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合成氨廢水生物脫氮處理技術

來源:四川華清-污水處理技術/工藝頻道 發布日期:2014-11-06 點擊數:

目前對含氨氮廢水處理通常采用傳統的生物脫氮技術,有A/O、A2/O、UCT、VIP 等各種工藝方式,同時還有SBR、DE型氧化溝、生物膜、生物濾池等方法脫氮。這些工藝盡管流程組合不一,運行方式各異,但其基本原理是相同的,即通過硝 化-反硝化過程使氨氮轉化為氮氣。

這些工藝在污水脫氮方面起到了一定的作用,但仍然存在很多問題:(1)硝化菌世代時間長,難以維持較高的生物濃度,造成系統水力停留時間長,有機負 荷較低,基建投資和運行費用高;(2)反硝化時碳源不足,需要外加碳源,同時由于硝化產酸,往往需要加堿中和,增加處理成本;(3)氨氮完全硝化需要大量 的氧,另外系統為維持較高的生物濃度和良好的脫氮效果,需要同時進行污泥回流和硝化液回流,動力消耗大;(4)硝化菌易受高濃度氨氮和亞硝酸鹽抑制,抗沖 擊能力低;(5)脫氮過程是一個矛盾統一體,硝化菌需要較長的污泥齡和好氧條件,而反硝化菌卻需要較短泥齡和缺氧條件,同時異養菌和自養菌對氧氣和營養物 質也存在競爭問題。

因此研究和應用節能、有效的廢水脫氮工藝技術,已成為當今水污染控制領域的熱點。近年來許多研究者對生物脫氮機理做了深入研究,相繼提出了一系列新 的脫氮技術,近一步完善了生物脫氮的理論,目前發展起來的新型脫氮工藝主要包括:短程硝化反硝化(SHARON)、同步硝化反硝化(SND)、厭氧氨氧化 (ANAMMOX) 、OLAND 和CANON 等,這些工藝的特點都是力求縮短N 素的轉化過程,為高濃度氨氮廢水的高效生物脫氮提供了可能的途徑。

1 新型生物脫氮工藝

新型生物脫氮技術按其生化反應原理可分為兩類基本技術,一類是基于硝化—反硝化生化過程的新型生物脫氮工藝,另一類為基于厭氧氨氧化反應的新型生物脫氮工藝。

1.1 基于硝化—反硝化生化過程的新型生物脫氮工藝

1.1.1短程硝化反硝化工藝(SHARON)

SHARON(Single reactor for High activity Am-monia RemovalOver Nitrite)工藝是荷蘭Delft 技術大學開發的一種新型的脫氮工藝[1]。其基本原理是在同一個反應器內,先在有氧條件下,利用氨氧化細菌將氨氧化生成NO2-;然后在缺氧條件下,以有 機物為電子供體,將亞硝酸鹽反硝化,生成氮氣。其反應式如下所示。

NH4++1.5O2→NO2-+2H++H2O

NO2-+3[H]+H+→0.5N2+2H2O

該工藝實際上是一種短程生物脫氮工藝[2]。與傳統硝化反硝化生物脫氮工藝相比,該工藝具有以下優勢(1)耗氧量減少25 %,可節省大量動力消耗和供氧設備;(2)節省反硝化所需碳源的40%,在C/N 比一定的情況下可提高TN 的去除率;(3)減少污泥生成量可達50 %;(4)縮短反應時間,相應反應器的容積減少。

1.1.2同步硝化—反硝化工藝(SND)

