什么是厭氧氨氧化 (ANAMMOX) ？
時(shí)間：2022-04-25 10:46:51 作者：瀚藍(lán)水處理劑 點(diǎn)擊：
厭氧氨氧化 (ANAMMOX) 工藝是1990年荷蘭Delft技術(shù)大學(xué)Kluyver生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的。該工藝突破了傳統(tǒng)生物脫氮工藝中的基本理論概念。在厭氧條件下，以氨為電子供體，以硝酸鹽或亞硝酸鹽為電子受體，將氨氧化成氮?dú)猓@比全程硝化（氨氧化為硝酸鹽）節(jié)省60%以上的供氧量。以氨為電子供體還可節(jié)省傳統(tǒng)生物脫氮工藝中所需的碳源。
ANAMMOX 工藝具有脫氮效率高、運(yùn)行費(fèi)用低、占地空間小等優(yōu)點(diǎn)，在污水處理中發(fā)展?jié)摿薮蟆Ｄ壳霸摴に囋谔幚硎姓勰嘁侯I(lǐng)域已日趨成熟，位于荷蘭鹿特丹Dokhaven 污水廠的世界上首個(gè)生產(chǎn)性規(guī)模的ANAMMOX 裝置容積氮去除速率 (NRR) 更是高達(dá)9.5 kg N/(m3·d)。此外，ANAMMOX 工藝在發(fā)酵工業(yè)廢水、垃圾滲濾液、養(yǎng)殖廢水等高氨氮廢水處理領(lǐng)域的推廣也逐步開展，在世界各地的工程化應(yīng)用也呈星火燎原之勢。
Anammox是在無氧條件下，以氨為電子供體、亞硝酸為電子受體，產(chǎn)生氮?dú)夂拖跛岬纳锓磻?yīng)。Anammox包括兩個(gè)過程：一是分解（產(chǎn)能）代謝，即以氨為電子供體，亞硝酸鹽為電子受體，兩者以1:1的比例反應(yīng)生成氮?dú)猓旬a(chǎn)生的能量以ATP的形式儲存起來；二是合成代謝，即以亞硝酸鹽為電子受體提供還原力，利用碳源二氧化碳以及分解代謝產(chǎn)生的ATP合成細(xì)胞物質(zhì)，并在這一過程中產(chǎn)生硝酸鹽。厭氧氨氧化菌 (Anaerobic ammonia oxidation bacteria, AnAOB) 是厭氧氨氧化的實(shí)施者。NH4++ NO2-= N2+ 2H2O，ΔG=-358kg/mol厭氧氨氧化的發(fā)生進(jìn)程主要分為兩大步：“第一個(gè)過程是部分亞硝化(Partial Nitritation)，在這個(gè)過程中只有大約55%的氨氮需要轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽氮;第二個(gè)過程是厭氧氨氧化(Anammox)，氨氮在厭氧條件下，被亞硝酸氮作為電子受體，氧化成氮?dú)?。因此它也被稱作PN/A工藝。在這過程中，大約89%的無機(jī)氮都將被轉(zhuǎn)化產(chǎn)生氮?dú)猓硗?1%的無機(jī)氮被轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮，與傳統(tǒng)硝化反硝化工藝相比，厭氧氨氧化工藝有著巨大的技術(shù)優(yōu)勢，其曝氣能耗只有傳統(tǒng)工藝的55-60%;該工藝幾乎無需碳源，如果為了去除硝酸鹽產(chǎn)物需要在厭氧氨氧化過程中投加碳源，其投加量也比傳統(tǒng)工藝中碳源投加量降低90%;厭氧氨氧化工藝可以減少45%堿度消耗量。同時(shí)，厭氧氨氧化工藝的污泥產(chǎn)量也遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)脫氮工藝，這將顯著降低剩余污泥的處理和處置成本。
在主流污水處理系統(tǒng)中為anammox菌創(chuàng)造合適的生存條件是目前需要解決的挑戰(zhàn)，包括了anammox和AOB菌（氨氮化菌，將氨氮轉(zhuǎn)化成亞硝酸鹽）的富集，以及NOB菌（亞硝酸鹽氧化菌，將亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化成硝酸鹽）的抑制等。
微生物的代謝活性很大程度上受到溫度的影響。前期的研究結(jié)果表明，35℃是Anammox 菌生物代謝最快，并且繁殖周期最短的最適溫度。然而，大多數(shù)實(shí)際城市污水的水溫較低（10 ～ 25℃），尤其是一些高緯度如我國北方地區(qū)，廢水溫度常低于10℃。Anammox 在這些地區(qū)的應(yīng)用效果及穩(wěn)定性是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。城市污水主流溫度一般為 10～20 ℃左右， 低于AnAOB（25～40 ℃） 生長的最適宜溫度， 這會(huì)影響Anammox 的性能。厭氧氨氧化過程的底物是氨和亞硝酸鹽，但如果二者的濃度過高，也會(huì)對厭氧氨氧化過程產(chǎn)生抑制作用。有研究表明，氨的抑制濃度為38.0~98.5nmol/L，亞硝酸鹽的抑制濃度為5.4~12.0nmol/L。Jetten等人的研究認(rèn)為，在亞硝酸鹽濃度高于20nmol/L時(shí)，ANAMMOX工藝受到的抑制，長期（2h）處于高亞硝酸鹽濃度下，ANAMMOX活性會(huì)完全消失，但在較低的亞硝酸鹽濃度（10nmol/L左右）下，其活性仍會(huì)較高。
