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部分亞硝化-厭氧氨氧化工藝聯(lián)合形式、應(yīng)用及脫氮效能評析

崔劍虹1，2，李祥1，2，黃勇1，2

（1蘇州科技學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇蘇州215009；2蘇州科技學(xué)院環(huán)境生物技術(shù)研究所，江蘇蘇州215009）

摘要：部分亞硝化-厭氧氨氧化聯(lián)合工藝與傳統(tǒng)生物脫氮工藝相比具有一定優(yōu)勢，但該聯(lián)合工藝是否一定優(yōu)于傳統(tǒng)生物脫氮工藝尚需論證。本文介紹了部分亞硝化-厭氧氨氧化聯(lián)合工藝的組合形式、特點和處理實際廢水的研究進展，從脫氮速率、能耗及碳源的角度將部分亞硝化-厭氧氨氧化聯(lián)合工藝與傳統(tǒng)生物脫氮工藝進行對比分析。指出部分亞硝化-厭氧氨氧化聯(lián)合工藝具有不需要額外投加有機碳源的優(yōu)點；部分亞硝化-厭氧氨氧化聯(lián)合工藝雖然在曝氣方面可以節(jié)省能耗，但是其中溫反應(yīng)需要一定的熱能消耗，綜合分析其處理能耗高于傳統(tǒng)生物脫氮工藝；同時該聯(lián)合工藝的整體脫氮速率與傳統(tǒng)生物脫氮工藝相比差別不大。據(jù)此提出在選擇生物脫氮工藝時需要考慮廢水的碳氮比，碳氮比高時可以采用傳統(tǒng)生物脫氮工藝，碳氮比低時可以考慮使用部分亞硝化-厭氧氨氧化聯(lián)合工藝。

關(guān)鍵詞：環(huán)境；廢水；部分亞硝化-厭氧氨氧化聯(lián)合工藝；厭氧；脫氮速率

第一作者：崔劍虹（1990—），男，碩士研究生，主要研究方向為廢水脫氮處理理論及工藝。E-mail cuijianhonghuan@126.com。聯(lián)系人：黃勇，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail yhuang@mail.usts.edu.cn。

如何去除水體中的氮素污染一直是環(huán)境領(lǐng)域的熱門課題。隨著對傳統(tǒng)生物脫氮工藝研究的深入，研究人員發(fā)現(xiàn)了一些新的脫氮機理，如好氧反硝化、厭氧氨氧化等?；谶@些新機理，研發(fā)出一批新型生物脫氮工藝，如短程硝化反硝化工藝、同步硝化反硝化工藝和部分亞硝化-厭氧氨氧化聯(lián)合工藝等。其中部分亞硝化-厭氧氨氧化是一種全程自養(yǎng)生物脫氮工藝，不需要額外投加有機碳源，而且只需要將部分氨氮氧化為亞硝酸鹽，與傳統(tǒng)生物脫氮相比可以節(jié)省曝氣量。因此，該工藝一經(jīng)問世就引起了人們的廣泛關(guān)注[1]。

目前部分亞硝化-厭氧氨氧化聯(lián)合工藝已經(jīng)成功啟動，并用于實際廢水的處理。與傳統(tǒng)生物脫氮工藝相比，新型聯(lián)合工藝在整體脫氮速率、處理能耗、處理成本等方面是否具有優(yōu)勢尚未有人評析。本文介紹了新型聯(lián)合工藝的組合形式、特點、實際應(yīng)用，并從整體脫氮速率、運行能耗方面與傳統(tǒng)生物脫氮工藝對比，為脫氮工藝的選擇提供一些建議。

1　部分亞硝化-厭氧氨氧化聯(lián)合工藝研究進展

部分亞硝化-厭氧氨氧化聯(lián)合工藝是指廢水先經(jīng)過亞硝化，將50%的氨氮氧化為亞硝酸鹽氮，然后剩余的氨氮與生成的亞硝酸鹽氮進行厭氧氨氧化反應(yīng)生成氮氣[2]。

部分亞硝化過程的關(guān)鍵在于如何富集氨氧化菌（AOB）的同時抑制亞硝酸鹽氧化菌（NOB）[3]，將硝化反應(yīng)控制在亞硝化階段。關(guān)于如何實現(xiàn)穩(wěn)定的部分亞硝化人們做了大量研究，目前通過控制溫度[4]、pH值[5]、溶解氧（DO）[6]、游離氨（FA）[7]、游離亞硝酸（FNA）[8]等單個或多個因素可以實現(xiàn)亞硝酸鹽的積累，但是由于NOB有很強的適應(yīng)性，運行一段時間后NOB的活性會逐漸恢復(fù)，所以很難維持長期穩(wěn)定的部分亞硝化。

