废水生物脱氮工艺-厌氧氨氧化

厌氧氨氧化(ANAMMOX)工艺，最初由荷兰Delft工业大学于20世纪末开始研究，并于本世纪初成功开发应用的一种新型废水生物脱氮工艺。它以20世纪90年代发现的ANAMMOX反应为基础，该反应在厌氧条件下以氨为电子供体，亚硝酸盐为电子受体反应生成氮气，在理念和技术上大大突破了传统的生物脱氮工艺。

ANAMMOX工艺具有脱氮效率高、运行费用低、占地空间小等优点，在污水处理中发展潜力巨大。目前该工艺在处理市政污泥液领域已日趋成熟，位于荷兰鹿特丹Dokhaven污水厂的世界上首个生产性规模的ANAMMOX装置容积氮去除速率(NRR)更是高达9.5kgN/(m3·d)。此外，ANAMMOX工艺在发酵工业废水、垃圾渗滤液、养殖废水等高氨氮废水处理领域的推广也逐步开展，在世界各地的工程化应用也呈星火燎原之势。

1、ANAMMOX工艺及其衍生工艺

经过20多年的研究和发展，基于ANAMMOX反应开发出来的较成熟的工艺有SHARON-ANAMMOX工艺、全程自养脱氮(CANON)工艺、限氧自养硝化反硝化(OLAND)工艺、反硝化氨氧化(DEAMOX)工艺、好氧反氨化(DEMON)工艺。近年来，研究人员仍在不断探索其他形式的ANAMMOX衍生工艺，譬如同步短程硝化、厌氧氨氧化、反硝化耦合(SNAD)工艺、单级厌氧氨氧化短程硝化脱氮(Single-stagenitrogenremovalusingANAMMOX)

目前，存在两种方法为ANAMMOX提供电子受体亚硝酸盐，一种是在一个独立的曝气反应器中产生而随后进入ANAMMOX反应器，另一种是在一个无O2或者微O2的ANAMMOX反应器中产生并立即参与ANAMMOX反应。据此，可将ANAMMOX工艺相应分为分体式(两级系统)和一体式(单级系统)两种，一体式包括CANON、OLAND、DEAMOX、DEMON、SNAP、SNAD等工艺，分体式主要是SHARON-ANAMMOX工艺。

一体式工艺的基建成本低、结构紧凑、装置运行和控制简单，并且其短程硝化产生的亚硝酸盐立即参与ANAMMOX反应，能有效避免因亚硝酸盐累积造成的抑制，另外单位体积脱氮速率高也是一体化工艺的优势。但是一体化工艺启动时间长，反应器内微生物间的生态关系复杂，经受负荷冲击时易失稳，并引发连锁反应，导致“雪崩”效应，系统受扰紊乱后恢复时间也长。具体联系污水宝或参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。

与一体式工艺相比，分体式工艺中的两反应器可单独进行灵活和稳定的调控，系统受扰后恢复时间短，ANAMMOX反应器进水具有相对稳定的氨氮和亚硝氮比例。其次由于短程硝化阶段能削减某些毒物和有机物，避免其直接进入ANAMMOX反应器，所以更适合处理含毒物和有机物的废水。另外，处理高负荷含氮废水时，分体式工艺的高投资成本会通过较低的运营成本得以补偿。因此，这两种工艺各有利弊，实际应用时需根据具体情况，做到“因水制宜，量水裁艺”。

2、ANAMMOX工艺的工程应用现状

在过去的10年里，ANAMMOX工程化应用逐渐兴起，ANAMMOX工程化装置和研究文献呈逐年增长趋势。第一座工程化装置的诞生与ANAMMOX的发现和发展有短暂的滞后，由此可见中试和实验室研究对工程化应用具有积极的推动作用。2014年末，全球范围内ANAMMOX工程超过100座。

为了更好地控制短程硝化反应，短程硝化-厌氧氨氧化(PN-ANAMMOX)装置大多采用两级系统或利用已有的短程硝化系统(如SHARON反应器)。但随着工程化经验越来越丰富，重点开始转向单级系统。目前，工程化的装置主要包括移动床生物膜反应器(MBBR)、颗粒污泥反应器和序批式反应器(SBR)，还有少数生物转盘(RBC)和活性污泥系统。

