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合成氨废水生物脱氮处理技术

来源:四川华清-污水处理技术/工艺频道 发布日期:2014-11-06 点击数:

目前对含氨氮废水处理通常采用传统的生物脱氮技术,有A/O、A2/O、UCT、VIP 等各种工艺方式,同时还有SBR、DE型氧化沟、生物膜、生物滤池等方法脱氮。这些工艺尽管流程组合不一,运行方式各异,但其基本原理是相同的,即通过硝 化-反硝化过程使氨氮转化为氮气。

这些工艺在污水脱氮方面起到了一定的作用,但仍然存在很多问题:(1)硝化菌世代时间长,难以维持较高的生物浓度,造成系统水力停留时间长,有机负 荷较低,基建投资和运行费用高;(2)反硝化时碳源不足,需要外加碳源,同时由于硝化产酸,往往需要加碱中和,增加处理成本;(3)氨氮完全硝化需要大量 的氧,另外系统为维持较高的生物浓度和良好的脱氮效果,需要同时进行污泥回流和硝化液回流,动力消耗大;(4)硝化菌易受高浓度氨氮和亚硝酸盐抑制,抗冲 击能力低;(5)脱氮过程是一个矛盾统一体,硝化菌需要较长的污泥龄和好氧条件,而反硝化菌却需要较短泥龄和缺氧条件,同时异养菌和自养菌对氧气和营养物 质也存在竞争问题。

因此研究和应用节能、有效的废水脱氮工艺技术,已成为当今水污染控制领域的热点。近年来许多研究者对生物脱氮机理做了深入研究,相继提出了一系列新 的脱氮技术,近一步完善了生物脱氮的理论,目前发展起来的新型脱氮工艺主要包括:短程硝化反硝化(SHARON)、同步硝化反硝化(SND)、厌氧氨氧化 (ANAMMOX) 、OLAND 和CANON 等,这些工艺的特点都是力求缩短N 素的转化过程,为高浓度氨氮废水的高效生物脱氮提供了可能的途径。

1 新型生物脱氮工艺

新型生物脱氮技术按其生化反应原理可分为两类基本技术,一类是基于硝化—反硝化生化过程的新型生物脱氮工艺,另一类为基于厌氧氨氧化反应的新型生物脱氮工艺。

1.1 基于硝化—反硝化生化过程的新型生物脱氮工艺

1.1.1短程硝化反硝化工艺(SHARON)

SHARON(Single reactor for High activity Am-monia RemovalOver Nitrite)工艺是荷兰Delft 技术大学开发的一种新型的脱氮工艺[1]。其基本原理是在同一个反应器内,先在有氧条件下,利用氨氧化细菌将氨氧化生成NO2-;然后在缺氧条件下,以有 机物为电子供体,将亚硝酸盐反硝化,生成氮气。其反应式如下所示。

NH4++1.5O2→NO2-+2H++H2O

NO2-+3[H]+H+→0.5N2+2H2O

该工艺实际上是一种短程生物脱氮工艺[2]。与传统硝化反硝化生物脱氮工艺相比,该工艺具有以下优势(1)耗氧量减少25 %,可节省大量动力消耗和供氧设备;(2)节省反硝化所需碳源的40%,在C/N 比一定的情况下可提高TN 的去除率;(3)减少污泥生成量可达50 %;(4)缩短反应时间,相应反应器的容积减少。

1.1.2同步硝化—反硝化工艺(SND)

同步硝化反硝化生物脱氮是利用硝化菌和反硝化菌在同一反应器中同时实现硝化和反硝化得以脱氮。国内外目前对其机理已初步形成三种解释:(1)宏观解 释:由于生物反应器的混合形态不均,如充氧装置的不同,可在生物反应器内形成缺氧/厌氧段,此为生物反应器的大环境,即宏观环境;(2)微环境解释:由于 氧扩散的限制,在微生物絮体内产生DO 梯度,使实现SND 的缺氧/厌氧环境可在菌胶团内部形成,目前该说法已被广泛认同。(3)生物学解释:近几年好氧反硝化菌和异样硝化菌的发现,使得SND更具有实质意义,它 能使异养硝化和好氧反硝化同时进行,从而实现低碳源条件下的高效脱氮[3]。

这种工艺在同一反应器中实现硝化和反硝化,甚至还有除碳的功能,可通过生物转盘、SBR、氧化沟、CAST 等反应器实现,分为单级生物脱氮工艺、生物膜单级生物脱氮工艺、固定化微生物单级生物脱氮工艺等类型。目前国内的研究多局限于纯种微生物培养及实验室理论 研究,很少有实际工程应用,国外则已有同步硝化-反硝化脱氮工艺的污水处理在运行,但也有不足之处,所以这一新型的污水处理工艺还有待于进一步的研究和优 化。

1.2 基于厌氧氨氧化的新型生物脱氮工艺

1.2.1厌氧氨氧化技术(ANAMMOX)

20 世纪90 年代中期,荷兰的Mulder 小组发现,氨可以作为电子供体直接进行亚硝酸盐的反硝化作用,这个过程被定义为厌氧氨氧化(ANAMMOX)。它是在厌氧氨氧化菌的作用下,以氨 (NH4+)为电子供体,亚硝酸盐(NO2-)为电子受体,生成N2 的生物反应。其反应式为:

NH4++NO2-→N2+2H2O

5NH4++3NO3-→4N2+9H2O+2H+

因 ANAMMOX 过程能够同时去除氨和亚硝酸盐,且无需外加碳源,而且如果把ANAMMOX 反应与一个短程硝化过程结合在一起,那么在没有其它有机或无机电子供体的条件下,厌氧氨氧化菌可以利用硝化过程中产生的NO2-将剩余的NH4+氧化而产 生N2。因此,该反应对于无机含氨氮废水或碳源不足的废水具有非常大的意义,而且与传统的硝化反硝化工艺相比可以节省大量的供氧能耗,在环境工程领域有很高的开发价值。

