城市污水厌氧氨氧化生物脱氮研究进展

全国城镇污水处理厂除磷脱氮及深度处理技术交流大会论文集-101-城市污水城市污水城市污水城市污水厌氧氨氧化厌氧氨氧化厌氧氨氧化厌氧氨氧化生物脱氮研究进展生物脱氮研究进展生物脱氮研究进展生物脱氮研究进展唐崇俭，郑平(浙江大学环境工程系，浙江杭州310029)摘摘摘摘要要要要：：：：厌氧氨氧化菌可在厌氧条件下以亚硝酸盐为电子受体将氨氧化为氮气，是目前废水生物脱氮的研究热点之一。小试的研究表明，该工艺的容积负荷可高达125kgN/(m3·d)。城市污水处理厂污泥厌氧消化液以及城市生活垃圾填埋场渗滤液都含有高氨氮浓度以及低有机物浓度，十分适合采用厌氧氨氧化工艺进行处理。目前，生产性厌氧氨氧化工艺已在荷兰、丹麦和日本等国成功应用于这两类废水的脱氮处理，最大容积氮去除速率高达9.5kgN/(m3·d)，显示了该工艺诱人的工程应用前景。本文分析了世界上第一个生产性厌氧氨氧化工艺处理城市污水厂污泥厌氧消化液的运行情况，论述了厌氧氨氧化工艺在城市污水处理中面临的问题。结合课题组内的研究结果，提出了一种新型的菌种流加式厌氧氨氧化工艺，并探讨了其在城市污水处理中的作用。关键关键关键关键词词词词：厌氧氨氧化；城市污水；生物脱氮；工程应用ApplicationofAnammoxProcessinMunicipalWastewaterTreatmentTangChongjian,ZhengPing（DepartmentofEnvironmentalEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310029,China）Abstract:Underanoxiccondition,anaerobicammonium-oxidizing(Anammox)bacteriacanoxidizeammoniumtonitrogengasusingnitriteaselectronacceptor.Itbecomesatopicissueonbiologicalnitrogenremovalfromammonium-richwastewaterduetosomepromisingadvantagessuchaslowoperationalcostandsuperhighvolumetricloadingrate.Asreported,thenitrogenloadingratereachedupto125kgN/(m3·d).Characterizedbyhighammoniumconcentrationandrelativelylowbiodegradableorganiccontent,thesludgedigesterliquorfromthemunicipalwastewatertreatmentplantandthelandfillleachatearedemonstratedtobeverysuitableforapplicationofAnammoxprocesstorealizehigh-ratenitrogenremoval.Thefull-scaleapplicationofAnammoxprocesshasalreadybeenappliedfornitrogenremovalfromsludgedigesterliquorandlandfillleachateinTheNetherlands,JapanandDenmarkwiththemaximumnitrogenremovalrateashighas9.5kgN/(m3·d).Thus,theoperationofthefirstfull-scaleAnammoxreactortreatingmunicipalsludgedigesterliquorwasintroduced,andtheproblemsduringtheapplicationofAnammoxprocessinmunicipalwastewatertreatmentwerediscussed.AninnovativeAnammoxprocesswithsequentialbiocatalystaddition(SBA-Anammoxprocess)wasproposedtoovercomethedrawbacksandacceleratetheapplicationofAnammoxprocessinmunicipalwastewaternitrogenremoval.