由于氨和亞硝酸鹽在水溶液中會(huì)發(fā)生離解，因此pH值對厭氧氨氧化有影響。研究表明，ANAMMOX工藝在pH值為6.7~8.3范圍內(nèi)可以運(yùn)行較好，最適pH值為8左右。
4、有機(jī)物的影響
污水中含有的COD 有助于異養(yǎng)反硝化菌的生長并對Anammox 過程形成抑制，只有當(dāng)COD 被前者消耗至較低水平時(shí)Anammox 過程才有可能占主導(dǎo)。這一問題在高強(qiáng)度城市污水的處理中尤為突出。Winkler等通過研究指出，在25℃環(huán)境下，如果原水的C/N ＜ 0.5，則Anammox 與異養(yǎng)反硝化過程可以和諧共存，不會(huì)導(dǎo)致脫氮效果下降。
應(yīng)用Anammox工藝時(shí)，必須在主流條件下盡可能降低NOB活性，使亞硝酸鹽累計(jì)，硝化系統(tǒng)處于短程硝化的狀態(tài)，這是確保Anammox 過程正常進(jìn)行的基礎(chǔ)并直接關(guān)系到其處理效果。上述目標(biāo)可以通過游離氨的控制來實(shí)現(xiàn)。所以，這就是為什么厭氧氨氧化主要應(yīng)用到高氨氮廢水中，因?yàn)楦甙钡獜U水中的游離氨可以抑制NOB，在控制條件合適的情況下使系統(tǒng)維持短程硝化狀態(tài)。而市政污水中，短程硝化的穩(wěn)定性受溫度、氨氮的影響沒有辦法做到穩(wěn)定運(yùn)行！在 PN/A 工藝中，短程硝化段也會(huì)受到溫度的影響，這是因?yàn)锳OB 在低溫條件下活性會(huì)受到抑制，降低氨氮的轉(zhuǎn)化率，并且AOB的活化能高于 NOB，導(dǎo)致 NO2-的積累不足，無法為Anammox 反應(yīng)提供足夠的底物。
實(shí)際工程應(yīng)用的厭氧氨氧化技術(shù)可以分為懸浮污泥、顆粒污泥和生物膜工藝。
AOB 和 AAOB 生長緩慢，世代周期長，在普通懸浮污泥系統(tǒng)中容易流失，所以懸浮污泥工藝常采用序批式活性污泥法反應(yīng)器（SBR）形式截留微生物。在所有的 SBR 厭氧氨氧化技術(shù)中，80%為 DEMON工藝。該工藝首先是在奧地利的 Strass 污水處理廠得到應(yīng)用，其核心是通過監(jiān)測 pH 的變化，來調(diào)整曝氣時(shí)間，進(jìn)而調(diào)整短程硝化和厭氧氨氧化的平衡；另一方面，該工藝?yán)盟π髌髡{(diào)節(jié) AAOB 和 AOB的泥齡，微生物在離心力的作用下會(huì)被分為 2 部分，較輕質(zhì)的 AOB 從頂部溢流，較重的 AAOB 聚集在底部回流至反應(yīng)器。Strass 污水處理廠實(shí)現(xiàn)了 85%以上的自養(yǎng)脫氮效率。顆粒污泥系統(tǒng)的一個(gè)典型案例是帕克公司在鹿特丹建立的 Anammox 反應(yīng)器，早期的測流工藝傾向于采用兩段式系統(tǒng)，所以實(shí)際運(yùn)行時(shí)該 Anammox反應(yīng)器與之前建好的亞硝化 SHARON 反應(yīng)器進(jìn)行耦合，形成了 Sharon-Anammox 反應(yīng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的啟動(dòng)經(jīng)歷了 3.5 年。隨后帕克公司又開發(fā)了一體式Anammox 反應(yīng)器。兩段式系統(tǒng)中的厭氧氨氧化反應(yīng)器和一體式反應(yīng)器均采用上向流連續(xù)式運(yùn)行，內(nèi)置斜板沉淀池，實(shí)現(xiàn)了對污泥顆粒的截留。生物膜形式的厭氧氨氧化工藝主要有DeAmmon 和 ANITATMMox 等。其中，DeAmmon 工藝由 3 個(gè) MBBR 反應(yīng)池和1 個(gè)脫氣池組成，3 個(gè)反應(yīng)池可以根據(jù)需要以串聯(lián)或者并聯(lián)的方式連接，MBBR 的填充率為 40%～50%。ANITATMMox 是在側(cè)流系統(tǒng)中主要采用一體化的 MBBR反應(yīng)池。ANITATMMox 可以采用純 MBBR 生物膜或者泥膜混合的 IFAS 形式。純生物膜工藝 AAOB菌在填料的最內(nèi)層，AOB 在外層；IFAS 工藝 AAOB主要在填料上，AOB 在懸浮污泥中。5、全球首個(gè)運(yùn)行的厭氧氨氧化工程實(shí)例！
