基于厭氧氨氧化反應(yīng)的污水處理工藝探究

文_沈東

湛江市生態(tài)環(huán)境局廉江分局

厭氧氨氧化反應(yīng)主要是在厭氧或缺氧條件下通過(guò)厭氧氨氧化菌氧化NH4+-N 為氮?dú)獾倪^(guò)程，能夠高效處理城市污水中的氨氮化合物，從根本上提升廢水脫氮效率，已經(jīng)成為新時(shí)期人們關(guān)注的焦點(diǎn)。尤其是在污水處理廠工藝設(shè)計(jì)時(shí)，借助厭氧氨氧化反應(yīng)能夠有效降低成本投入，使廢水脫氮后的各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，具有較高的研究意義和應(yīng)用價(jià)值。

1 厭氧氨氧化反應(yīng)概述

1.1 微生物概況

厭氧氨氧化菌主要生存在湖泊沉積物、油田、海洋等環(huán)境中，能夠通過(guò)生物反應(yīng)有效處理海洋、湖泊、河流等中的氮化物，保證水生態(tài)滿足生物生活和生長(zhǎng)需求，對(duì)水質(zhì)凈化及處理具有非常積極的作用，脫氮貢獻(xiàn)率詳見(jiàn)表1。

表1 厭氧氨氧化菌對(duì)不同環(huán)境氮循環(huán)的貢獻(xiàn)率

1.2 厭氧氨氧化反應(yīng)

厭氧氨氧化反應(yīng)主要利用菌落實(shí)現(xiàn)氮化物的反應(yīng)，將其轉(zhuǎn)變?yōu)榈獨(dú)馀湃氲娇諝庵校瑥亩档退鷳B(tài)中的氮化物濃度。一般上述試驗(yàn)中應(yīng)對(duì)反應(yīng)裝置、底物濃度、環(huán)境因素進(jìn)行嚴(yán)格控制，關(guān)鍵條件見(jiàn)表2。

表2 厭氧氨氧化反應(yīng)中的關(guān)鍵條件

由于厭氧氨氧化菌對(duì)生態(tài)環(huán)境要求較為嚴(yán)格，其溫度、濕度、有機(jī)物濃度等均會(huì)影響該菌落的反應(yīng)效果，在利用其開(kāi)展污水處理時(shí)必須做好各項(xiàng)環(huán)境條件的把握，尤其是氧氣濃度、含鹽條件等。

2 基于厭氧氨氧化反應(yīng)的污水處理工藝

2.1 脫氮工藝

當(dāng)廢水中的氨氮濃度較高時(shí)可以采用側(cè)流厭氧氨氧化反應(yīng)工藝。將高濃度含氨氮（800 ～3000mg/L）廢水導(dǎo)入到處理系統(tǒng)中，通過(guò)反硝化技術(shù)、有機(jī)氧化技術(shù)后得到的亞硝化物及厭氧氨氧化菌，在處理室內(nèi)完成短硝化和厭氧氨氧化，排放出廢水中多余的氮元素，達(dá)到高效脫氮的效果，側(cè)流厭氧氨氧化反應(yīng)流程見(jiàn)圖1。

圖1 側(cè)流厭氧氨氧化反應(yīng)流程

主流厭氧氨氧化反應(yīng)與側(cè)流厭氧氨氧化反應(yīng)原理基本一致，但兩者進(jìn)水的含氮量存在一定的差別。主流厭氧氨氧化反應(yīng)往往用于處理低濃度氨氮廢水，這類處理工藝能夠有效減少側(cè)流中反硝化環(huán)節(jié)的有機(jī)碳用量，還能夠節(jié)省有機(jī)氧化、短硝化等環(huán)節(jié)用氧量，除氮效率大約在0.2kg·m-3·d-1左右，效率非常顯著，詳情見(jiàn)表3。

表3 主流厭氧氨氧化反應(yīng)的除氮效率

2.2 泥污沉降

厭氧氨氧化反應(yīng)還能夠減少城市污水處理環(huán)節(jié)中的污泥量。傳統(tǒng)工藝處理過(guò)程中由于工藝技術(shù)和凈化流程等的差異，會(huì)造成污水中大量泥污需要單獨(dú)積沉、過(guò)濾，處理成本較高。而厭氧氨氧化反應(yīng)在處理過(guò)程中可以通過(guò)硝化細(xì)菌和厭氧氨氧化菌快速降解部分雜質(zhì)，并通過(guò)菌落培養(yǎng)的緊密顆粒使大量泥污沉降，減少了不必要的沉降劑。

上述處理過(guò)程中可將人工配水培養(yǎng)的硝化細(xì)菌加入到沉淀池中，先進(jìn)行第一步沉降，形成沉降顆粒；然后再將初沉池、硝化后的沉降顆粒等均進(jìn)行厭氧消化，通過(guò)培養(yǎng)的菌落二次沉降，保留更多的生物量，實(shí)現(xiàn)顆粒泥污高效反應(yīng)。由于顆粒污泥系統(tǒng)具有較高的體積轉(zhuǎn)化率，可以有效適應(yīng)低溫、低氨氮等條件下的顆粒泥污處理需求，在城市污水處理系統(tǒng)中具有非常廣泛的發(fā)展前景。

