探討改進AB工藝以達到優化脫氮的研究
摘 要：結合傳統的AB工藝運行方式對新近發現的亞硝酸鹽型硝化和ANAMMOX工藝加以改進，在減少能源(外加碳源和氧氣)消耗的同時產生了甲烷，減少了占地面積，提高了廢水處理系統的脫氮除磷效率。
1 AB工藝的缺點
傳統的AB工藝運行時部分氨氮、磷和COD一起被A段快速生長的微生物通過吸附作用帶入A段剩余污泥中，進入B段的廢水中COD含量少、氨氮約10～30mg/L，另外A段污泥經消化處理后產生具有較高氨氮含量的濃縮液(一般為0.5～1.5kgN/L)，總體上BOD5/TN很難達到反硝化對碳源的需求水平而成為AB工藝在脫氮過程中遇到的障礙。因此，傳統AB工藝在脫氮除磷時必須采取控制A段的COD去除率，或在反硝化段添加碳源并增加B段硝化運行級數和控制硝化液回流量等煩瑣措施才能實現達標排放。
2 ANAMMOX工藝和短程硝化
2.1 ANAMMOX工藝
氨氮厭氧氧化(ANAMMOX)是1995年荷蘭Delft技術大學Mulder等在研究生物反硝化時發現氨氮和硝酸鹽同時消失的現象后開發的一種新的處理工藝。研究表明，化能自養型細菌可以在無分子態氧的條件下以CO2(CO32-)作為碳源、NO2-為電子受體、NH4+作為電子供體，將NH4+和NO2-共同轉化為N2。[HJ]這一反應過程的發現為利用生物法處理高氨、低BOD的廢水找到了一條最優的途徑。理論上利用這一原理將比傳統工藝節省62.5%的O2［如式(1)、(2)所示］,同時不需任何外加堿度和有機物(反硝化菌的碳源和電子供體)。ANAMMOX反應過程如式(3)，該反應是一個自發的過程。
傳統脫氮過程：
NH4++2O2+0.83CH3OH→0.5N2+
3.17H2O+H++0.83CO2(1)
亞硝酸鹽型硝化+氨的厭氧氧化過程：
NH4++0.75O2→0.5N2+1.5H2O+H+(2)
NH4++NO2-→N2+2H2O(ΔG＝-358kJ/mol)(3)
該反應的微生物屬自養型厭氧細菌，生長速率非常低，但將氨氮厭氧轉化能力非常高，可以達到4.8kgTN/(m3·d)，最佳運行條件：溫度為10～43℃，pH值為6.7～8.3。
2.2 短程硝化工藝
如何使反應控制在亞硝酸型硝化階段(即實現短程硝化)是本項工藝改進的關鍵，以下介紹幾種實現的方法：
① 由于氨和亞硝酸是具有毒性的化合物，pH值的稍微改變就可能對這些化合物的濃度產生相當大的影響，改變pH值在最初確實可以使硝化作用朝著亞硝酸鹽方向進行，一般亞硝酸鹽型硝化的最佳pH值為7.4～8.3；
② 在高溫下亞硝酸鹽氧化菌比氨氮氧化菌世代期短、生長速率慢，因此通過縮短污泥齡在35℃可以獲得穩定的部分硝化過程；
③DO在0.5mg/L以下時利用生物膜或活性污泥中的亞硝酸鹽氧化菌和自養型氨厭氧氧化菌的氧親和力差異及物質傳輸的限制，就會有選擇性地限制亞硝酸鹽氧化菌的生長，這可以通過控制生物膜厚度和在絮體內、外部創造缺氧、好氧條件或通過SBR法的好氧與缺氧之間的快速循環而獲得；
SHARON工藝就是利用方法②實現的，即在一個單一反應器內通過亞硝酸鹽去除高濃度氨氮，而通過方法③可以形成OLAND形式的亞硝酸鹽型硝化，其反應見式(4)。
NH4++1.5O2→NO2-+H2O+2H+(ΔG=-260.2 kJ/mol)(4)
研究表明，亞硝酸鹽型硝化系統中富集的自養型氨厭氧氧化菌可以適應高濃度的亞硝酸鹽(＞1g/L，pH值為7)，該工藝非常適合高濃度氨氮廢水(＞0.5g/L)的脫氮。
3 AB工藝改進設想及優點
3.1 改進設想
將現有的AB工藝進行改進，利用SHARON或OLAND過程與氨氮厭氧氧化的ANAMMOX聯合實現脫氮，這種工藝在減少基建投資和運行成本的同時還能保證穩定、高效的脫氮除磷效果 。
