廢水生物脫氮工藝-厭氧氨氧化
厭氧氨氧化(ANAMMOX)工藝，最初由荷蘭Delft工業大學于20世紀末開始研究，并于本世紀初成功開發應用的一種新型廢水生物脫氮工藝。它以20世紀90年代發現的ANAMMOX反應為基礎，該反應在厭氧條件下以氨為電子供體，亞硝酸鹽為電子受體反應生成氮氣，在理念和技術上大大突破了傳統的生物脫氮工藝。
ANAMMOX工藝具有脫氮效率高、運行費用低、占地空間小等優點，在污水處理中發展潛力巨大。目前該工藝在處理市政污泥液領域已日趨成熟，位于荷蘭鹿特丹Dokhaven污水廠的世界上首個生產性規模的ANAMMOX裝置容積氮去除速率(NRR)更是高達9.5kgN/(m3·d)。此外，ANAMMOX工藝在發酵工業廢水、垃圾滲濾液、養殖廢水等高氨氮廢水處理領域的推廣也逐步開展，在世界各地的工程化應用也呈星火燎原之勢。
1、ANAMMOX工藝及其衍生工藝
經過20多年的研究和發展，基于ANAMMOX反應開發出來的較成熟的工藝有SHARON-ANAMMOX工藝、全程自養脫氮(CANON)工藝、限氧自養硝化反硝化(OLAND)工藝、反硝化氨氧化(DEAMOX)工藝、好氧反氨化(DEMON)工藝。近年來，研究人員仍在不斷探索其他形式的ANAMMOX衍生工藝，譬如同步短程硝化、厭氧氨氧化、反硝化耦合(SNAD)工藝、單級厭氧氨氧化短程硝化脫氮(Single-stagenitrogenremovalusingANAMMOX)
目前，存在兩種方法為ANAMMOX提供電子受體亞硝酸鹽，一種是在一個獨立的曝氣反應器中產生而隨后進入ANAMMOX反應器，另一種是在一個無O2或者微O2的ANAMMOX反應器中產生并立即參與ANAMMOX反應。據此，可將ANAMMOX工藝相應分為分體式(兩級系統)和一體式(單級系統)兩種，一體式包括CANON、OLAND、DEAMOX、DEMON、SNAP、SNAD等工藝，分體式主要是SHARON-ANAMMOX工藝。
一體式工藝的基建成本低、結構緊湊、裝置運行和控制簡單，并且其短程硝化產生的亞硝酸鹽立即參與ANAMMOX反應，能有效避免因亞硝酸鹽累積造成的抑制，另外單位體積脫氮速率高也是一體化工藝的優勢。但是一體化工藝啟動時間長，反應器內微生物間的生態關系復雜，經受負荷沖擊時易失穩，并引發連鎖反應，導致“雪崩”效應，系統受擾紊亂后恢復時間也長。具體聯系污水寶或參見http://www.dowater.com更多相關技術文檔。
與一體式工藝相比，分體式工藝中的兩反應器可單獨進行靈活和穩定的調控，系統受擾后恢復時間短，ANAMMOX反應器進水具有相對穩定的氨氮和亞硝氮比例。其次由于短程硝化階段能削減某些毒物和有機物，避免其直接進入ANAMMOX反應器，所以更適合處理含毒物和有機物的廢水。另外，處理高負荷含氮廢水時，分體式工藝的高投資成本會通過較低的運營成本得以補償。因此，這兩種工藝各有利弊，實際應用時需根據具體情況，做到“因水制宜，量水裁藝”。
2、ANAMMOX工藝的工程應用現狀
在過去的10年里，ANAMMOX工程化應用逐漸興起，ANAMMOX工程化裝置和研究文獻呈逐年增長趨勢。第一座工程化裝置的誕生與ANAMMOX的發現和發展有短暫的滯后，由此可見中試和實驗室研究對工程化應用具有積極的推動作用。2014年末，全球范圍內ANAMMOX工程超過100座。
為了更好地控制短程硝化反應，短程硝化-厭氧氨氧化(PN-ANAMMOX)裝置大多采用兩級系統或利用已有的短程硝化系統(如SHARON反應器)。但隨著工程化經驗越來越豐富，重點開始轉向單級系統。目前，工程化的裝置主要包括移動床生物膜反應器(MBBR)、顆粒污泥反應器和序批式反應器(SBR)，還有少數生物轉盤(RBC)和活性污泥系統。
