其活性关系着微生物中的新陈代谢功能，一定程度会对厌氧氨氧化工艺的脱氮效果造成影响。有实验研究表明，温度的高低与厌氧氨氧化的反应效率具有显著的影响效果，诸多学者众说纷纭，有认为最佳温度为30℃的、40℃的、45℃的，但经研究表明，18℃的低温环境下都有可能启动厌氧氨氧化反应，而当处于35~40℃的时候，厌氧氨氧化的活性最大，是最适宜发生厌氧氨氧化反应的温度值。2.2PH值在水中，pH值影响着厌氧氨氧化的效果，废水中的硝态氮和硝基氮会在水中发生离解反应。不同学者认为厌氧氨氧化最适宜的pH值不同，有7.5~8.0、7.61、6.5~7.8等各种pH值推算结果，但根据pH值在AAOB反应器启动条件和污泥接种差异水平展开的研究中得出，不同pH值对厌氧氨氧化的影响程度大小不尽相同，但通过综合汇总得知，pH值在7～8左右是最适宜发生厌氧氨氧化作用的，这也是能够为学者普遍接受的。2.3底物浓度及其他影响因素硝态氮、硝基氮、氨氮和亚硝酸盐氮等是废水中厌氧氨氧化反应的限制性底物，有研究已经证明，这些底物对细胞的毒害作用尤为剧烈，比率的高低影响着厌氧氨氧化工艺的去氮效率，一定浓度比率有利于进行厌氧氨氧化反应，提高除氮的效果。此外，厌氧氨氧化菌是一种典型的严格厌氧菌，容易受到溶解氧的影响和抑制，在0.005的氧气饱和度下，厌氧氨氧化菌就已经全部停止了对NH3和NaNO2的转换，作用十分显著，这也就表明，厌氧氨氧化菌容易受到氧气浓度的限制。再者，溶解氧、光、高盐度等因素也会抑制厌氧氨氧化菌的活性，限制厌氧氨氧化反应的效果，能够使氨的祛除效率至少降低30%以上，当溶解氧的浓度大于2微摩尔每升时，就会完全抑制厌氧氨氧化菌的可逆活性。3厌氧氨氧化污水处理技术工艺及其应用3.1Sharon-Anammox联合工艺目前，Sharon-Anammox工艺是国内外污水处理工作中比较常用的工艺之一[2]，与传统Sharon工艺不同，该工艺分成在不同反应容器当中进行的两个处理阶段，一是亚硝化阶段，通过亚硝化作用将60%左右的氨氮元素转化成亚硝态氨；二是厌氧氨氧化阶段，通过脱氮反应把亚硝态氨生成氨气（N2）和部分硝态氮，其化学方程式为：（1）硝化反应：0.5O2+NH4+→H2O+2H++NO2¯（2）亚硝化阶段：1.5O2+NH4+→2H++H2O+NO2+（3）NH4++2O2→H2O+2H++NO3¯Sharon-Anammox联合工艺操作步骤十分简洁，将（1）（2）相加便可得到（3），即用Sharon工艺将废水中的氨氮转化成硝基氮，再用Anammox工艺通过自养菌将剩余的等量铵根离子和亚硝酸根离子生成氮气，并不需要额外添加亚硝氮，生成碱性的亚硝态氨物质还可以和来自厌氧水的重碳酸盐发生中和反应，实现水体及工艺的酸碱平衡。而且不同的反映容器可以给功能菌提供适宜的环境生长，降低外来物质抑制厌氧氨氧化的可能性，并且一定程度上还能减少NO和N2O的排放，降低空气资源污染的问题。近年来，随着社会经济的发展和现代化大城市建设进程的加快，废水、污水的排放量有增无减，氮磷元素DOI:10.19537/j.cnki.2096-2789.2018.06.045|工程技术与应用|EngineeringTechnologyandApplication·94·2018年6月严重超出排放的标准，极大影响了河流湖泊的生态环境，传统单一的污水处理工艺技术已无法满足现阶段发展的需求，不仅成本高，还容易对环境造成二次污染，加大目前环保的难度。Sharon-Anammox联合工艺能够最大限度减少污水处理过程所需的供氧量，从而整体降低了污水处理的成本和负担，最为关键的是能够避免了对水资源产生二次的污染。污水处理厂从国外先进的发达国家中引进了先进的污水处理组合反应器，能够祛除83%以上的污泥氮含量，但受相关技术条件限制，产生的硫化物问题尚未得到妥善的解决和处理。3.2CANON工艺CANON工艺，即全自养脱氨工艺，是亚硝化和厌氧氨氧化工艺的结合，其化学反应的方程式为：0.85O2+NH3→0.11NO3¯+0.44N2+1.43H2O+0.14H+。亚硝化菌是在限氧的条件下，借助共同的构筑物体，控制溶解氧的含量及污泥停留时间，借助氧气消耗，把自养菌的氨氧部分转化成亚硝态氮，给厌氧氨氧化营造环境，并与未转成亚硝态氮的氨氧生成氮气[4]。整个CANON工艺的反应过程是在无机环境下进行的，并不需要进行外来碳源、有机物和pH值的控制，是现阶段低碳氮比废水处理中使用最为普遍的一种工艺，处理的效果比较明显有效，是生活污水实现循环再利用的有效保障,在畜禽养殖废水、垃圾渗滤液、污泥消化液和工厂加工中广泛应用。