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城市生活污水處理厭氧氨氧化技術

發布時間:2020-12-14 14:18:24  中國污水處理工程網

  近年來,傳統的好氧硝化-缺氧反硝化脫氮工藝被廣泛用于城市生活污水處理,然而,傳統的城市污水處理脫氮技術的好氧階段需要消耗大量能量用于曝氣,而這也成為了污水處理廠最主要的能源消耗,增加了污水處理廠運行成本。自厭氧氨氧化(anaerobicammoniaoxidation,Anammox)于20世紀90年代在污水處理中首次被發現以來,厭氧氨氧化一直是近幾十年來污水脫氮研究的熱點。厭氧氨氧化工藝具有脫氮效率高、低能耗、經濟、低污泥產量等特點,在高氨氮廢水處理中得到了廣泛關注。因此,城市生活污水厭氧氨氧化研究對于緩解污水處理廠運行成本及開拓厭氧氨氧化研究領域具有重大的現實意義

  目前針對垃圾滲濾液、污泥消化液、工業廢水等高氨氮污水的厭氧氨氧化脫氮研究被廣泛開展。然而,針對低氨氮的生活污水,厭氧氨氧化的應用性研究還很缺乏。城市生活污水水質浮動較大、水量變化范圍大、氨氮含量低、受溫度影響大等特點限制了厭氧氨氧化在主流城市生活污水處理中的應用。

  基于此,本文從厭氧氨氧化菌在城市污水處理廠中的分布及限制條件、顆粒污泥的影響因素、厭氧氨氧化在城市污水處理廠的應用、厭氧氨氧化組合工藝、厭氧氨氧化工程案例分析等角度出發,探討厭氧氨氧化脫氮技術在城市生活污水處理方面的影響因素及適用性。

  一、厭氧氨氧化菌在城市生活污水處理廠中的豐度及多樣性

  厭氧氨氧化菌是屬于浮霉菌門類的自養厭氧菌,迄今已有6種具有厭氧氨氧化代謝活動的菌屬被發現,如圖1所示,厭氧氨氧化菌屬屬于化能自養微生物,通常是以亞硝酸根作為電子受體,氧化氨根離子為氮氣。然而,在不同生態系統中存在的厭氧氨氧化菌屬差異性很大,例如海水、淡水、不同來源的污泥、苦咸水及陸生生態系統中菌屬差異性較大。與此同時,與厭氧氨氧化菌相關的菌種CandidatusBrocadiacaroliniensis和CandidatusBrocadiasinica已經在世界范圍內的污水處理系統中被廣泛發現,其中,Leal等已經成功在污水處理廠的剩余污泥中富集培養了厭氧氨氧化細菌,這也為厭氧氨氧化污水處理技術在生活污水處理廠的實際應用提供了可靠的理論支持。

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  1.1生物種群間的影響關系

  生物種群的多樣性是制約厭氧氨氧化技術可行性的關鍵性因素。在厭氧氨氧化污水處理技術應用過程中,厭氧氨氧化細菌(anaerobicammoniaoxidizingbacteria,AnAOB)與氨氧化細菌(ammoniaoxidizingbacteria,AOB)、亞硝酸鹽氧化細菌(nitriteoxidizingbacteria,NOB)、反硝化細菌(denitrifyingbacteria,DNB)之間的協同與競爭關系是實現厭氧氨氧化工程應用的關鍵性因素。AOB作用主要發揮在厭氧氨氧化反應的準備階段,通過控制曝氣,AOB可以氧化50%的氨氮到亞硝階段,為后續反應提供足夠的電子受體。城市生活污水溫度會受季節性波動影響,且在低氨氮負荷下,NOB生長速率會高于AOB,同時,游離氨(freeammonia,FA)和游離亞硝酸(freenitrousacid,FNA)的質量濃度會產生波動,從而對NOB的抑制作用產生極大影響,使得AnAOB失去足夠的電子受體,最終會導致硝酸鹽累積,進而使得脫氮效率下降。AnAOB生長速度相較于DNB要慢,而且細胞增殖產量也較低,同時,在厭氧條件下DNB主要是通過競爭電子受體(NO-2)而抑制AnAOB活性,但是有研究發現,為了有效地去除城市生活污水中的氨氮和有機物,AnAOB和DNB也可以實現共存。

