摘要:厌氧氨氧化工艺是一项绿色低碳生物脱氮技术,可替代传统硝化反硝化工艺,节省曝气能耗、碳源消耗,降低污泥产量。本文归纳了厌氧氨氧化工艺的技术原理、类型特点及适用场景,列举了厌氧氨氧化工艺在多个行业的应用实例,探讨了
厌氧氨氧化工艺的机遇与挑战,最后介绍了华体平台_华体(中国)的厌氧氨氧化工艺解决方案,以期推动厌氧氨氧化工艺的工程应用。
关键词:亚硝化,短程反硝化,自养脱氮,碳中和,工业废水
1 引言
氮素污染是引发水体富营养化与黑臭化的关键因素之
一,降低水环境质量,威胁水资源安全、人类身体健康与水生
物种安全。城乡生活污水、农业养殖废水和工业生产废水等
是重要的氮素污染源。目前,传统硝化反硝化是主要的水体
氮素削减工艺。然而,传统硝化反硝化工艺存在曝气能耗高、
外碳源消耗多和污泥产量高等问题,不利于“双碳”目标的实
现。与传统硝化反硝化工艺相比,基于厌氧氨氧化的新型生
物脱氮工艺可有效降低曝气能耗、碳源需要量和污泥产量,
实现大幅度节能降耗,符合绿色低碳理念。厌氧氨氧化工艺
有望协助污水处理厂实现能源自给、资源回用以及碳中和,促
进污水处理厂向水资源回收工厂蜕变。
厌氧氨氧化工艺在高含氮废水处理领域的工程应用早已
超过100项,且呈指数增长[1]。我国生态环保部、科技部正积
极推动厌氧氨氧化工艺的应用,厌氧氨氧化技术多次入选国
家先进技术目录。中科院也将厌氧氨氧化技术与应用评为全
球Top10热点前沿。多本著名国际、国内期刊对厌氧氨氧化发
布专刊、专栏。因此,厌氧氨氧化工艺是未来污水生物脱氮的
重要发展方向[2],值得工农企业、水务公司和环保公司等的
共同关注。
2 厌氧氨氧化工艺的技术原理
厌氧氨氧化工艺是指以厌氧氨氧化反应为核心的一系
列工艺流程体系。厌氧氨氧化反应可在厌氧条件下,分别以
氨氮(NH4+)和亚硝氮(NO2-)为电子供体和电子受体,以
生成氮气的形式实现两者的同步脱除,是一种自养脱氮反应
(式)。厌氧氨氧化反应的电子受体是亚硝氮(NO2-),产生
亚硝氮的生化反应包括亚硝化和短程反硝化。亚硝化反应是
氨氮氧化为亚硝氮的生化过程(NH4+→NO2-),是一种自养
反应(式)。当只有部分氨氮氧化为亚硝氮(50%左右)时,称
为部分亚硝化反应。短程反硝化反应是硝氮还原为亚硝氮的
生化过程(NO3-→NO2-),该反应的电子供体可以是有机物
和无机物,工程应用中以消耗有机物的异养反应为主。以乙酸
为有机底物的短程反硝化反应式如式所示。
厌氧氨氧化反应的功能菌称为厌氧氨氧化菌,为严格厌
氧菌,革兰氏阴性菌,隶属于浮霉菌门,具有独特的细胞结构
(图1(a)),厌氧氨氧化反应主要由内部的厌氧氨氧化体完
成。厌氧氨氧化菌由于富含血红素呈显现为鲜明的红色(图1
(b)),故也称为“红菌”。
亚硝化反应的功能菌称为亚硝酸菌或者氨氧化菌,分为
氨氧化细菌和氨氧化古菌。通常认为,亚硝化反应氨单加氧
酶和羟胺氧化还原酶共同完成。短程反硝化菌以消耗有机碳
源的异养菌为主,称为普通短程反硝化菌。根据硝酸盐还原、
亚硝酸盐还原功能基因的具备情况与表达状态,短程反硝化
菌可分为基因型短程反硝化菌和表现型短程反硝化菌。
3 厌氧氨氧化工艺的类型特点
根据亚硝氮的生成途径,厌氧氨氧化工艺可分为:(1)
部分亚硝化/厌氧氨氧化工艺;(2)硝化/短程反硝化/厌氧氨
氧化工艺;(3)部分亚硝化/短程反硝化/厌氧氨氧化工艺。此
外,还有一种比传统硝化反硝化工艺先进,但不以厌氧氨氧化
为核心的工艺,即亚硝化/反硝化工艺。上述五种生物脱氮工
艺的碳氮转化流程见图2。
由图2可见,与传统硝化/反硝化工艺相比,亚硝化/反硝
化工艺、部分亚硝化/厌氧氨氧化工艺、硝化/短程反硝化/厌
氧氨氧化工艺、以及部分亚硝化/短程反硝化/厌氧氨氧化工
艺等新型生物脱氮工艺,均可在不同程度上降低氧气需要量、
碳源需要量及污泥产量,但基于厌氧氨氧化的三种工艺的节
能降耗效果更明显。其中,部分亚硝化/厌氧氨氧化工艺在节
省碳源方面最具优势,碳源需要量可降低100%,此外,氧气需
要量和污泥产量分别降低42.5%和95.1%。部分亚硝化/短程
