厌氧氨氧化技术处理高浓度氨氮工业废水的可行性分析

　　【论文摘要】厌氧氨氧化(Anammox)技术是一种新型自养生物脱氮工艺，处理低C/N比、高浓度氨氮废水具有突出优势．本文总结了厌氧氨氧化技术的应用现状和不同工业行业高氨氮废水的水质特征，分析了氨氮、有机物等因素对厌氧氨氧化菌的影响，讨论了厌氧氨氧化技术处理高氨氮工业废水的可行性，最后对其在工业废水处理领域的研究重点做出了展望．

　　【论文关键词】厌氧氨氧化;工业废水;高氨氮;可行性分析文

　　现阶段，氨氮已经成为我国水污染物减排的约束性指标之一，如何进一步削减氨氮排放是我国环境保护面临的重要挑战．硝化/反硝化生物脱氮是当前主要脱氮方法，虽然相比物理、化学法脱氮具有优势，但仍存在效率低、能耗物耗高、剩余污泥量大等缺点(Fuxetal．，2004)．厌氧氨氧化技术(AnaerobicAmmoniumOxidation，Anammox)产生于20世纪90年代(Mulderetal．，1995)，是目前最有前景的新型生物脱氮技术，其实际工程应用的脱氮能力已达9．5kg·m－3·d－1(vanderStaretal．，2007)．然而，该技术的规模化应用目前只局限于市政领域(Siegristetal．，2008;Vlaemincketal．，2009)和发酵工业领域(Tangetal．，2011;Shenetal．，2012)，而应用于处理其它高浓度氨氮工业废水的研究报道较少．总结当前Anammox技术应用现状和几种常见高浓度氨氮工业废水水质特征的基础上，分析了工业废水中氨氮、有机物等成分对Anammox菌的潜在影响，讨论了Anammox技术处理高浓度氨氮工业废水的可行性，以期为高浓度氨氮工业废水的脱氮处理提供一条新途径．2厌氧氨氧化技术的应用现状(Applicationstatusofanammox)Mulder等发现在处理酵母生产废水的流化床中，NH+4-N与NO－3-N浓度同时减少且产气率(N2)大幅提升，遂将该过程命名为厌氧氨氧化(Anammox)(Mulderetal．，1995)，其反应可以表示为(Strousetal．，1998):NH+4+1．32NO－2+0．066HCO－3+0．13H+→1．02N2+0．26NO－3+0．066CH2O0．5N0．15+2．03H2O

　　(1)目前已知的Anammox菌均属于浮霉状菌目(Planctomycetales)，除2种(CandidatusScalinduaarabica和CandidatusScalinduasorokinii)主要存在于海洋环境之外，其余主要存在于污水厂构筑物及实验室反应器中．Anammox菌因含细胞色素c而呈红色，其胞内有被阶梯烷脂层(ladderanelipids)包裹的独立细胞器———厌氧氨氧化体(anammoxosome)，厌氧氨氧化反应就发生在其中(vanNiftriketal．，2004)．由于Anammox反应以NH+4-N和NO－2-N作为底物，而一般废水中NO－2-N含量很低，所以通过短程硝化来实现NO－2-N累积是Anammox的必备条件．短程硝化与厌氧氨氧化的组合工艺分为一体式和分体式两种(Jaroszynskietal．，2011b)，不同研究者以不同名字来命名．对于一体式组合工艺，主要有CANON(Completelyautotrophicnitrogen-removalovernitrite)(Sliekersetal．，2003)、OLAND(Oxygenlimitedautotrophicnitrification/denitrification)(DeClippeleiretal．，2011)、DEMON(Deammonification)(Wett，2007)、SNAP(Singlestagenitrogenremovalusinganammoxandpartialnitritation)(Furukawaetal．，2006)等;对于分体式组合工艺主要是Sharon-Anammox工艺(vanDongenetal．，2001)．列出了Anammox的部分工程应用实例，可以看出目前该技术的处理对象主要为污泥水，进水氨氮浓度从250mg·L－1到1800mg·L－1不等，C/N比在2以下，脱氮速率一般＞1kg·m－3·d－1，远高于传统硝化/反硝化工艺(脱氮速率＜0．5kg·m－3·d－1)(Jinetal．，2008)．

　　相对于传统生物硝化/反硝化脱氮，短程硝化-Anammox组合工艺能够减少约60%的曝气量，并完全不需要外加碳源．对于分体式Sharon-Anammox工艺，Jetten等估算的脱氮成本仅为0．75欧元·kg－1(以N计)，远低于传统生物脱氮成本(2～5欧元·kg－1，以N计)(Jettenetal．，2005)．荷兰帕克公司(PAQUES)获得Anammox专利授权后，建造了世界上第一座实际应用的Anammox反应器(vanderStaretal．，2007)，目前该公司已在我国建造了数座实际应用工程，具体如表2所示，但各工程的实际运行效果未见报道．