WettB和SchmidM分别采用了SBR、RBC反应器处理污水，而后AbmaW对CANON工艺进行加工改造，结合SBR和RBC反应器对污水进行处理，相对于前面两种反应器而言，CANON工艺采用的反应器应用更为成熟，处理污水的效果和规模也更好。目前，人类的环保意识已经显著提高，但城市的污水依旧随着城市建设的步伐加快而不断增多，污水处理工作显得尤为重要。在实际的污水处理中，容易受温度、污泥停留、氧气含量等因素的影响及硝酸菌等菌类的干扰，加大了该工艺进行污水处理的困难。鉴于此，必须控制硝酸菌的生长、氧气和亚硝酸盐含量，以确保CANON工艺的运行安全，此外，还需要通过对该工艺进一步的试验和优化、改进，方能在生活污水处理上发挥更大的作用。3.3OLAND工艺现阶段比较新型的污水处理工艺即来自国外研发的OLAND（限氧自养硝化－反硝化）工艺，不用添加COD（化学需氧量）。其化学方程式可以表示为：（1）0.75O2+0.5NH4+→H++0.5NO2¯+0.5H2O（2）0.5NO2¯+0.5NH4+→H2O+0.5N2（3）0.75O2+NH4+→1.5N2+H++0.5N2近年来，废水排放的总量逐渐增加，2011年，全国废水排放量为6172562.00万吨，截至2015年，废水排放总量就上升至7353226.83万吨，五年时间，增幅19%以上，污水处理工作迫在眉睫[5]。实际上，污水处理中，垃圾渗透液的成分组成特别复杂，氨氮、有机物、重金属、有毒元素等物质的浓度和含量都特别高，但是有机碳源却相对缺乏，污水的整体性能尤为糟糕。而废水排放总量越大，堆放的时间越久，氨氮浓度就会越高，难以对垃圾渗滤液进行达标处理，加大了垃圾场渗滤液处理的难度。现阶段比较常用的垃圾渗透液处理工艺是硝化－厌氧氨氧化－土壤渗滤的串联工艺，OLAND工艺与传统工艺相比，前景和价值广，可以节省至少62%的氧气和100%的电子供体，亚硝酸菌在低含氧量的条件下，具有比较强的溶氧能力，可以大部分积累亚硝酸。该工艺就是利用亚硝酸菌和硝酸菌饱和常数的差异性，对亚硝酸菌、硝酸菌优胜劣汰后进行厌氧氨氧化反应，从而脱除氮生成氮气，分别为0.2～0.4毫克每升、1.2～1.5毫克每升。在一些高浓度氨和低碳氨比的行业中，局部亚硝化结合是此类行业废水处理中最为行之有效的处理方法，例如化肥制造业、制药行业等。废水中50%的氨通过厌氧氨氧化反应生成亚硝酸盐，并通过氨氧化作用形成亚硝酸盐，能够将总氮、氨氮和溶解氧的含量平均祛除至87%～97%左右，但是，目前还没有相关的机制和措施能够针对不同重金属产生的不同抑制作用妥善缓解或者解决垃圾渗透液问题。3.4甲烷化与厌氧氨氧化的耦合工艺该工艺是利用甲烷来消除化学需氧量（COD），将氮的部分氧化成二氧化氮（NO2），氨根离子（NH4+）作为电子供体，发生反硝化反应，实现厌氧氨氧化和甲烷化的效果。这种耦合工艺主要借助EGSB反应器（膨胀颗粒污泥床，第三代厌氧反应器），祛除化学需氧量（COD），效果十分显著，达到97%，而二氧化氮的去除率则达到了100%，完美地实现甲烷化、反硝化和厌氧氨氧化的耦合。废水处理并不是一朝一夕就能完成的事情，不仅容易受有机氮、水质和水量的影响，溶解氧的浓度也特别高，水质的波动性较大。传统的污水处理工艺在对废水进行处理时，降噪值较低，需要提供额外的碱、有机碳源，能量消耗高，整体成本大，性能也不稳定，处理的效果还不尽人意，极大的限制和制约了厌氧氨氧化污水处理工艺的发展和运用。甲烷化与厌氧氨氧化的耦合工艺是目前废水处理的一项重要工艺，是经过长期的试验研究得出来的，打破了传统工艺的不足和缺陷，但是相关的研发部门还需要针对该工艺在污水处理方面的不足和缺陷加大研究力度，以有效处理污水。4结束语厌氧氨氧化作为一种新型污水处理工艺，是国内外污水处理工作的重大突破，具有无可比拟的优势和发展空间。但受各种环境及其自身因素的局限，在实际研究应用中还存在许多问题，应对厌氧氨氧化污水处理工艺引起足够重视，全面、系统的了解，并提出相应对策、措施，及时进行有效处理。参考文献：[1]廖小兵,许玫英,罗慧东,等.厌氧氨氧化在污水处理中的研究进展[J].微生物学通报,2010,37(11):1679-1684.[2]魏彩蓉.厌氧氨氧化污水处理技术及实际应用[J].中国环保产业,2017(2):64-66.[3]陈重军,王建芳,张海芹,等.厌氧氨氧化污水处理工艺及其实际应用研究进展[J].生态环境学报,2014,23(3):521-527.[4]左早荣,付昆明,仇付国,等.CANON工艺的研究现状及面临困难分析[J].水处理技术,2013,39(9):15-19.[5]骆一宁,楼军,赵亮.厌氧氨氧化技术在污水处理工程中的运用[J].中国资源综合利用,2017,35(9):91-92+95.