  1.2環境因素對生物多樣性的影響

  環境條件的變化(有機物、pH、溫度、溶解氧)對厭氧氨氧化生物群落的影響制約著整個反應運行過程及處理效果。城市生活污水有機物化學需氧量(chemicaloxygendemand,COD)質量濃度為600~1400mg/L,有研究表明,當有機物COD的質量濃度超過300mg/L時,會對AnAOB產生明顯的抑制作用[38]。Kartal等研究證明,城市生活污水中乙酸和丙酸存在條件下,AnAOB在與反硝化菌競爭過程中顯示出明顯優勢,證實了在高COD存在的城市生活污水中AnAOB可以保持活性。在有機物存在條件下,厭氧氨氧化菌屬發生明顯轉化(CandidatusBrocadiasinica寅CandidatusJetteniacaeni,CandidatusKueneniastuttgartiensis),這與AnAOB的耐高有機物特性有關。城市生活污水中氨氮質量濃度較低,因此城市生活污水存在普遍的高碳氮比。然而,當碳氮比超過4時將可能影響厭氧氨氧化反應進程,且隨著碳氮比增加,AnAOB活性減弱而DNB會更具有競爭性。文獻表明,低溫和高有機負荷條件下更有利于異養反硝化菌的增殖,從而使得AnAOB失去大量電子受體且造成大量硝酸鹽累積,這也是制約Anammox工藝在主流城市生活污水處理廠應用的關鍵因素。然而,Nejidat等研究了城市污水處理廠(其碳氮比大于13)不同隔間內的厭氧氨氧化菌的豐度和多樣性,結果表示,高碳氮比的主流城市污水處理廠中,AnAOB可以生長并具有活性,其中CandidatusBrocadiaflugida在污水處理廠中占主導地位,這也為厭氧氨氧化工藝在高碳氮比的城市生活污水處理廠中的應用提供了參考依據及調控手段。

  厭氧氨氧化過程的實現需要依靠pH來調節穩定,Anammox對pH變化比較敏感,在厭氧氨氧化工藝運行各個階段對pH的控制尤為重要。文獻指出,pH在6.7~8.3內變化時更適宜AnAOB生長,且在pH=8.0時AnAOB反應速率達到峰值,然而Egli等在旋轉生物接觸器處理富含高氨氮滲濾液的研究中提出更廣的適宜范圍(6.5~9.3)。Zhu等指出厭氧氨氧化細菌膜的低滲透性和有限的質子擴散保護細菌不受酸性或堿性條件的影響。厭氧氨氧化工藝運行過程中會消耗一定量的H+,所以隨著反應的進行往往伴隨著溶液pH的增加,而且強堿強酸條件下可能會對AnAOB有抑制作用,所以在實際工程應用過程中有效的控制pH的變化對于維持厭氧氨氧化工藝的穩定運行至關重要。城市生活污水受季節性影響較大,尤其在低溫情況下,適當提高pH有利于維持CandidatusKueneniastuttgartiensis細胞內pH梯度穩定,對于保持處理系統穩定性和良好的處理效果具有重要意義。

  溫度是影響微生物生長的關鍵因素,也直接影響厭氧氨氧化微生物群落相對豐度。季節性溫度變化是制約厭氧氨氧化工藝在實際生活污水處理中應用的主要因素之一。文獻表明,溫度對AnAOB的影響高于pH。略高溫(35~40℃)有利于厭氧氨氧化生物種群的生長并可以縮短倍增時間,但是高溫(>45℃)會不可逆地造成細胞裂解,嚴重影響處理效果。同時,溫度的降低也會影響AnAOB的活性,而且低溫更有利于異養反硝化菌的繁殖,從而制約厭氧氨氧化工藝在實際城市生活污水處理廠中的運行。然而,Hu等采用配水,研究低溫(12℃)下,AOB與AnAOB組合脫氮效能,結果顯示AOB和AnAOB都具有較高的活性,厭氧氨氧化反應器中的優勢菌CandidatusBrocadiafulgida的相對豐度在溫度變化情況下變化不大,由此實現了高氨氮去除率(90%)。雖然低溫條件對于AnAOB的生長有很大影響,但是AnAOB可以適應低溫環境并保證反應的順利進行。因此,溫度對于厭氧氨氧化雖然存在一定的影響,但通過培養和馴化,AnAOB可以適應一定的低溫環境。所以,如何有效地控制溫度變化和馴化AnAOB的低溫適應性,是發揮AnAOB功能性作用及抑制異養反硝化菌活性的關鍵性步驟。