厭氧氨氧化是一種新型生物脫氮技術(shù)，研究表明溫度、pH值[9]、DO[10]、FA、FNA等因素對其都有影響。雖然厭氧氨氧化菌具有較為苛刻的環(huán)境要求，但在實驗室中已獲得了較高的富集培養(yǎng)，在Tang等[11]的實驗中厭氧氨氧化反應(yīng)器的總氮去除速率高達76kg/(m3·d)。

根據(jù)部分亞硝化菌和厭氧氨氧化菌生理特性和環(huán)境因子需求差異，聯(lián)合工藝的組合形式也不一樣，可分為串聯(lián)工藝（例如Sharon-Anammox）和單一反應(yīng)器工藝（例如CANON、OLAND）。

1.1部分亞硝化-厭氧氨氧化串聯(lián)工藝部分亞硝化-厭氧氨氧化串聯(lián)工藝是指部分亞硝化反應(yīng)和厭氧氨氧化反應(yīng)在兩個獨立的反應(yīng)器中進行，通過串聯(lián)實現(xiàn)含氨廢水的自養(yǎng)脫氮。在串聯(lián)工藝中兩個反應(yīng)互不干擾，條件可控性強，可以為不同的功能菌營造各自最適的生長環(huán)境。Ma[12]、Shalini[13]、孫紅芳[14]等在實驗室中對串聯(lián)工藝進行的研究均表明：在部分亞硝化反應(yīng)器中如何維持AOB的優(yōu)勢地位是一個關(guān)鍵問題。單純通過控制DO、溫度、FA、FNA難以長期維持高效穩(wěn)定的部分亞硝化，一旦條件變化，NOB容易大量增長[15]。此外，隨著反應(yīng)的進行亞硝化反應(yīng)器中pH值會逐漸降低，厭氧氨氧化反應(yīng)器中pH值會逐漸升高，pH值的改變會抑制微生物的活性，需要額外投加酸堿來穩(wěn)定pH值。而且串聯(lián)工藝所需的體積較大，需要控制的因素多。

針對上述缺點，李祥等[16]增加了從厭氧氨氧化反應(yīng)器到亞硝化反應(yīng)器的回流，一方面使兩個反應(yīng)器的pH值可以相互調(diào)節(jié)，另一方面可以及時將亞硝化反應(yīng)器中的亞硝酸鹽轉(zhuǎn)移，從而使NOB因為缺乏基質(zhì)不能大量生長。

1.2部分亞硝化-厭氧氨氧化單一反應(yīng)器工藝

部分亞硝化-厭氧氨氧化單一反應(yīng)器工藝是指在一個反應(yīng)器內(nèi)通過控制曝氣量，在低溶解氧下使亞硝化和厭氧氨氧化同步發(fā)生。單一反應(yīng)器工藝可以節(jié)省建造成本和運行能耗，同時簡化了處理過程，易于控制。厭氧氨氧化產(chǎn)生的堿度可以適當(dāng)補充亞硝化過程中的消耗。亞硝化產(chǎn)生的亞硝酸鹽可以立即被厭氧氨氧化菌利用，有效抑制NOB的生長。

張杰[17]、Vlaeminck[18]等為了兼顧厭氧氨氧化反應(yīng)而將DO控制在較低的范圍內(nèi)，但是AOB和厭氧氨氧化菌對DO需求的矛盾很難調(diào)和，DO太高會抑制厭氧氨氧化菌的生長，太低則不利于亞硝酸鹽的積累。Zhang等[19]在用CANON工藝處理生活污水時發(fā)現(xiàn)：在反應(yīng)器啟動過程中，亞硝酸鹽的積累至關(guān)重要；但是在啟動初期，反應(yīng)器亞硝化能力有限，亞硝酸鹽的量不能滿足厭氧氨氧化菌的需求。

針對上述缺點，Gilbert[20]、Persson[21]等采用移動床生物膜反應(yīng)器，在生物膜上DO呈梯度分布，可以同時滿足AOB和厭氧氨氧化菌對DO的需求，實驗證明在生物膜中可以保留較高的生物量。

2　部分亞硝化-厭氧氨氧化聯(lián)合工藝處理實際廢水研究進展

2.1實際廢水小試研究進展

研究人員在實驗室中應(yīng)用該新型聯(lián)合工藝進行了處理各種實際廢水的可行性研究[22]并取得了一些成果。目前聯(lián)合工藝已成功地用于畜禽養(yǎng)殖廢水[23]、污泥消化液[24]、垃圾滲濾液[25]、淀粉廢水的處理。

在研究過程中，人們發(fā)現(xiàn)實際廢水成分復(fù)雜，會對聯(lián)合工藝產(chǎn)生各種不利影響。例如養(yǎng)殖廢水、淀粉廢水、味精廢水中有機物濃度較高，異養(yǎng)菌會逐漸生長并與AOB和厭氧氨氧化菌產(chǎn)生競爭。淀粉廢水含有大量懸浮物和膠體，這些物質(zhì)被污泥吸附后會逐漸使污泥中的惰性組分增加，從而導(dǎo)致污泥活性下降。焦化廢水中的酚類會對厭氧氨氧化產(chǎn)生影響[26]。