2002 年，帕克公司在鹿特丹 Dokhaven 污水處理廠建造了世界第 1 座生產(chǎn)性厭氧氨氧化反應(yīng)器，采用 SharonAnammox 系統(tǒng)處理污泥脫水液。此后，荷蘭、德國、日本、澳大利亞、瑞士和英國等地也相繼建立了共100 多座厭氧氨氧化廢水處理廠，除了污泥消化液，處理的廢水還包括垃圾滲濾液、養(yǎng)殖場廢水、食品廢水等。
1、荷蘭鹿特丹DOKHAVEN污水處理廠厭氧氨氧化處理污泥流程圖：有機(jī)污泥作為一種能源載體，首先考慮將其中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為含能氣體——甲烷。以此為核心，形成如圖所示的污泥處理工藝。來自于污水處理過程產(chǎn)生的剩余污泥在進(jìn)入污泥消化池（5）前存在兩種不同的濃縮方法。來自于A段曝氣池的剩余污泥和浮滓在濃縮前先經(jīng)過一個(gè)細(xì)格柵（1）過濾，然后平行進(jìn)入兩個(gè)重力濃縮池（2）。沉淀污泥含水率為94%；分離出的上清液再回到污水處理工藝進(jìn)一步處理。污泥消化液含有相當(dāng)高的氨氮濃度（最高可達(dá)1500 mg N/L），水溫為28 ℃。如此高的氮負(fù)荷進(jìn)入污水處理工藝會(huì)加重氮的去除負(fù)擔(dān)。正因?yàn)槿绱耍捎米钚碌腟HARON與ANAMMOX技術(shù)對污泥消化液實(shí)施單獨(dú)脫氮處理是近年來DOKHAVEN污水處理廠升級的最新措施。世界上第一座生產(chǎn)性SHARON反應(yīng)器（11）已于1998年10月開始在此運(yùn)行，世界上第一座ANAMMOX反應(yīng)塔（12）也在2002年6月投入運(yùn)行。1) 細(xì)格柵1組，流量為510 m3/h，柵間距為3 mm。2) 重力濃縮池2組，Ф23.6 m,H=3 m，干固體負(fù)荷為36 kg/（m2·d），污泥體積為530 m3/d（含水率94%）。3) 帶式濃縮機(jī)處理能力為90 m3/h或700 kg干固體/h。4) 剩余污泥調(diào)節(jié)池為900 m3。5) 污泥消化池2組，Ф22 m,H=23 m，停留時(shí)間為33 ℃時(shí)28天，消化后污泥體積為600 m3/d(含水率96%)，熟污泥調(diào)節(jié)池為900 m3。6) 離心機(jī)2套，處理量為40 m3/h。7) 脫水熟污泥貯存罐2個(gè)，體積為150 m3；停放時(shí)間為2.5 d；H=14 m。8) SHARON反應(yīng)器1組；Ф19.5 m,H=5.75 m，流量為550 m 3/d，水力停留時(shí)間為3 d，好氧停留時(shí)間為24 h，溫度為35 ℃，pH為7～7.2，溶解氧濃度為1.5 mg/L。9) ANAMMOX反應(yīng)器1組；Ф2.2 m,H=18 m(V=70 m3)，流量為550 m3/d，水力停留時(shí)間為3 h，設(shè)計(jì)負(fù)荷為800 kgN/d，溫度為35 ℃，pH為 7.5。SHARON反應(yīng)器使一半的氨氮氧化至亞硝酸氮（無需控制pH），剩余一半氨氮與轉(zhuǎn)化而來的亞硝酸氮（進(jìn)水總氨氮的一半）剛好形成1∶1 ANAMMOX所需的摩爾關(guān)系，使氨氮和亞硝酸氮自養(yǎng)直接轉(zhuǎn)化為氮?dú)?。與傳統(tǒng)的硝化/反硝化過程相比，SHARON/ANAMMOX過程可使運(yùn)行費(fèi)用減少90%，CO2排放量減少88%，不產(chǎn)生N2O有害氣體，無需有機(jī)物，不產(chǎn)生剩余污泥，節(jié)省占地50%，具有顯著的可持續(xù)性與經(jīng)濟(jì)效益特點(diǎn)。
顯示了氣體循環(huán)ANAMMOX反應(yīng)塔現(xiàn)場實(shí)物圖片（利用一廢棄濃縮池改建而成）。經(jīng)SHARON/ANAMMOX對污泥消化液單獨(dú)進(jìn)行脫氮處理可使整個(gè)處理廠出水氮濃度下降至少5 mgN/L，與原始設(shè)計(jì)相比出水剛好能滿足未來出水標(biāo)準(zhǔn)。