DEMON是最為風靡的SBR系統，該工藝首先裝配在奧地利Strass，采用自主設計的基于pH調控的進水控制系統，用來處理污泥壓濾液。利用水力旋流器可以分別調節適合氨氧化菌(AOB)和ANAMMOX菌(AnAOB)的泥齡(SRT)，并且可從接種污泥中分離出生長緩慢的AnAOB。還能使小絮體中的亞硝酸氧化菌(NOB)被洗出，使大聚集體中的AnAOB得以持留。另一種SBR技術是由瑞士聯邦水生科學技術研究所開發的基于氨控制的PN-ANAMMOX工藝。該工藝最早裝配在瑞士，在每個運行周期的開始階段或者曝氣階段進水，進水流量受氨傳感器調控，因此SBR運行周期長度不固定。氨信號也可由電導率信號替代，通過控制曝氣量確保短程硝化和ANAMMOX同步進行，一般溶解氧(DO)濃度控制在0.1mg/L以下，通常情況下建議采用連續曝氣，啟動階段或者污泥活性較低時采用間歇曝氣。
此外，一些PN-ANAMMOX設施采用其他調控策略，差異主要在于進水模式(間歇或連續)、污泥存在形式(懸浮或附著生長)、曝氣控制方式。比如德國Ingolstadt污水廠的SBR采用間歇進水(6h周期內進水4次)和間歇曝氣(6min曝氣/9min停止)。但在德國Gütersloh污水廠的SBR周期為24h，白天連續進水，進水量取決于污泥壓濾液的產生量。當氨濃度達到上限時啟動曝氣，當pH或者氨濃度跌至下限時停止曝氣，DO濃度控制在0.5mg/L以下。
一體式顆粒污泥反應器也應用于工業廢水的自養脫氮工程。目前在我國建造了數座實際工程，主要在發酵行業(包括釀酒、味精、酵母廢水)，其中通遼梅花味精廢水Ⅰ期工程ANAMMOX反應器容積高達6600m3，是迄今世界上規模最大的ANAMMOX工程。
傳統的生物膜技術也成功用于PN-ANAMMOX工藝。RBC是最早發現存有ANAMMOX反應的反應器之一，隨后被Ghent大學成功應用于OLAND工藝中。RBC的運營成本低，但工藝缺乏靈活性。目前，荷蘭Sneek市有兩座采用OLAND工藝處理厭氧消化廁所水的RBC裝置，一座容積0.5m3的裝置服務于64人口當量，另一座容積6m3服務于464人口當量。通過調節轉盤轉速(1−4r/min)來實現工藝控制，確保DO濃度處于目標值(0.60−0.65mg/L)。荷蘭Hulst市也有利用RBC處理化肥生產廢水的工程，通過在線監測氨來調控進水，調節轉盤轉速控制DO濃度。預計到2015年該工程的氮負荷可達150kgN/d。
2001年在德國Hattingen污水廠建造了一座生物膜PN-ANAMMOX工程，用于處理污泥壓濾液。該工程DeAmmon工藝中MBBR系統的40%−50%由填料填充，并設有曝氣裝置和攪拌器。2007年第二座采用DeAmmon工藝的MBBR裝置在瑞典Himmerfjärden污水廠開始建造。生物膜的理念還被應用在位于瑞典Malmö的ANITAMoxTM工藝設計中，該裝置不僅用于處理污泥壓濾液，還可為其他裝置培養種子載體。在此基礎上采用復合固定膜活性污泥裝置還可將性能提高3−4倍。
該復合裝置持留的懸浮污泥具有90%的AOB，其負荷比單一的生物膜系統高。在PN-ANAMMOX工藝中也有懸浮污泥理念的應用。荷蘭Colsen的新活性污泥(NAS)系統即采用懸浮污泥法，包括好氧、厭氧、攪拌室，依賴于PN-ANAMMOX和硝化反硝化耦合作用來處理食品加工廢水。通過控制DO和SRT實現工藝調控。德國TERRANA系統與復合固定膜活性污泥法原理相似，起初在SBR和分體式活性污泥工藝中都添加膨潤土載體，用于AnAOB附著和改善沉降性能，并且膨潤土還可為緩沖能力較弱的廢水補充堿度。
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