2.2工程應(yīng)用進展

部分亞硝化-厭氧氨氧化聯(lián)合工藝啟動時間長、需要的反應(yīng)條件苛刻一直是阻礙這項工藝用于實際生產(chǎn)的主要原因。但是隨著實驗室研究的不斷深入，聯(lián)合工藝有了良好的工程應(yīng)用前景。

2002年荷蘭鹿特丹建成世界上第一座生產(chǎn)性Anammox反應(yīng)器[27]與一座中溫亞硝化反應(yīng)器串聯(lián)使用來處理污泥消化液。隨著第一座部分亞硝化-厭氧氨氧化聯(lián)合反應(yīng)器的成功運行，越來越多的中試或生產(chǎn)性聯(lián)合工藝在世界范圍內(nèi)建成運行[28]，表1所示為部分生產(chǎn)性聯(lián)合工藝。

表1部分亞硝化-厭氧氨氧化聯(lián)合工藝生產(chǎn)實例

3　部分亞硝化-厭氧氨氧化聯(lián)合工藝脫氮效能評析

3.1脫氮速率對比

傳統(tǒng)生物脫氮工藝是通過硝化反硝化作用將氮素從水體中去除。Li等[29]在研究反硝化顆粒污泥的性質(zhì)和形成機理時，反硝化速率最高達到了35 kg/(m3·d)。傳統(tǒng)生物脫氮工藝發(fā)展至今已經(jīng)較為成熟，并衍生出了多種形式如A/O、A2/O、SBR，工藝脫氮速率達到1 kg/(m3·d)左右。Obaja等[30]用SBR工藝處理豬場廢水，脫氮速率達到1.49 kg/(m3·d)。但是在傳統(tǒng)生物脫氮工藝中也普遍存在一些問題：①反硝化時碳源不足，需要額外補充；②工藝中產(chǎn)生較多的剩余污泥，需要另行處理。

部分亞硝化-厭氧氨氧化聯(lián)合工藝中部分亞硝化是脫氮的先決步驟。如表2所示，研究人員做了大量研究，嘗試了各種啟動策略[31]和運行控制條件，雖然可以實現(xiàn)與后續(xù)厭氧氨氧化相匹配的部分亞硝化，但是亞硝化速率較低，因此部分亞硝化成為聯(lián)合工藝的速率限制步驟。

表2部分亞硝化研究現(xiàn)狀

由上述分析可知，部分亞硝化反應(yīng)器的氨氮好氧轉(zhuǎn)化速率明顯小于厭氧氨氧化反應(yīng)器的氮去除速率，為了滿足厭氧氨氧化菌對亞硝酸鹽的需要，在聯(lián)合工藝中部分亞硝化的反應(yīng)體積通常要大于厭氧氨氧化的反應(yīng)體積。因此，在聯(lián)合工藝中雖然厭氧氨氧化階段的脫氮速率很高，但是整體工藝的脫氮速率較低。

例如建在鹿特丹的Dokhaven市政污水處理廠的生產(chǎn)性Anammox反應(yīng)器，脫氮能力高達10.7 kg/(m3·d)，但是與它串聯(lián)的部分亞硝化反應(yīng)器體積為1700m3，而厭氧氨氧化反應(yīng)器體積只有70m3，經(jīng)過計算整體工藝的脫氮能力只有0.42 kg/(m3·d)[39]。表3為聯(lián)合工藝脫氮速率現(xiàn)狀，對聯(lián)合工藝的脫氮能力重新核算后可以看出整體工藝脫氮速率在1 kg/(m3·d)左右，與傳統(tǒng)生物脫氮工藝相比差別不大。

3.2脫氮能耗對比

與傳統(tǒng)生物脫氮工藝相比，部分亞硝化-厭氧氨氧化聯(lián)合工藝中僅將約50%的氨氮氧化成亞硝酸鹽，可以降低曝氣動力消耗。厭氧氨氧化菌需要在中溫環(huán)境下保持最佳活性[9]，雖然目前厭氧氨氧化反應(yīng)已經(jīng)能在常溫下啟動運行[47]，但是在聯(lián)合工藝中為了能夠?qū)崿F(xiàn)較高的脫氮速率，通常厭氧區(qū)溫度維持在30℃左右。因此，新型聯(lián)合工藝會產(chǎn)生更多的加熱能耗。 計算得到，未注明V1、V2、r1為單一反應(yīng)器工藝。