DEMON是最为风靡的SBR系统，该工艺首先装配在奥地利Strass，采用自主设计的基于pH调控的进水控制系统，用来处理污泥压滤液。利用水力旋流器可以分别调节适合氨氧化菌(AOB)和ANAMMOX菌(AnAOB)的泥龄(SRT)，并且可从接种污泥中分离出生长缓慢的AnAOB。还能使小絮体中的亚硝酸氧化菌(NOB)被洗出，使大聚集体中的AnAOB得以持留。另一种SBR技术是由瑞士联邦水生科学技术研究所开发的基于氨控制的PN-ANAMMOX工艺。该工艺最早装配在瑞士，在每个运行周期的开始阶段或者曝气阶段进水，进水流量受氨传感器调控，因此SBR运行周期长度不固定。氨信号也可由电导率信号替代，通过控制曝气量确保短程硝化和ANAMMOX同步进行，一般溶解氧(DO)浓度控制在0.1mg/L以下，通常情况下建议采用连续曝气，启动阶段或者污泥活性较低时采用间歇曝气。

此外，一些PN-ANAMMOX设施采用其他调控策略，差异主要在于进水模式(间歇或连续)、污泥存在形式(悬浮或附着生长)、曝气控制方式。比如德国Ingolstadt污水厂的SBR采用间歇进水(6h周期内进水4次)和间歇曝气(6min曝气/9min停止)。但在德国Gütersloh污水厂的SBR周期为24h，白天连续进水，进水量取决于污泥压滤液的产生量。当氨浓度达到上限时启动曝气，当pH或者氨浓度跌至下限时停止曝气，DO浓度控制在0.5mg/L以下。

一体式颗粒污泥反应器也应用于工业废水的自养脱氮工程。目前在我国建造了数座实际工程，主要在发酵行业(包括酿酒、味精、酵母废水)，其中通辽梅花味精废水Ⅰ期工程ANAMMOX反应器容积高达6600m3，是迄今世界上规模最大的ANAMMOX工程。

传统的生物膜技术也成功用于PN-ANAMMOX工艺。RBC是最早发现存有ANAMMOX反应的反应器之一，随后被Ghent大学成功应用于OLAND工艺中。RBC的运营成本低，但工艺缺乏灵活性。目前，荷兰Sneek市有两座采用OLAND工艺处理厌氧消化厕所水的RBC装置，一座容积0.5m3的装置服务于64人口当量，另一座容积6m3服务于464人口当量。通过调节转盘转速(1−4r/min)来实现工艺控制，确保DO浓度处于目标值(0.60−0.65mg/L)。荷兰Hulst市也有利用RBC处理化肥生产废水的工程，通过在线监测氨来调控进水，调节转盘转速控制DO浓度。预计到2015年该工程的氮负荷可达150kgN/d。

2001年在德国Hattingen污水厂建造了一座生物膜PN-ANAMMOX工程，用于处理污泥压滤液。该工程DeAmmon工艺中MBBR系统的40%−50%由填料填充，并设有曝气装置和搅拌器。2007年第二座采用DeAmmon工艺的MBBR装置在瑞典Himmerfjärden污水厂开始建造。生物膜的理念还被应用在位于瑞典Malmö的ANITAMoxTM工艺设计中，该装置不仅用于处理污泥压滤液，还可为其他装置培养种子载体。在此基础上采用复合固定膜活性污泥装置还可将性能提高3−4倍。

该复合装置持留的悬浮污泥具有90%的AOB，其负荷比单一的生物膜系统高。在PN-ANAMMOX工艺中也有悬浮污泥理念的应用。荷兰Colsen的新活性污泥(NAS)系统即采用悬浮污泥法，包括好氧、厌氧、搅拌室，依赖于PN-ANAMMOX和硝化反硝化耦合作用来处理食品加工废水。通过控制DO和SRT实现工艺调控。德国TERRANA系统与复合固定膜活性污泥法原理相似，起初在SBR和分体式活性污泥工艺中都添加膨润土载体，用于AnAOB附着和改善沉降性能，并且膨润土还可为缓冲能力较弱的废水补充碱度。