与传统生物脱氮工艺相比,这种工艺具有以下优点:(1)氨作为电子供体,免除了外源有机物,节省了运行费用,也防止了二次污染;(2)曝气能耗下降,氧也得到了有效利用;(3)理论上由于部分氨未经硝化而直接参与厌氧氨氧化反应,产酸量下降,产碱量为零。

1.2.2 SHARON-ANAMMOX 组合工艺

该工艺是由荷兰Delft 工业大学在2001 年开发的,分别在两个反应器中实现部分硝化和厌氧氨氧化,即先在一个反应器内有氧条件下,利用氨氧化细菌将氨氧化为NO2-,然后在另一个反应器内缺氧条件下,以NH4+为电子供体,将NO2-反硝化。

通常情况下,SHARON 工艺可以控制部分硝化,使出水中的NH4+-N 和NO2--N 比例为1∶1,作为ANAMMOX 工艺的进水,组成一个新型的生物脱氮工艺,其反应如下所示:

0.5NH4++0.75O2→0.5NO2-+H++0.5H2O

0.5NH4++0.5NO2-→0.5N2+H2O

将两式合并,得

NH4++0.75O2→0.5N2+H++0.5H2O

SHARON-ANAMMOX 组合工艺具有耗氧量少、污泥产量少、不需要外加碳源等优点,是迄今为止最简捷的生物脱氮工艺,具有很好的应用前景,成为当前生物脱氮领域的一个研究热点,目前主要用于高浓度氨氮的废水如污泥消化液和垃圾渗漏液、低碳源工业废水的处理。

2 SHARON-ANAMMOX 工艺工程实例

该工艺与传统硝化/反硝化工艺相比,它具有诸多优点,其工艺的可持续性和显著的经济效益将为其带来广阔的应用前景。本文以某尿素生产企业终端污水处理为例,介绍SHARON-ANAMMOX 工艺设计及工程应用情况。

2.1 工程概况

某尿素生产企业于2007 年采用亚硝化和氨氧化组合工艺建设污水处理装置,2008 年投入运行。废水来源主要有生产合成氨、尿素、精甲醇等产品过程中排放的生产废水,以及企业公用工程所排放的一次废水,经过汇集后形成的综合废水,设计处 理能力15000 m3/日(折合625 m3/h),设计出水排放标准及进出水指标如表1 所示。

2.2 工艺原理及流程

该装置终端废水处理站根据SHARON-ANAMMOX 工艺,设计上采用了A2/O2 形式,即缺氧-厌氧-微氧-好氧串联的活性污泥处理工艺。设计各池反应如下:

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

厌氧氨氧化池:NH4++NO2-→N2+2H2O

微氧亚硝化池:2NH4++3O2→2NO2-+4H++2H2O

好氧硝化池:2NO2-+O2→2NO3-

该工艺采用缺氧区和厌氧区分段进水的策略,约70 %的废水从缺氧池进入与来自好氧池的回流液混合进行反硝化脱氮,然后进入厌氧池中,与剩余的约30 %的原水和来自微氧池的回流液混合进行氨氧化脱氮,接着废水再进入微氧池中进行亚硝化反应,反应后的水最后进入好氧池中进行硝化反应。为了提高脱氮率,在 进水中投加少量碳源,在微氧池投加少量碱度。工艺流程图如图1,其中厌氧池内装配高效弹性丝组合填料。

2.3 主要构筑物参数、指标及平面布置图

2.3.1各处理系统单元参数和指标

如表 2 所示。

2.3.2平面布置图

2.4 运行情况

该终端污水处理站采用的A2/O2 工艺是在SHARONANAMMOX工艺的基础上加以改进的一种新型脱氮工艺。此工艺最大的创新之处在于可以按照几种不同方式运行,有很强的适应性和发展 性,根据不同的控制方式,工艺可按全程硝化反硝化、短程硝化反硝化和半亚硝化-厌氧氨氧化等不同的方式运行,能够满足企业的不同发展需要。

该装置工艺于2008 年投入运行后,按全程硝化反硝化反应进行管理,出水氨氮和COD 都能达到合成氨行业废水排放的相关标准。在实现装置稳定运行后,于2010 年夏季,开始培养亚硝化菌和氨氧化菌种,进行新工艺控制运行,即半亚硝化-氨氧化组合运行,目前各项排水指标均能稳定达标,系统处于良好的平稳运行状态, 去除有机物及氨氮的效果明显。夏季水温高,氨氧化菌活性好,在进水氨氮为260~300 mg/L 时,出水仍可以达标排放,说明其处理能力得到了较大提高。

该装置主要存在问题为敞口设计,热量散发快,冬季时水温低,不能满足氨氧化菌的生长要求,半亚硝化-氨氧化反应在冬季效果较差,只能按其他工艺运行。

3 总结

目前,SHARON-ANAMMOX 工艺技术在我国还处于实验室和中试阶段,大规模工程化应用还鲜为报道。但鉴于该脱氮技术的巨大节能降耗潜力,根据其生理生化特性,设计合理的反应器及运行 条件,实现工程化应用已经具有可行性,可以预见该技术将具有广阔的应用前景。同时,由于脱氮理论研究的深入,新工艺层出不穷,将各种工艺有机组合使用以达 到更好的处理效果将会成为一种趋势,将会带来生物脱氮工艺的长足发展。

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