表3部分亞硝化-厭氧氨氧化聯(lián)合工藝脫氮速率

假設(shè)待處理廢水水量1t，溫度為25℃，氨氮濃度300mg/L，去除率為90%。依據(jù)1mg氨氮氧化為亞硝酸鹽需要3.29mg氧氣，氧化為硝酸鹽需要4.32mg氧氣[48]，氧轉(zhuǎn)移效率為20%。采用傳統(tǒng)的硝化反硝化脫氮工藝處理時，需要1166.4g氧氣，而新型聯(lián)合工藝需要444.15g氧氣。新型聯(lián)合工藝節(jié)省722.25g氧氣，可以節(jié)省電耗0.28kW·h。假設(shè)新型聯(lián)合工藝需要將廢水加熱到30℃，經(jīng)計算需要2.1×107J能量用于加熱，即使加熱設(shè)備的效率為100%也需要耗電5.83kW·h。綜合這兩部分的能耗可知新型聯(lián)合工藝處理廢水的能耗高于傳統(tǒng)生物脫氮工藝。

3.3外加碳源對比

傳統(tǒng)生物脫氮工藝需要有機碳源進行反硝化，聯(lián)合工藝則完全不需要。根據(jù)McCarty計算可知反硝化還原1mg硝酸鹽氮需要2.47mg甲醇。以處理上述1t廢水為例需要投加666.9g甲醇。若廢水自身有機碳含量較高時，可以減少傳統(tǒng)生物脫氮工藝中的外加碳源量。Tang等[49]在實驗中發(fā)現(xiàn)高濃度有機物會抑制厭氧氨氧化菌的活性，這是由于較多的有機碳源使得在厭氧區(qū)中反硝化菌大量生長，從而與Anammox產(chǎn)生基質(zhì)競爭。

3.4效能評析

與傳統(tǒng)生物脫氮工藝相比，部分亞硝化-厭氧氨氧化聯(lián)合工藝在脫氮速率上沒有明顯優(yōu)勢；新型聯(lián)合工藝雖然在曝氣方面節(jié)省能耗，但是用于加熱的能量消耗超過了曝氣節(jié)省的部分，綜合考慮新型聯(lián)合工藝的處理能耗高于傳統(tǒng)生物脫氮工藝；新型聯(lián)合工藝最突出的優(yōu)勢在于不需要外加碳源。因此，在選擇生物脫氮工藝時需要考慮廢水水質(zhì)特點，碳氮比高時可以采用傳統(tǒng)生物脫氮工藝，廢水自身的碳源彌補了傳統(tǒng)工藝反硝化時碳源不足的缺陷，而且傳統(tǒng)工藝的處理能耗低；碳氮比低時可以考慮采用部分亞硝化-厭氧氨氧化聯(lián)合工藝，可以充分發(fā)揮新型聯(lián)合工藝不需外加碳源的優(yōu)勢。

4　結(jié)語與展望

部分亞硝化-厭氧氨氧化聯(lián)合工藝作為一種全自養(yǎng)生物脫氮工藝在處理低碳氮比廢水方面具有廣闊的應(yīng)用前景，在目前的技術(shù)條件下，部分亞硝化過程是整體聯(lián)合工藝的速率限制步驟，也是提高聯(lián)合工藝處理能力的關(guān)鍵突破點。

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綜述與專論

Evaluation of combination，application and nitrogen removal efficiency of partial nitritation-anammox process

CUI Jianhong1，2，LI Xiang1，2，HUANG Yong1，2

（1School of Environment Science and Engineering，Suzhou University of Science and Technology，Suzhou 215009，Jiangsu，China；2Insitute of Environmental Biotechnology，Suzhou University of Science and Technology，Suzhou 215009，Jiangsu，China）

Abstract：This study introduced the combination，characteristics and research progress of partial nitritation-anammox.Partial nitritation-anammox process and traditional biological denitrification process were compared in nitrogen removal rate，energy consumption and carbon source.Although partial nitritation-anammox process doesn’t require organic carbon，its energy consumption is higher than traditional biological denitrification process due to heating and aeration.The difference between nitrogen removal rate of partial nitritation-anammox and traditional biological denitrification process is not significant.Carbon to nitrogen ratio of wastewater needs to be considered when choosing denitrification process.Traditional biological denitrification process is more suitable for high carbon to nitrogen ratio，and combined process is more suitable for low carbon to nitrogen ratio.

Key words：environment；waste water；partial nitritation-anammox；anaerobic；nitrogen removal rate

基金項目：國家自然科學(xué)基金（51008202）、江蘇省環(huán)境保護廳重大項目（201104）及蘇州科技學(xué)院研究生創(chuàng)新基金項目（skcx14/028）。

收稿日期：2014-12-19；修改稿日期：2014-12-27。

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2015.08.038

文章編號：1000–6613（2015）08–3142–05

文獻標志碼：A

中圖分類號：X 703