改进AB工艺以达到优化脱氮的探讨

赵 丹1，任南琪1，黄勇2，沈耀良2，李勇2
(1. 哈尔滨工业大学 市政环境工程学院， 黑龙江哈尔滨 150090；2.苏州科技学院环保系，江苏苏州 215011 )

　　摘　要： 探讨了按照短程硝化的思路对AB工艺加以改进达到优化脱氮的可能性。改进后的AB工艺A段将COD、氨氮、磷吸附进污泥中，污泥经厌氧消化将COD转化为生物能(甲烷)、出水通过旁流进行化学沉淀去除厌氧消化释放的磷。消化液中含有的氨氮进入短程硝化段，氨氮氧化菌将其转化为NO₂-(作为电子受体)，然后通过ANAMMOX中以氨氮为电子供体的自养型氨厌氧氧化菌的代谢作用最终转化为氮气。设想的新工艺具有较好的脱氮和除磷效果，估计其运行费用可能较低、适应性较广。
　　关键词：AB工艺；ANAMMOX；短程硝化；脱氮除磷；优化
　　中图分类号：X703.1
　　文献标识码：B
　　文章编号：1000-4602(2002)08-0030-03

1 AB工艺的缺点

　　传统的AB工艺运行时部分氨氮、磷和COD一起被A段快速生长的微生物通过吸附作用带入A段剩余污泥中，进入B段的废水中?COD含量少、氨氮约10～30mg/L，另外A段污泥经消化处理后产生具有较高氨氮含量的浓缩液(一般为0.5～1.5kgN/L)，总体上BOD₅/TN很难达到反硝化对碳源的需求水平而成为AB工艺在脱氮过程中遇到的障碍。因此，传统AB工艺在脱氮除磷时必须采取控制A段的COD去除率，或在反硝化段添加碳源并增加B段硝化运行级数和控制硝化液回流量等烦琐措施才能实现达标排放。

2 ANAMMOX工艺和短程硝化

2.1 ANAMMOX工艺
　　氨氮厌氧氧化^［1］(ANAMMOX)是1995年荷兰Delft技术大学Mulder等在研究生物反硝化时发现氨氮和硝酸盐同时消失的现象后开发的一种新的处理工艺。研究表明，化能自养型细菌可以在无分子态氧的条件下以CO₂(CO₃^2-)作为碳源、NO₂-为电子受体、NH₄+作为电子供体，将NH₄+和NO₂-共同转化为N₂［2］。[HJ]这一反应过程的发现为利用生物法处理高氨、低BOD的废水找到了一条最优的途径。理论上利用这一原理将比传统工艺节省62.5%的O₂［如式(1)、(2)所示］,同时不需任何外加碱度和有机物(反硝化菌的碳源和电子供体)。ANAMMOX反应过程如式(3)，该反应是一个自发的过程，反应途径见图1^［3］。
传统脱氮过程：
　　　　　NH₄⁺+2O₂+0.83CH₃OH→0.5N₂+
　　　　　3.17H₂O+H⁺+0.83CO₂　　　　(1)
　　亚硝酸盐型硝化+氨的厌氧氧化过程：
　　　　　NH₄⁺+0.75O₂→0.5N₂₊1.5H₂O+H⁺　　　(2)
　　　　　NH₄⁺+NO₂^-→N₂+2H₂O(ΔG＝-358kJ/mol)　　　(3)?

　　该反应的微生物属自养型厌氧细菌，生长速率非常低，但将氨氮厌氧转化能力非常高，可以达到4.8kgTN/(m³·d)，最佳运行条件：温度为10～43℃，pH值为6.7～8.3^［4］ 。
2.2 短程硝化工艺
　　如何使反应控制在亚硝酸型硝化阶段(即实现短程硝化)是本项工艺改进的关键，以下介绍几种实现的方法：
　　① 由于氨和亚硝酸是具有毒性的化合物，pH值的稍微改变就可能对这些化合物的浓度产生相当大的影响^［5］，改变pH值在最初确实可以使硝化作用朝着亚硝酸盐方向进行，一般亚硝酸盐型硝化的最佳pH值为7.4～8.3；
　　② 在高温下亚硝酸盐氧化菌比氨氮氧化菌世代期短、生长速率慢，因此通过缩短污泥龄在35℃可以获得稳定的部分硝化过程^［6］；
　　③DO在0.5mg/L以下时利用生物膜或活性污泥中的亚硝酸盐氧化菌和自养型氨厌氧氧化菌的氧亲和力差异^［5］及物质传输的限制，就会有选择性地限制亚硝酸盐氧化菌的生长，这可以通过控制生物膜厚度和在絮体内、外部创造缺氧、好氧条件或通过SBR法的好氧与缺氧之间的快速循环而获得；
　　SHARON工艺就是利用方法②实现的，即在一个单一反应器内通过亚硝酸盐去除高浓度氨氮^［6］，而通过方法③可以形成OLAND形式的亚硝酸盐型硝化，其反应见式(4)。
　　　　　　　NH₄⁺+1.5O₂→NO₂^-+H₂O+2H+(ΔG=-260.2 kJ/mol)　(4)
　　研究表明，亚硝酸盐型硝化系统中富集的自养型氨厌氧氧化菌可以适应高浓度的亚硝酸盐(＞1g/L，pH值为7)，该工艺非常适合高浓度氨氮废水(＞0.5g/L)的脱氮。?