　　制约Anammox应用的关键因素有两点:其一是Anammox菌本身的低增殖速率，其二是处理对象限制为低C/N比、高浓度氨氮废水．虽然Anammox菌广泛存在于自然界及各种人工水处理构筑物中(OpdenCampetal．，2006)，但由于其比增长速率仅为(0．066±0．010)mol(C)·mol－1(NH+4-N)，倍增时间长达11d(Strousetal．，1998)，所以通过筛选培养方式来启动Anammox反应器将花费很长时间．世界上第一座实际应用的Anammox反应器经过3.5年才实现稳定运行(vanderStaretal．，2007)，Wett等用最初的4LAnammox种泥通过逐级扩大方式最终成功启动一个500m3的实际应用反应器，共耗时2．5年(Wett，2006)．Anammox菌是化能无机自养菌，其自身生长的碳源主要来自水中溶解的碳酸盐/重碳酸盐．当大量外碳源存在时，异养菌会大量繁殖，对Anammox的稳定运行产生不利影响．市政污泥水氨氮浓度一般在0．2～1．5g·L－1，C/N比通常在2以下，碳源相对不足，所以目前Anammox的实际应用多局限于处理该类废水．除此以外，畜禽养殖废水、垃圾渗滤液等也含有高浓度氨氮，但碳源水平较高，一般需先经过厌氧甲烷化和短程硝化处理，降低碳源和有毒有害物质浓度，NO－2-N发生累积，然后再用Anammox工艺进行脱氮处理．

　　Yamamoto等(2008)利用上流式固定床Anammox反应器处理经过短程硝化的养猪场废水，经过70d的稳定运行后，脱氮速率能够达到0．22kg·m－3·d－1．Liang等(2008)研究发现，垃圾渗滤液经过短程硝化后，COD能够去除69%，出水经过Anammox反应后，约60%的NH+4-N和64%的NO－2-N能够被同时去除．目前Anammox的实际工程应用主要集中在市政和发酵工业领域，这是因为该类废水的氨氮浓度高，有毒有害物质含量相对较少．实际运行中主要体现在降低电耗和外碳源(甲醇等)量．世界上第一座实际应用的分体式Anammox工艺处理污泥消化液，能够在去除95%氨氮和85%总氮的同时，每年可节约250t甲醇和27.5万kW·h电能，减少污泥产量(以干重计)40t，合计节省运营成本12．5万欧元·a－1，减少CO2排放500t·a－1．鉴于Anammox工艺的脱氮速率高于传统A/O脱氮工艺，它的一个突出优点就是占地面积小．例如，第一座分体式Anammox工艺占地面积只有72m2;处理酵母生产废水的Anammox反应器只有500m3，取代了原来10000m3的传统A/O工艺;处理土豆加工废水的Anammox整体工艺系统反应器容积仅为1200m3，不到传统解决方案的1/5．此外，随着Anammox应用的推广，种菌获取途径增加，其反应器规模也从最初的70m3逐渐增大，而帕克公司之所以能够在全球范围内建造多个Anammox反应器，得益于其在荷兰拥有充足的Anammox种泥．2009年建成投产的通辽梅花味精废水处理工程的反应器规模已经达到6600m3，接种来自荷兰的Anammox种泥，氨氮负荷高达11000kg·d－1，这也表明Anammox工艺已经初步实现了工业规模化应用．3高浓度氨氮工业废水的来源及特征分析(Theanalysisofsourcesandcharacteristicsofhighstrengthammoniaindustrialwastewater)，根据2011年《中国环境状况公报》，2011年全国工业废水排放的氨氮总量为28．2万t，另据《第一次全国污染源普查公报》(2010年)显示，氨氮排放居前几位的工业行业分别是石化、焦化、化工、制革等，其氨氮排放量合计占工业废水厂区排放口氨氮排放量的85．9%，水质状况具体如表3所示．虽然工业氨氮排放量在全国总氨氮排放量中只占不到11%，但由于工业废水排放集中、化学成分复杂等原因，其氨氮处理难度远大于生活污水．

　　工业行业不同，产生的废水水质差别较大．焦化和石化行业废水的氨氮浓度通常在100mg·L－1左右，同时还含有酚类等多种有机化合物．制革废水的氨氮浓度一般在200mg·L－1以上，并含有大量2362厌氧氨氧化技术处理高浓度氨氮工业废水的可行性分析的有机氮及重金属．制药行业因生产药物不同，氨氮浓度从几十mg·L－1至数千mg·L－1均有可能，而氮肥行业废水水质相对稳定，是一种典型的低C/N比、高氨氮废水．

　　上述几种工业废水虽然氨氮浓度较高，但也因为COD浓度高、存在重金属和有毒有害物质等问题而不能直接用Anammox处理．高浓度废水一般先经过厌氧消化后再进入后续工艺，部分COD和有毒有害物质在厌氧条件下得到去除，而有机氮在氨化作用下转化生成氨氮，从而形成低C/N比、高浓度氨氮类型的废水．所以各种经过厌氧消化后的工业废水才是Anammox的真正处理对象．

　　4、工业废水水质特征对厌氧氨氧化的影响(Theinfluenceofindustrialwastewateronanammox)目前Anammox技术的处理对象主要是污泥水，因为该类废水的水质单一稳定，而工业废水除含有高浓度的氨氮外，还含有相当部分的有机物、有毒有害物质以及高盐度等．已有学者开展了工业废水中常见成分对Anammox影响的研究，这是关系到Anammox能否成功应用于工业废水处理领域的关键．