3 基于厭氧氨氧化反應(yīng)污水工藝的應(yīng)用

本次研究過(guò)程中主要以某市區(qū)污水處理廠項(xiàng)目為例，分析厭氧氨氧化反應(yīng)工藝的實(shí)際應(yīng)用效益，確定城市污水處理中的注意事項(xiàng)。

3.1 效益分析

某市區(qū)是我國(guó)南方地區(qū)三線城市，發(fā)展進(jìn)程緩慢，工業(yè)污水和生活污水排放量大，2016 年才開(kāi)始加強(qiáng)城市污水管理及處理方面的工作，在污水管理和污水排放控制方面還存在諸多不足。2018 年為全面提升污水脫氮處理效果，開(kāi)始對(duì)污水處理工藝進(jìn)行改革，以厭氧氨氧化反應(yīng)為核心開(kāi)展深層次脫氮。

改造前期，該地區(qū)污水氨氮含量可達(dá)到1000mg/L，除氮率僅為60%左右，排出的污水水質(zhì)無(wú)法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)含氮量指標(biāo),該市區(qū)污水處理廠投入大量資金采購(gòu)化學(xué)試劑進(jìn)行二次除氮，工藝造價(jià)較高，整體實(shí)用性較差，根本無(wú)法滿足城市生態(tài)化建設(shè)需求。2019 年該市區(qū)開(kāi)展污水處理廠改造后，通過(guò)短程硝化聯(lián)合厭氧氨氧化反應(yīng)有效處理15t 市區(qū)污水，在工藝指標(biāo)基礎(chǔ)上總體處理除氮貢獻(xiàn)率可達(dá)到32.5%，排出的各項(xiàng)水體水質(zhì)均含氮量經(jīng)測(cè)試達(dá)到本地區(qū)污水排放指標(biāo)。尤其是廢水除氮率可達(dá)到90%左右，排出的廢水中的含氮物（NO3-N、NH4+-N、COD）去除率分別為89.5%、97.6%、78.7%。

3.2 注意事項(xiàng)

首先，基于厭氧氨氧化反應(yīng)的污水處理工藝中為進(jìn)一步提升污水處理效益，必須加大對(duì)厭氧氨氧化菌的研究和培養(yǎng)，全面增強(qiáng)厭氧氨氧化菌的生物反應(yīng)效果，使氮化物轉(zhuǎn)化能力進(jìn)一步提升。除此之外，還需要對(duì)厭氧氨氧化反應(yīng)中的功能填料進(jìn)行優(yōu)化，增強(qiáng)填料的“催化”性能。

其次，要注意短程硝化和短程反硝化兩者使用過(guò)程中的工藝差異和效果差異，根據(jù)不同環(huán)節(jié)污水處理的具體要求合理利用和分配短程硝化和短程反硝化技術(shù)及資源，保證兩者達(dá)到預(yù)定的配合效果。除此之外，還需要把握以上兩項(xiàng)工藝的關(guān)鍵指標(biāo)，如在短程反硝化反應(yīng)環(huán)節(jié)，應(yīng)注意結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H和污水指標(biāo)驗(yàn)證各項(xiàng)操作的可行性和有效性，分析厭氧氨氧化反應(yīng)中工藝參數(shù)是否滿足區(qū)域污水處理指標(biāo)，使其能夠從根本上完成各項(xiàng)處理任務(wù)，達(dá)到廢水脫氮效率的最大化。

最后，要按照工藝原理不斷推陳出新，在厭氧氨氧化反應(yīng)基礎(chǔ)上形成新型組合工藝，在改善脫氮效率的基礎(chǔ)上減少泥污產(chǎn)量。如考慮一氧化氮作為厭氧氨氧化菌長(zhǎng)期穩(wěn)定的電子受體的可能性、增強(qiáng)NOB 抑制效果的可靠性；針對(duì)目前不同環(huán)境下的厭氧氨氧化菌開(kāi)展預(yù)實(shí)驗(yàn)，在實(shí)際工藝需求基礎(chǔ)上選擇最優(yōu)方案，保證厭氧氨氧化反應(yīng)效果滿足城市污水處理工作需求；實(shí)現(xiàn)多種工藝組合，利用國(guó)內(nèi)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，將厭氧氨氧化反應(yīng)器和不同工藝整合，形成類似于新加坡樟宜污水廠、湖北十堰西部垃圾填埋場(chǎng)等優(yōu)質(zhì)污水處理項(xiàng)目等，從不同環(huán)節(jié)出發(fā)全面改善厭氧氨氧化反應(yīng)工藝，全面推進(jìn)城市污水處理工藝發(fā)展進(jìn)程。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著生物技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，城市污水處理系統(tǒng)得到了本質(zhì)上的轉(zhuǎn)變，開(kāi)始利用生化反應(yīng)全面改善污水雜質(zhì)、提高有害元素及微生物等處理效果。尤其是在脫氮處理過(guò)程中，通過(guò)厭氧氨氧化反應(yīng)有效改善了氮化物去除率，從傳統(tǒng)工藝的60%去除率提升到了當(dāng)前的90%左右，有效維護(hù)了水生態(tài)中的氮元素平衡，達(dá)到了城市廢水處理效益的全面優(yōu)化。