全国城镇污水处理厂除磷脱氮及深度处理技术交流大会论文集-102-Keywords:Anammox;municipalwastewater;biologicalnitrogenremoval;application“十一五”期间，化学需氧量(COD)排放得到有效控制，氨氮已上升为影响地表水质的首要指标。根据分析，氨氮有望在“十二五”被纳入全国主要水污染物排放约束性控制指标，以便有效控制氨氮排放总量，改善目前水质氨氮普遍超标的情况，缓解氮素污染。我国氨氮排放量远远超出受纳水体的环境容量。据估算，2007年，我国氨氮排放总量约相当于环境容量的4倍左右，所致的环境污染十分严重。2007年，氨氮是长江、黄河、海河和辽河的首要污染物，同时也是珠江和淮河的主要污染物。2008年重点流域水污染防治专项规划考核结果表明，重点流域氨氮污染严重，其中海河、辽河、三峡库区及其上游、黄河中上游等流域大部分断面氨氮超标，太湖、巢湖、滇池等流域氨氮达标率也偏低。2008年全国地表水河流国控断面中氨氮劣Ⅴ类断面占19.2%，全部断面氨氮平均浓度为1.9mg/L，仅达Ⅴ类标准水平[1]。我国城市污水脱氮处理有待加强。第一次全国污染源普查公报显示，我国氨氮的年总排放量为172.91万吨，其中生活污水年氨氮排放量为148.93万吨，占氨氮总排放量的86.1%。我国污水处理厂污水年实际处理量为210.31亿吨，其中城镇污水处理厂处理194.41亿吨，占92.5%。但城市污水厂对氨氮的消减量仅为37.62万吨，氨氮消减率只有25%。另外，全国每年城市生活垃圾产生量（以清运量计）达1.521亿吨，共有垃圾无害处理设施460座，生活垃圾集中处理率为80.92%，无害化处理率为62.03%，垃圾渗滤液所致的氨氮污染负荷不断增大[2]。我国城市污水脱氮形势十分严峻。在城市生活污水中，氨氮通过微生物的同化作用被用于合成细胞，最终汇入到污水厂剩余污泥中。由于城市污水厂剩余污泥的处理与处置一直是个难题，往往先采用厌氧消化进行污泥减量处理。污泥的厌氧消化会将氨氮重新释放，导致消化液中含有高浓度的氨氮，并且有机物浓度较低[3-4]，采用传统的硝化-反硝化工艺处理时，不仅运行费用高，脱氮效率也不甚理想。此外，城市垃圾渗滤液不仅具有高氨氮和低有机物浓度，并且成分较为复杂，往往含有毒性物质[5]，采用生物处理时也面临技术上的难题。厌氧氨氧化工艺是近20年来开发成功的新型生物脱氮技术。在缺氧条件下，厌氧氨氧化菌以亚硝酸盐为电子受体将氨氧化为氮气[6]。在处理高氨氮废水时，通过前置短程硝化工艺将大约一半的氨转化为亚硝酸盐，在后置厌氧氨氧化工艺中，产生的亚硝酸盐与剩余的氨反应生成氮气。相对于传统的硝化-反硝化工艺，短程硝化-厌氧氨氧化工艺具有许多优势[7]：①需氧量减少62.5%，可有效降低充氧电耗；②无需补充有机碳源，运行费用降低；全国城镇污水处理厂除磷脱氮及深度处理技术交流大会论文集-103-③不涉及异养型的反硝化菌，可大大降低剩余污泥产量。其中，由于催化厌氧氨氧化反应的厌氧氨氧化菌为严格的化能自养型细菌，生长速度十分缓慢，细胞产率很低，使得厌氧氨氧化往往成为该组合工艺的限制步骤。另一方面，厌氧氨氧化工艺具有很高的容积效能。实验室小试的研究表明，该工艺最高容积负荷率可高达125kg-N/(m3·d)[8]，因而可大大减少反应器的占地面积，显著降低处理费用。