3.2 可行性
A段產生的污泥含有大量有機物(吸附的BOD)、氨氮和磷，經厭氧消化處理后有機物以甲烷的形式回收利用，厭氧釋放的含氨氮、磷上清液在進入亞硝酸鹽硝化反應器前經過一道化學除磷過程之后進入亞硝酸鹽硝化段。自養型氨厭氧氧化菌具有相對較低的氨氮親和力，因此在處理氨氮濃度＞500g/m3的高溫廢水時出水中還會剩余一定量的氨氮，這為氨氮與亞硝酸鹽以1∶1進入ANAMMOX段提供了非常好的條件。ANAMMOX中自養型氨厭氧氧化菌以NO2-為電子受體、氨氮為電子供體、CO2或HCO3-為碳源，最終將NO2-和氨氮轉化為氮氣。這一過程無論在理論和實踐上都是可行的。
3.3 改進工藝的優點
改進后的AB工藝除具有傳統AB工藝的特點外，還增加了以下優點：
① 整個過程需要更少的供氧量(理論上減少了62.5%)；
② 不需要外加碳源(BOD)，從根本上解決了現有的污水處理廠普遍因碳源不足而脫氮除磷效率低的問題；
③ 污泥消化性能好，A段吸附的COD經污泥消化轉化為甲烷(0.5kg甲烷/kgCOD)，并且由于ANAMMOX微生物世代期長而從總體上減少了剩余污泥產量；
④ 通過A段吸附的有機物在污泥厭氧消化中提供短鏈脂肪酸強化了污泥釋磷的效果，結合后續的化學除磷過程使廢水中磷的去除更徹底；
⑤ ANAMMOX段氮的轉化率可達到0.25kgN/(kgSS·d)，是傳統活性污泥反硝化速率［0.012kgTN/(kgSS·d)］的20倍，大大提高了脫氮效率；
⑥ 由于負荷高，水力停留時間短，節省了占地面積和基建投資并實現了污水與污泥消化滲濾液一同高效處理，是城市污水處理廠未來處理工藝發展的新方向。
4 工藝改進的研究要點
4.1 氨氮和亞硝酸鹽量的合理搭配
ANAMMOX中所需的氨氮和亞硝酸鹽的最佳比例是脫氮的關鍵，實驗表明，ANAMMOX污泥可以有效地從污泥消化出水中去除氨氮和亞硝酸鹽(見表1)，但在實際工程中受溫度、堿度、溶解氧等環境條件影響時如何控制亞硝酸鹽硝化段的氨氮轉化率是實現完全脫氮的關鍵。
4.2 pH值的有效調控
亞硝酸鹽硝化段的最佳pH值為7.4～8.3，在氨氮氧化為亞硝酸鹽的過程中每氧化1mol的氨氮可產生2mg/L的氫離子［見式(2)］使出水pH值降低。如果50%的氨氮被轉化為亞硝酸鹽，則對于大多數污泥厭氧消化出水中以碳酸氫鹽形式存在的堿度足以彌補酸的產生，不需要添加額外的堿。因此，如何在最佳pH值內提高氨氮的轉化率是研究的關鍵。
表1 SHARON和ANAMMOX相結合去除氮的實驗結果 mg/L
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4.3 短程硝化的運行方式
除了SHARON方式外還可以通過合理控制溶解氧的生物膜反應器實現亞硝酸鹽蓄積形式，即OLAND工藝。此工藝受低溫影響小且可以實現氨氮的部分硝化和污泥的消化一體化，但是如何合理控制這一系統的溶解氧、絮體尺寸等因素使氨氮和亞硝酸鹽按照最佳比例進入ANAMMOX工藝，同樣是研究和實際應用的關鍵。
4.4 ANAMMOX工藝的運行方式
自養型氨厭氧氧化菌生長慢，啟動時間非常長，為使ANAMMOX污泥保留在反應器中并得到足夠的生物量，需要有效的污泥截留(由此建議用生物膜反應器)。另外ANAMMOX過程的營養需求，是否出現羥胺、肼類化合物，二氧化氮等代謝中間產[HJ]物和二次污染問題等都是新工藝實際運行中要解決的問題。
5 結語
結合傳統的AB工藝運行方式對新近發現的亞硝酸鹽型硝化和ANAMMOX工藝加以改進，在減少能源(外加碳源和氧氣)消耗的同時產生了甲烷，減少了占地面積，提高了廢水處理系統的脫氮除磷效率。
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