  AnAOB屬于厭氧細菌,反應條件中溶解氧(dissdvedoxygen,DO)的控制對于AnAOB活性具有至關重要的作用。DO對于厭氧氨氧化整個生物群落具有一定的影響,其中在有氧限制條件下,AOB和NOB對氧的競爭是實現對NOB有效控制的方法之一。Dytczak等研究發現,當DO的質量濃度大于1.5mg/L時AOB相較于NOB表現出更高的活性,從而對于NOB抑制作用效果俱佳。然而,當操作溶解氧設定點的AOB和NOB的比增長率接近時,如果工藝僅限于氧氣限制,則無論液相溶解氧的控制水平如何,都很難抑制NOB。因此,厭氧氨氧化工藝在實際運行過程中,限制氧供量,可以有效地抑制NOB的活性,提高AOB和AnAOB的轉化效率。王俊安等在城市生活污水亞硝化反應器的啟動與運行研究中,確定的DO控制范圍為0.3~0.5mg/L。因此,由于城市生活污水受季節性變化影響較大,可以將AnAOB接種到亞硝化活性污泥反應器中,同時控制DO質量濃度0.5mg/L左右,可以有效地通過短程硝化-厭氧氨氧化實現城市生活污水深度脫氮

  二、厭氧氨氧化工藝在城市生活污水處理中的應用

  厭氧氨氧化工藝由于AnAOB倍增時間比較緩慢、微生物群落間的復雜關系、季節性溫度變化、生活污水碳氮比變化較大等因素制約著其在主流城市生活污水中的應用與發展。在世界范圍內,已有110多座厭氧氨氧化工程在運行,而其中75%的主要應用于城市生活污水的側流處理。現階段中國針對厭氧氨氧化在城市生活污水處理的研究還大多停留在實驗室水平的人工配水上,然而,人工配水相比于實際城市生活污水污染物而言,其種類單一,水質變化較小,因此,目前對于實際工程應用尚缺少一定的理論依據。張樹德等采用城市生活污水處理廠的二級出水來培養AnAOB的研究實驗中,采用向下流式生物濾池作為主要的反應容器,論證了Anammox工藝在高氨氮廢水的處理中可以起到良好的處理效果,同時也可用于城市污水深度處理中,而這對于城市生活污水的深度脫氮具有深遠的現實意義。DeAlmeida等在探討溫度對于處理城市污水的厭氧氨氧化反應器里微生物多樣性及脫氮性能影響中指出,在典型的熱帶溫度下,將厭氧氨氧化工藝應用于主流城市污水處理是可行的。

  污泥消化液的厭氧氨氧化處理屬于城市生活污水的側流應用的一種,可以去除進水總氮負荷的25%,目前已經被廣泛研究并已在國外展開了相關應用。Leal等向富含AnAOB菌的序批式反應器(sequencingbatchreactor,SBR)中接種預處理過的城市生活污水,可獲得較高的COD、亞硝酸鹽和氨氮去除率(分別為80%、90%和95%),從而論證了厭氧氨氧化工藝實現城市生活污水深度脫氮的可能性。厭氧氨氧化工藝的側流應用能力有限,厭氧氨氧化在主流城市生活污水中的應用可以很大程度上實現污水處理廠的能源自給自足。

  三、厭氧氨氧化過程中顆粒污泥的應用

  在傳統的污水生物處理中,通常通過硝化過程將氨氮氧化成硝態氮,而這個過程需要消耗大量的氧氣。之后,硝態氮通過反硝化作用轉化為氮氣,但這一過程還需有機物作為碳源,而通常對于碳氮比較低的污水還需額外添加碳源如甲醇等。在傳統的污水生物處理中,通常還會差生大量的剩余污泥,因此還需對剩余污泥進行進一步處理,進一步增大了污水的處理成本。