在工程应用方面，世界上第一个生产性Anammox反应器已于2002年在荷兰鹿特丹市城市污水处理厂投入运行，用于处理厌氧污泥消化液，其容积氮去除速率高达9.5kg/(m3·d)[3]，对于一个62万人口的城市，其污泥消化液处理仅用了70m3的装置，显示出诱人的工程应用价值。本文拟就城市污水厌氧氨氧化生物脱氮的现状、工程应用中的问题以及强化技术做一综述。1111厌氧氨氧化工艺的高效性厌氧氨氧化工艺的高效性厌氧氨氧化工艺的高效性厌氧氨氧化工艺的高效性能能能能1111.1.1.1.1实验室实验室实验室实验室小试小试小试小试本课题组采用模拟含氮废水试验了厌氧氨氧工艺的潜能[8]。在反应器完成启动后，控制进水亚硝酸盐氮浓度为360mg/L，回流比为0.5，逐步缩短HRT，并维持氨氮浓度相对过量，经过450d的运行，逐步将HRT由6.90h缩短为0.16h，反应器的容积氮负荷由2.3kgN/(m3·d)提升为125.0kgN/(m3·d)，获得反应器的容积基质氮去除速率可高达74.3±6.7kgN/(m3·d)（图1）[8]。图1厌氧氨氧化反应器的脱氮效能Fig.1PerformanceofAnammoxprocessunderhighloadingrate反应器内的厌氧氨氧化颗粒污泥呈鲜红色，显现优良性能（见图2）。全国城镇污水处理厂除磷脱氮及深度处理技术交流大会论文集-104-图2高效厌氧氨氧化反应器及其颗粒污泥Fig.2ImagesofcarmineAnammoxgranules各研究者所得厌氧氨氧化工艺的高效性能列于表1。表1厌氧氨氧化工艺的高效性Tab.1Overviewofhigh-rateAnammoxprocess废水反应器类型容积/LNRR/kg/(m3·d)参考文献UASB1.174.3[8]UASB1.145.2[11]生物膜0.826.0[10]UASB1.111.7[12]ABF0.211.5[13]模拟废水气升式反应器1.88.9[14]总结来看，厌氧氨氧化工艺获得高效性的主要原因大致有二：其一，采取低基质浓度（尤其是低亚硝酸盐浓度）大流量（低HRT）的运行模式运行厌氧氨氧化反应器，注意避免基质（亚硝酸盐）的自抑制作用[8-10]。其二，形成颗粒污泥。颗粒污泥沉降性能好，易于通过沉降而持留在反应器内，可增加反应器内生物量的浓度[8]，因而容易获得高效性能。本课题组的研究表明[8]，在逐步提高进水流量的工况下，反应器内的水力负荷逐渐升高，反应全国城镇污水处理厂除磷脱氮及深度处理技术交流大会论文集-105-器内的厌氧氨氧化污泥逐步颗粒化，至HRT为0.16h，反应器内厌氧氨氧化颗粒污泥的平均粒径为2.5±0.9mm，其中粒径为1.5~3.7mm的颗粒污泥占污泥总数的82.7%；粒径小于1mm的污泥几乎没有，表明反应器内的生物污泥全部颗粒化，反应器内的污泥浓度高达42gVSS/L。其三，在高容积基质氮去除速率下富集培养获得的厌氧氨氧化污泥具有很高的比厌氧氨氧化活性[5.6kgN/(kgVSS·d)][8]，因而可有效地将系统内的基质快速转化，同时也在一定程度上缓解了基质的自抑制作用。1111....2222生产性装置生产性装置生产性装置生产性装置城市污水处理厂厌氧污泥消化液含有较高的氨氮浓度（~1200mgN/L）和较低的有机物浓度（100-300mgCOD/L），并且水温可维持在30℃左右[3,15]，适合采用厌氧氨氧化工艺进行脱氮处理。目前，厌氧氨氧化工艺广泛应用于污水厂污泥消化液的脱氮处理。城市垃圾渗滤液也具有氨氮浓度高（1500mgN/L）和有机物浓度低（500mgBOD5/L）的特点[16]，目前，也已有生产性厌氧氨氧化及其组合工艺应用于垃圾渗滤液的脱氮处理[3,17]。表2列出了厌氧氨氧化工艺在城市污水中的应用情况。2002年在荷兰鹿特丹市建成了世界上第一个生产性Anammox反应器，有效容积为70m3，用于处理经短程硝化后的厌氧消化污泥压滤液[3]。该Anammox反应器于2002年7月开始启动，在前8