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什么是厭氧氨氧化 (ANAMMOX) ？

時間：2022-04-26 來源： 瀏覽：

什么是厭氧氨氧化 (ANAMMOX) ？

盛大環(huán)境
盛大環(huán)境

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盛大環(huán)境是專注于工業(yè)及城鄉(xiāng)環(huán)境綜合服務(wù)的高新技術(shù)企業(yè)，擁有環(huán)境工程設(shè)計甲級、建筑工程施工總承包貳級、環(huán)保工程專業(yè)承包貳級、機電安裝工程專業(yè)承包貳級和環(huán)保設(shè)施運營等全項資質(zhì)，以深厚的技術(shù)底蘊和上百項工程經(jīng)驗，形成了行業(yè)領(lǐng)先的競爭優(yōu)勢。

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摘要
ANAMMOX工藝具有脫氮效率高、運行費用低、占地空間小等優(yōu)點，在污水處理中發(fā)展?jié)摿薮?。目前該工藝在處理市政污泥液領(lǐng)域已日趨成熟，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。厭氧氨氧化的原理是什么？影響因素是什么？讓我們一起來了解一下吧~

來源：環(huán)保工程師

什么是厭氧氨氧化 (ANAMMOX) ？

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)實驗室開發(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，將氨氧化成氮氣，這比全程硝化（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、運行費用低、占地空間小等優(yōu)點，在污水處理中發(fā)展?jié)摿薮?。目前該工藝在處理市政污泥液領(lǐng)域已日趨成熟，位于荷蘭鹿特丹Dokhaven 污水廠的世界上首個生產(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。

厭氧氨氧化的原理

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)生氮氣和硝酸的生物反應(yīng)。Anammox包括兩個過程：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)生成氮氣，并把產(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) 是厭氧氨氧化的實施者。

NH 4 + +NO 2 - = N 2 + 2H 2 O，ΔG=-358kg/mol

厭氧氨氧化的發(fā)生進(jìn)程主要分為兩大步：“第一個過程是部分亞硝化(Partial Nitritation)，在這個過程中只有大約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，氧化成氮氣。因此它也被稱作PN/A工藝。
在這過程中，大約89%的無機氮都將被轉(zhuǎn)化產(chǎn)生氮氣，另外11%的無機氮被轉(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，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。

厭氧氨氧化的影響因素

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。

1、溫度
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， 這會影響Anammox 的性能。
2、氨和亞硝酸鹽濃度
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，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，其活性仍會較高。

3、pH值
由于氨和亞硝酸鹽在水溶液中會發(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)可以運行較好，最適pH值為8左右。

4、有機物的影響

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Anammox 過程才有可能占主導(dǎo)。這一問題在高強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，不會導(dǎo)致脫氮效果下降。

5、短程硝化的穩(wěn)定性
 
應(yīng)用Anammox工藝時，必須在主流條件下盡可能降低NOB活性，使亞硝酸鹽累計，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，因為高氨氮廢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)定運行！在 PN/A 工藝中，短程硝化段也會受到溫度的影響，這是因為AOB 在低溫條件下活性會受到抑制，降低氨氮的轉(zhuǎn)化率，并且AOB的活化能高于 NOB，導(dǎo)致 NO 2 - 的積累不足，無法為Anammox 反應(yīng)提供足夠的底物。

ANAMMOX 工藝及其衍生工藝

實際工程應(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。

1、懸浮污泥工藝
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 污水處理廠實現(xiàn)了 85%以上的自養(yǎng)脫氮效率。
2、顆粒污泥工藝
顆粒污泥系統(tǒng)的一個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)，所以實際運行時該 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)式運行，內(nèi)置斜板沉淀池，實現(xiàn)了對污泥顆粒的截留。
3、生物膜工藝
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 MBBR 反應(yīng)池和1 個脫氣池組成，3 個反應(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。

全球首個運行的厭氧氨氧化工程實例

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：
圖1 污泥處理工藝流程
有機污泥作為一種能源載體，首先考慮將其中的有機物轉(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)過一個細(xì)格柵（1）過濾，然后平行進(jìn)入兩個重力濃縮池（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)入污水處理工藝會加重氮的去除負(fù)擔(dān)。正因為如此，采用最新的SHARON與ANAMMOX技術(shù)對污泥消化液實施單獨脫氮處理是近年來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月開始在此運行，世界上第一座ANAMMOX反應(yīng)塔（12）也在2002年6月投入運行。
2、工藝參數(shù)
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，停留時間為33 ℃時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2套，處理量為40 m3/h。
7) 脫水熟污泥貯存罐2個，體積為150 m3；停放時間為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 m3/d，水力停留時間為3 d，好氧停留時間為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550m3/d，水力停留時間為3 h，設(shè)計負(fù)荷為800 kgN/d，溫度為35 ℃，pH為 7.5。
圖2 SHARON工藝實際構(gòu)筑物
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)化為氮氣。與傳統(tǒng)的硝化/反硝化過程相比，SHARON/ANAMMOX過程可使運行費用減少90%，CO 2 排放量減少88%，不產(chǎn)生N 2 O有害氣體，無需有機物，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。

圖3　ANAMMOX反應(yīng)塔現(xiàn)場實物

圖3顯示了氣體循環(huán)ANAMMOX反應(yīng)塔現(xiàn)場實物圖片（利用一廢棄濃縮池改建而成）。經(jīng)SHARON/ANAMMOX對污泥消化液單獨進(jìn)行脫氮處理可使整個處理廠出水氮濃度下降至少5 mgN/L，與原始設(shè)計相比出水剛好能滿足未來出水標(biāo)準(zhǔn)。 

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