反硝化/厌氧氨氧化工艺在降低氧气需要量和污泥产量两个方
面潜力最大,降低程度分别为48.9%和95.5%,碳源需要量节
省程度也较高,为94.7%。与其他两种厌氧氨氧化技术相比,
硝化/短程反硝化/厌氧氨氧化工艺的节能降耗效果处于中等
水平,氧气需要量、碳源需要量及污泥产量降低程度分别为
35.1%、75.5%和70.6%。
4 厌氧氨氧化工艺的适用场景
三种厌氧氨氧化工艺适宜的应用场景不同。尽管部分亚
硝化/厌氧氨氧化工艺的碳源需要量最低,但由于厌氧氨氧化
反应自身不能将氨氮和亚硝氮全部转化为氮气,而是有部分
硝氮生成,导致该工艺的最大理论脱氮率为89%。因此,当最
大理论脱氮率不满足相应的出水总氮排放标准时,应考虑其
他两种厌氧氨氧化工艺,或者将厌氧氨氧化生成的硝氮完全
还原为氮气。因此,部分亚硝化/厌氧氨氧化工艺一般适用于
两种情形:(1)氨氮浓度高但无排放限值;(2)排放限值严
格但氨氮浓度低。
部分亚硝化/短程反硝化/厌氧氨氧化工艺主要是针对厌
氧氨氧化反应自身缺陷提出的。短程反硝化反应可将厌氧氨
氧化反应生成的硝氮还原为亚硝氮,再次作为厌氧氨氧化反
应的电子受体与残余氨氮同步脱除。理论上,部分亚硝化/短
程反硝化/厌氧氨氧化工艺的脱氮率可达100%。因此,当污水
部分亚硝化反应容易实现,处理出水水质标准高,且可提供少
量优质碳源(可来源于污水、污泥发酵)的前提下,可采用部分
亚硝化/短程反硝化/厌氧氨氧化工艺。
硝化/短程反硝化/厌氧氨氧化工艺主要是针对部分亚硝
化反应实现、维持困难,或者污水的氮素以硝氮为主的情形
提出的。城镇污水中的氮素以氨氮和有机氮为主,后者通过
氨化作用也可转化为氨氮。但与厌氧消化上清液等高氨氮废
水相比,城镇污水氨氮浓度较低且波动大,冬季水温较低,部
分亚硝化难以稳定实现,氨氮氧化生成的亚硝氮极易被硝酸
菌氧化为硝氮。因此,可考虑将氨氮部分完全氧化为硝氮,再
通过短程反硝化将硝氮还原为亚硝氮。短程反硝化与厌氧氨
氧化协同,可实现100%的脱氮率。有些高含氮工业废水,如
光伏废水,氮素以硝氮形式存在,原则上不可通过厌氧氨氧
化脱氮。但可与城镇污水混合处理,利用城镇污水中的有机
碳源将这些工业废水中硝氮短程反硝化为亚硝氮,城镇污水
中还含有氨氮,为厌氧氨氧化脱氮创造了条件,实现工业废水
与城镇污水的协同低耗脱氮。
5 厌氧氨氧化工艺的应用案例
5.1 污泥消化液
城镇污泥厌氧消化液是厌氧氨氧化工艺的主要应用场
景。全球首例厌氧氨氧化工艺的应用工程处理的就是荷兰
鹿特丹Dokhaven城镇污水处理厂的污泥厌氧消化液,于
2002年6月开始运行[3, 4]。进水水量为氨氮浓度约为1200
mg/L,进水水温和反应器混合液温度保持在32~33 ℃。厌
氧氨氧化工艺的类型为部分亚硝化/厌氧氨氧化工艺,部分
亚硝化反应、厌氧氨氧化反应分别在两个不同的反应器中完
成,前者称为SHARON反应器,尺寸为1800
m3,特点是水
力停留时间与固体停留时间相等(1.5
d),无需污泥回流;
后者称为ANAMMOX反应器,尺寸仅为70
m3,特点是为
内循环反应器构造,培养出高浓度的厌氧氨氧化颗粒污泥,
水力停留时间仅需6 h,实际脱氮能力达到7.1 kg N/m3/d。
SHARON/ANAMMOX两段式部分亚硝化/厌氧氨氧化工艺
为Dokhaven污水厂削减了10%~15%的总氮负荷,使该厂总
氮的去除以高效和可持续的特点获得明显改观[3]。
5.2 垃圾渗滤液
垃圾渗滤液也是厌氧氨氧化工艺应用较多的场景。台湾
省于2010年启动了中国第一座处理垃圾渗滤液的厌氧氨氧化
工艺应用工程[5],类型为部分亚硝化/厌氧氨氧化+反硝化工
艺,为一段式反应器,尺寸为384 m3。进水水量为304
m3/
d,COD和氨氮浓度分别为554
mg/L和634 mg/L,曝气池水
温为30~33 ℃,泥龄为12~18
d,水力停留时间为1.3 d,溶解
氧浓度控制在0.3
mg/L。该项目的总氮去除率为76%,厌氧
氨氧化反应和反硝化的贡献度分别为68%和8%。