  然而,AnAOB生長緩慢,倍增時間為7~12d,因此Anammox工藝剩余污泥量產生少,省去了剩余污泥的處理系統,節約了處理成本。目前Anammox工藝更多的是用于處理含氨氮含量高的污水。但是如果使用快速沉降的硝化細菌和厭氧氨氧化細菌(一種“顆粒污泥冶)共培養的緊密顆粒,可以保留更多的生物量,提高處理效果。顆粒污泥反應器現在已被開發用于在厭氧和好氧條件下去除有機物和營養物。由于顆粒污泥系統具有較高的體積轉化率,因此也可在城市污水低溫和低氨氮條件下應用富含厭氧氨氧化菌的顆粒污泥處理污水。高夢佳等采用人工配水培養了厭氧氨氧化顆粒污泥,探究了厭氧氨氧化顆粒污泥對于城市生活污水的處理效果,研究表明,AnAOB所占比例下降,AOB和NOB比例增加,有效地控制溶解氧后,會減少出水硝態氮質量濃度,提高總氮去除率。有研究指出,厭氧氨氧化顆粒污泥在耐外部環境波動性方面明顯優于絮狀污泥,而且AnAOB的活性會隨著顆粒污泥粒徑的減少而減弱,因此,對于高負荷的城市生活污水來說,Miao等研究發現,COD對胞外聚合物(extracellularpolymericsubstance,EPS)有影響,而EPS通過促進細胞和污泥顆粒的聚集而促進顆粒污泥的形成。由此可知,合理地控制城市污水中有機物的影響進而可通過顆粒污泥實現厭氧氨氧化細菌培養周期的縮短,對于提高實際工程應用也具有一定的現實意義。

  四、厭氧氨氧化組合工藝在城市生活污水中的應用

  4.1部分短程硝化-厭氧氨氧化(partialnitrificationanammox,PNA)

  PNA技術在處理高氨氮廢水方面已經取得了長足的發展,但該技術針對城市生活污水處理方面還缺乏有力的理論依據及實際資料的考證。研究表明,超過50%的PNA裝置是序批式反應器,88%的裝置作為單級系統運行。PNA作為一種高效的生物氮技術,被認為是傳統生物脫氮的一種節省成本的替代方法。PNA工藝相較于傳統的硝化/反硝化過程,可以實現耗氧量減少60%,有機碳源減少100%,污泥產生量減少90%

  迄今PNA工藝對于處理城市生活污水的研究已經在實驗室小試和中試上取得了很大的進展。Yang等采用生物除磷-部分硝化-厭氧氨氧(EBPR-PNA)化組合工藝,實現了城市污水中有機碳、磷、氮的同步去除。Cao等探討了PNA處理城市污水的現狀、瓶頸,并指出PNA技術廣泛應用的瓶頸主要是:1)預處理中碳源的不穩定性;2)在低溫下如何實現對NOB的抑制;3)低溫條件下AnAOB活性。Ma等采用間歇曝氣PNA技術,探討了進水碳氮比對PNA工藝脫氮的影響,研究發現,當碳氮比從1.1升至2.5時,PNA對生活污水中的總氮(totalnitrogen,TN)的去除率由30.8%升至70.3%,這也為PNA工藝在從城市生活污水中的應用提供了良好的理論研究基礎。楊慶等控制持低碳氮比,采用生物濾池為反應裝置研究分析了PNA工藝對于生活污水脫氮效率,經過173d的培養試驗,PNA工藝在生物濾池實現了快速啟動,脫氮效率較高,該系統出水TN平均質量濃度為8mg/L,實現了PNA工藝穩定高效地處理生活污水。

  4.2同時部分硝化-厭氧氨氧化-反硝化(SNAD)

  Ma等研究指出,PNA工藝在處理低氨氮污水過程中會出現NO-3-N累積,影響出水TN質量濃度。因此,一種新型的可繼續通過反硝化將NO-3-N去除的處理工藝(simulataneouspovrtialnitrification,Ananmoxanddenitrification,SNAD)應運而生。在SNAD中,氨氮在低氧質量濃度下通過AOB部分轉化為亞硝酸鹽,然后AnAOB菌再利用剩余的氨氮和轉化的亞硝酸鹽通過厭氧氨氧化反應生成氮氣和硝酸鹽,最后DNB利用碳源通過反硝化反應將硝酸鹽轉化為氮氣