同步硝化反硝化生物脫氮是利用硝化菌和反硝化菌在同一反應器中同時實現硝化和反硝化得以脫氮。國內外目前對其機理已初步形成三種解釋:(1)宏觀解 釋:由于生物反應器的混合形態不均,如充氧裝置的不同,可在生物反應器內形成缺氧/厭氧段,此為生物反應器的大環境,即宏觀環境;(2)微環境解釋:由于 氧擴散的限制,在微生物絮體內產生DO 梯度,使實現SND 的缺氧/厭氧環境可在菌膠團內部形成,目前該說法已被廣泛認同。(3)生物學解釋:近幾年好氧反硝化菌和異樣硝化菌的發現,使得SND更具有實質意義,它 能使異養硝化和好氧反硝化同時進行,從而實現低碳源條件下的高效脫氮[3]。

這種工藝在同一反應器中實現硝化和反硝化,甚至還有除碳的功能,可通過生物轉盤、SBR、氧化溝、CAST 等反應器實現,分為單級生物脫氮工藝、生物膜單級生物脫氮工藝、固定化微生物單級生物脫氮工藝等類型。目前國內的研究多局限于純種微生物培養及實驗室理論 研究,很少有實際工程應用,國外則已有同步硝化-反硝化脫氮工藝的污水處理在運行,但也有不足之處,所以這一新型的污水處理工藝還有待于進一步的研究和優 化。

1.2 基于厭氧氨氧化的新型生物脫氮工藝

1.2.1厭氧氨氧化技術(ANAMMOX)

20 世紀90 年代中期,荷蘭的Mulder 小組發現,氨可以作為電子供體直接進行亞硝酸鹽的反硝化作用,這個過程被定義為厭氧氨氧化(ANAMMOX)。它是在厭氧氨氧化菌的作用下,以氨 (NH4+)為電子供體,亞硝酸鹽(NO2-)為電子受體,生成N2 的生物反應。其反應式為:

NH4++NO2-→N2+2H2O

5NH4++3NO3-→4N2+9H2O+2H+

因 ANAMMOX 過程能夠同時去除氨和亞硝酸鹽,且無需外加碳源,而且如果把ANAMMOX 反應與一個短程硝化過程結合在一起,那么在沒有其它有機或無機電子供體的條件下,厭氧氨氧化菌可以利用硝化過程中產生的NO2-將剩余的NH4+氧化而產 生N2。因此,該反應對于無機含氨氮廢水或碳源不足的廢水具有非常大的意義,而且與傳統的硝化反硝化工藝相比可以節省大量的供氧能耗,在環境工程領域有很高的開發價值。

與傳統生物脫氮工藝相比,這種工藝具有以下優點:(1)氨作為電子供體,免除了外源有機物,節省了運行費用,也防止了二次污染;(2)曝氣能耗下降,氧也得到了有效利用;(3)理論上由于部分氨未經硝化而直接參與厭氧氨氧化反應,產酸量下降,產堿量為零。

1.2.2 SHARON-ANAMMOX 組合工藝

該工藝是由荷蘭Delft 工業大學在2001 年開發的,分別在兩個反應器中實現部分硝化和厭氧氨氧化,即先在一個反應器內有氧條件下,利用氨氧化細菌將氨氧化為NO2-,然后在另一個反應器內缺氧條件下,以NH4+為電子供體,將NO2-反硝化。

通常情況下,SHARON 工藝可以控制部分硝化,使出水中的NH4+-N 和NO2--N 比例為1∶1,作為ANAMMOX 工藝的進水,組成一個新型的生物脫氮工藝,其反應如下所示:

0.5NH4++0.75O2→0.5NO2-+H++0.5H2O

0.5NH4++0.5NO2-→0.5N2+H2O

將兩式合并,得

NH4++0.75O2→0.5N2+H++0.5H2O

SHARON-ANAMMOX 組合工藝具有耗氧量少、污泥產量少、不需要外加碳源等優點,是迄今為止最簡捷的生物脫氮工藝,具有很好的應用前景,成為當前生物脫氮領域的一個研究熱點,目前主要用于高濃度氨氮的廢水如污泥消化液和垃圾滲漏液、低碳源工業廢水的處理。