3 AB工艺改进设想及优点

3.1 改进设想
　　将现有的AB工艺进行改进，利用SHARON或OLAND过程与氨氮厌氧氧化的ANAMMOX联合实现脱氮(见图2)，这种工艺在减少基建投资和运行成本的同时还能保证稳定、高效的脱氮除磷效果 。?

3.2 可行性
　　A段产生的污泥含有大量有机物(吸附的BOD)、氨氮和磷，经厌氧消化处理后有机物以甲烷的形式回收利用，厌氧释放的含氨氮、磷上清液在进入亚硝酸盐硝化反应器前经过一道化学除磷过程之后进入亚硝酸盐硝化段。自养型氨厌氧氧化菌具有相对较低的氨氮亲和力，因此在处理氨氮浓度＞500g/m³的高温废水时出水中还会剩余一定量的氨氮^［5］，这为氨氮与亚硝酸盐以1∶1进入ANAMMOX段提供了非常好的条件。ANAMMOX中自养型氨厌氧氧化菌以NO₂-为电子受体、氨氮为电子供体、CO₂或HCO₃-为碳源，最终将NO₂-和氨氮转化为氮气。这一过程无论在理论和实践上都是可行的^［1、2］。
3.3 改进工艺的优点
　　改进后的AB工艺除具有传统AB工艺的特点外，还增加了以下优点：
　　① 整个过程需要更少的供氧量(理论上减少了62.5%)；
　　② 不需要外加碳源(BOD)，从根本上解决了现有的污水处理厂普遍因碳源不足而脱氮除磷效率低的问题；
　　③ 污泥消化性能好，A段吸附的COD经污泥消化转化为甲烷(0.5kg甲烷/kgCOD)，并且由于ANAMMOX微生物世代期长而从总体上减少了剩余污泥产量；
　　④ 通过A段吸附的有机物在污泥厌氧消化中提供短链脂肪酸强化了污泥释磷的效果，结合后续的化学除磷过程使废水中磷的去除更彻底；
　　⑤ ANAMMOX段氮的转化率可达到0.25kgN/(kgSS·d)，是传统活性污泥反硝化速率［0.012kgTN/(kgSS·d)］的20倍，大大提高了脱氮效率；
　　⑥ 由于负荷高，水力停留时间短，节省了占地面积和基建投资并实现了污水与污泥消化渗滤液一同高效处理，是城市污水处理厂未来处理工艺发展的新方向。?

4 工艺改进的研究要点

4.1 氨氮和亚硝酸盐量的合理搭配
　　ANAMMOX中所需的氨氮和亚硝酸盐的最佳比例是脱氮的关键，实验表明^［5］，ANAMMOX污泥可以有效地从污泥消化出水中去除氨氮和亚硝酸盐(见表1)，但在实际工程中受温度、碱度、溶解氧等环境条件影响时如何控制亚硝酸盐硝化段的氨氮转化率是实现完全脱氮的关键。
4.2 pH值的有效调控
　　亚硝酸盐硝化段的最佳pH值为7.4～8.3^［5］，在氨氮氧化为亚硝酸盐的过程中每氧化1mol的氨氮可产生2mg/L的氢离子［见式(2)］使出水pH值降低。如果50%的氨氮被转化为亚硝酸盐，则对于大多数污泥厌氧消化出水中以碳酸氢盐形式存在的碱度足以弥补酸的产生，不需要添加额外的碱。因此，如何在最佳pH值内提高氨氮的转化率是研究的关键。

表1 SHARON和ANAMMOX相结合去除氮的实验结果　　　 mg/L 项目 SHARON—ANAMMOX 进水 出水/进水 出水 NH₄⁺ 584 267 29 NO₂- ＜1 227 1.4 NO₃- ＜1 64 83 N₂O ＜1 4 ＜1 N2 ＜1 ＜1 476

4.3 短程硝化的运行方式
　　除了SHARON方式外还可以通过合理控制溶解氧的生物膜反应器实现亚硝酸盐蓄积形式，即OLAND工艺。此工艺受低温影响小且可以实现氨氮的部分硝化和污泥的消化一体化，但是如何合理控制这一系统的溶解氧、絮体尺寸等因素使氨氮和亚硝酸盐按照最佳比例进入ANAMMOX工艺，同样是研究和实际应用的关键。
4.4 ANAMMOX工艺的运行方式
　　自养型氨厌氧氧化菌生长慢，启动时间非常长，为使ANAMMOX污泥保留在反应器中并得到足够的生物量，需要有效的污泥截留(由此建议用生物膜反应器)。另外ANAMMOX过程的营养需求，是否出现羟胺、肼类化合物，二氧化氮等代谢中间产[HJ]物和二次污染问题等都是新工艺实际运行中要解决的问题。

5 结语

　　结合传统的AB工艺运行方式对新近发现的亚硝酸盐型硝化和ANAMMOX工艺加以改进，在减少能源(外加碳源和氧气)消耗的同时产生了甲烷，减少了占地面积，提高了废水处理系统的脱氮除磷效率。

参考文献：
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［6］ Jetten M S M,Logemann S M,Muyzer G,et al.Novel Principles in the microbial conversion of nitrogen compound［J］.Anthonie Van Leeuwehoek,1997，71:75-93.

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　　收稿日期：2002-01-19