  Ding等通過SNAD技術利用懸浮活性污泥處理生活污水,建立了以懸浮活性污泥代替生物膜或培養顆粒污泥的SNAD工藝,在不預處理COD的情況下,碳氮比為3.0~3.5,處理實際生活污水,其研究為實際應用提供了參考。Wang等通過SNAD利用非織造旋轉生物反應器處理低碳氮比的城市污水中,實現了好氧外層AOB占微生物菌落的65.13%,厭氧內層以AnAOB(47.17%)和DNB(38.91%)為主,也為SNAD在城市生活污水中的應用提供了技術支持。SNAD生物膜具有良好的厭氧氨氧化和反硝化特性,鄭照明等依托生物膜載體通過分批試實驗研究了同步亞硝化、厭氧氨氧化耦合反硝化,在處理城市生活污水的脫氮性能,結果表明,SNAD生物膜可減輕pH對厭氧氨氧化菌的抑制,同時該工藝也獲得了較好的脫氮效果(NH+4-N、NO-2-N和TIN去除速率分別為0.121、0.180和0.267kg/d。

  4.3短程反硝化-厭氧氨氧化(partialdenitrificationanammox,PDA)

  短程反硝化,是指將硝酸鹽還原為亞硝酸鹽,從而為厭氧氨氧化提供基質。Du等通過2組序批式反應器成功提出了一種創新組合工藝(短程反硝化厭氧氨氧化),該組合工藝實現了平均出水氮去除率為94.06%,出水總氮平均為10.98mg/L。在低溫條件下,短程反硝化-厭氧氨氧化同時處理硝酸鹽和生活污水效果明顯(NO-3-N、NH+4-N和COD的平均去除率分別為89.5%、97.6%和78.7%)。這也為厭氧氨氧化工藝在低溫條件下處理城市生活污水中的應用提供了新方向。污水處理廠出水硝態氮含量高,往往無法滿足排放要求,因此對于污水處理廠二級出水可以采用短程反硝化-厭氧氨氧化工藝進行深度處理。Cao等將污水處理廠二級出水(硝酸鹽廢水)與低碳氮比的城市生活污水相結合產生亞硝酸鹽,然后在厭氧氨氧化作用下實現深層次脫氮,在該過程中有少量的N2O產生,論證了短程反硝化-厭氧氨氧化在經濟和環境上可行性。短程反硝化-厭氧氨氧化工藝的發展為高質量濃度硝酸鹽廢水處理、高氨氮廢水厭氧氨氧化出水和城市污水深度脫氮的問題提供了新的處理思路。

  4.4新型組合工藝

  隨著對厭氧氨氧化工藝在實際城市生活污水處理中研究的深入,一些新型組合工藝的提出為厭氧氨氧化技術在實際工程的應用提供了技術支持。為了克服傳統城市生活污水處理的高能耗和高污泥產量問題,Gu等將Anammox整合到厭氧固定床反應器(去除COD)-序批式反應器(B1)-厭氧氨氧化移動床生物膜反應器(去除B1出水的NO-3-N)工藝中,從而實現節能運行和減少污泥產量。目前,如何有效地對NOB進行抑制及如何降低出水NO-3-N的質量濃度是厭氧氨氧化研究中比較關注的2個問題。Wang等設計了一種同時去除煙氣中氮氧化物和氨水中氮氧化物的新型厭氧氨氧化法,探討了一氧化氮(NO)作為厭氧氨氧化菌長期穩定的電子受體的可能性,研究表明,對于城市污水,去除氮氧化物的效率為70%~90%,總氮為40%~70%,COD為80%~90%,從而實現了具有潛力的應用技術。

  五、展望

  厭氧氨氧化作為一種目前最節能的脫氮工藝,得到了越來越多的專家和學者的關注。雖然厭氧氨氧化技術在實際城市生活污水中的應用性研究已經取得了一定的進步,但是在季節性變化很大的環境條件下,如何在低溫低氨氮下高效縮短厭氧氨氧化生物群落的培養周期,如何有效地抑制NOB活性,研究開發高效生物載體,創新適合中國城市污水水質特點的厭氧氨氧化處理工藝是目前尚待解決的問題。(來源:北京建筑大學城市雨水與水環境教育部重點實驗室)

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