2 SHARON-ANAMMOX 工藝工程實例

該工藝與傳統硝化/反硝化工藝相比,它具有諸多優點,其工藝的可持續性和顯著的經濟效益將為其帶來廣闊的應用前景。本文以某尿素生產企業終端污水處理為例,介紹SHARON-ANAMMOX 工藝設計及工程應用情況。

2.1 工程概況

某尿素生產企業于2007 年采用亞硝化和氨氧化組合工藝建設污水處理裝置,2008 年投入運行。廢水來源主要有生產合成氨、尿素、精甲醇等產品過程中排放的生產廢水,以及企業公用工程所排放的一次廢水,經過匯集后形成的綜合廢水,設計處 理能力15000 m3/日(折合625 m3/h),設計出水排放標準及進出水指標如表1 所示。

2.2 工藝原理及流程

該裝置終端廢水處理站根據SHARON-ANAMMOX 工藝,設計上采用了A2/O2 形式,即缺氧-厭氧-微氧-好氧串聯的活性污泥處理工藝。設計各池反應如下:

缺氧反硝化池:6NO3-+5CH3OH→5CO2+3N2+7H2O+6OH-

厭氧氨氧化池:NH4++NO2-→N2+2H2O

微氧亞硝化池:2NH4++3O2→2NO2-+4H++2H2O

好氧硝化池:2NO2-+O2→2NO3-

該工藝采用缺氧區和厭氧區分段進水的策略,約70 %的廢水從缺氧池進入與來自好氧池的回流液混合進行反硝化脫氮,然后進入厭氧池中,與剩余的約30 %的原水和來自微氧池的回流液混合進行氨氧化脫氮,接著廢水再進入微氧池中進行亞硝化反應,反應后的水最后進入好氧池中進行硝化反應。為了提高脫氮率,在 進水中投加少量碳源,在微氧池投加少量堿度。工藝流程圖如圖1,其中厭氧池內裝配高效彈性絲組合填料。

2.3 主要構筑物參數、指標及平面布置圖

2.3.1各處理系統單元參數和指標

如表 2 所示。

2.3.2平面布置圖

2.4 運行情況

該終端污水處理站采用的A2/O2 工藝是在SHARONANAMMOX工藝的基礎上加以改進的一種新型脫氮工藝。此工藝最大的創新之處在于可以按照幾種不同方式運行,有很強的適應性和發展 性,根據不同的控制方式,工藝可按全程硝化反硝化、短程硝化反硝化和半亞硝化-厭氧氨氧化等不同的方式運行,能夠滿足企業的不同發展需要。

該裝置工藝于2008 年投入運行后,按全程硝化反硝化反應進行管理,出水氨氮和COD 都能達到合成氨行業廢水排放的相關標準。在實現裝置穩定運行后,于2010 年夏季,開始培養亞硝化菌和氨氧化菌種,進行新工藝控制運行,即半亞硝化-氨氧化組合運行,目前各項排水指標均能穩定達標,系統處于良好的平穩運行狀態, 去除有機物及氨氮的效果明顯。夏季水溫高,氨氧化菌活性好,在進水氨氮為260~300 mg/L 時,出水仍可以達標排放,說明其處理能力得到了較大提高。

該裝置主要存在問題為敞口設計,熱量散發快,冬季時水溫低,不能滿足氨氧化菌的生長要求,半亞硝化-氨氧化反應在冬季效果較差,只能按其他工藝運行。

3 總結

目前,SHARON-ANAMMOX 工藝技術在我國還處于實驗室和中試階段,大規模工程化應用還鮮為報道。但鑒于該脫氮技術的巨大節能降耗潛力,根據其生理生化特性,設計合理的反應器及運行 條件,實現工程化應用已經具有可行性,可以預見該技術將具有廣闊的應用前景。同時,由于脫氮理論研究的深入,新工藝層出不窮,將各種工藝有機組合使用以達 到更好的處理效果將會成為一種趨勢,將會帶來生物脫氮工藝的長足發展。

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