5.3 食品工业废水
中国大陆最早(2009~2012年间)投运的数个厌氧氨氧
化工艺应用工程均处理工业废水,包括淀粉、红酒、味精和
甜味剂等,均由国外企业荷兰帕克设计和实施[1,
6]。其中,规
模最大的是内蒙古通辽梅花生物科技有限公司的污水处理
项目I期工程,也是全球规模最大的厌氧氨氧化工程项目,于
2010年投运。处理对象为味精生产废水,设计进水氨氮浓度
为600 mg/L。厌氧氨氧化工艺类型为部分亚硝化/厌氧氨氧
化工艺,部分亚硝化反应和厌氧氨氧化反应通过控制溶解氧
在同一个反应器中完成,即一段式反应器,尺寸为6600
处理能力达到11000 kg N/d,容积脱氮负荷为2 kg
m3,
N/m3/d。
但是,目前缺乏该项目的详细报导。全球范围内,厌氧氨氧化
工艺应用工程处理的食品工业废水还包括土豆加工、肉类加
工、酵母生产、牛奶和白酒废水等[1]。
5.4 城镇污水
全球城镇污水处理厂实现主流厌氧氨氧化的工程案例屈
指可数,较早报导的有奥地利Strass污水厂[7]、新加坡樟宜
污水厂[8]和中国西安第四污水厂[9,
水厂主流水温冬季低至8~12
10]等。奥地利Strass污
℃,亚硝氮来源是部分亚硝化
反应,亚硝酸菌和厌氧氨氧化菌来源于侧流厌氧氨氧化反应
器接种,构成颗粒污泥与活性污泥混合系统,依靠AvN曝气
技术维持主流厌氧氨氧化脱氮效果,厌氧氨氧化脱氮占比为
75%。新加坡樟宜污水厂主流为活性污泥系统,亚硝氮来源
也是部分亚硝化反应,但亚硝酸菌和厌氧氨氧化菌来源于主
流自发生长,厌氧氨氧化脱氮占比为62%,主要与新加坡得
天独厚的气候条件有关,全年水温维持在28~32
℃范围内。
西安第四污水厂的主流亚硝氮来源为短程反硝化,厌氧氨氧
化菌自发在缺氧区的悬浮填料上生长。进水氨氮为20.3~40.8
mg/L,在全年运行温度为10.7~25.2 ℃的条件下,出水总氮低
于10
mg/L,厌氧氨氧化脱氮贡献率最高可达30%。
5.5 源分离黑水
源分离黑水即厕所污水,包括大小便及其冲洗水。针对
部分亚硝化/厌氧氨氧化工艺处理黑水总氮无法满足一级A标
准的瓶颈问题,华体平台_华体(中国)与同济大学合作,设计了黑水低耗高
效处理与资源化技术框架,开发了黑水同步碳磷捕获与短程
生物脱氮集成工艺(图3)。在主流处理线,采用的短程生物
脱氮工艺为部分亚硝化/短程反硝化/厌氧氨氧化工艺。实际
黑水氨氮浓度为215 mg/L,反应器运行温度为15~20
℃,部
分亚硝化反应器的水力停留时间为6.5
氨氧化耦合反应器的水力停留时间为8.0
h,短程反硝化/厌氧
h。出水无机氮仅为
1.5
mg/L,去除率达到了99.3%,部分亚硝化反应器的氨氧化
负荷为0.85
kg
的脱氮负荷为0.57
N/m3/d,短程反硝化/厌氧氨氧化耦合反应器
kg N/m3/d。由于部分亚硝化/短程反硝化
/厌氧氨氧化工艺对有机碳源的需要量少,仅为黑水进水有机
物的7.4%。因此,黑水中的大部分碳源可被捕获,再通过厌氧
消化、热点联产技术实现碳回收。整套工艺实现了高效、低
碳和极限脱氮。
6 华体平台_华体(中国)的厌氧氨氧化工艺特色解决方案
华体平台_华体(中国)以创新为发展动力,充分利用自身优势,建立产
学研用平台,研发了厌氧氨氧化工艺的特色整体解决方案(图
4)。与同济大学展开合作,在对亚硝化、短程反硝化和厌氧氨
氧化等生化过程展开深入研究的基础上,提出了多种组合工
艺路线、多种反应器构造型式,可对应多种行业废水。基于对
机理模型和人工智能的模型,研发的各种智能控制技术可使
厌氧氨氧化工艺稳定运行。
7 结论
(1)厌氧氨氧化工艺是绿色低碳的生物脱氮工艺,不同
类型的厌氧氨氧化工艺可应对不同的应用场景与需求;
(2)厌氧氨氧化工艺的适用场景广泛,全球应用案例较
多,技术日趋成熟,但我国厌氧氨氧化工艺仍旧推动力不足,
需要工农企业、水务公司和环保公司共同推动。
(参考文献略)
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