关于厌氧氨氧化技术处理高浓度氨氮工业废水的可行性研究.pdf

皮革技术-21-关于厌氧氨氧化技术处理高浓度氨氮工业废水的可行性研究姚武松（浦城正大生化有限公司，福建 南平 353400）摘要：所谓厌氧氨氧化技术，指的是一种先进的脱氮工艺，主要用于高浓度氨氮废水的处理，具备较好的应用优势。但是在应用厌氧氨氧化技术的过程中，废水的氨氮浓度、有机物含量以及抗生素残留、毒性物质等因素会直接影响厌氧氨氧化菌的活性，所以需要行业人员加大对该技术的研究力度。本文先分析厌氧氨氧化技术的应用现状及应用时的影响因素，明确指出高浓度氨氮工业废水的来源，进而重点探究工业废水水质特征对厌氧氨氧化技术的影响，目的在于分析基于厌氧氨氧化技术对高浓度氨氮工业废水进行处理的可行性，为相关行业人员提供参考。关键词：厌氧氨氧化技术；高浓度氨氮；工业废水中图分类号：TS5 文献标志码：A DOI：10.20025/ki.CN10-1679.2023-19-06Feasibility Study on the Treatment of High Concentration Ammonia Nitrogen Industrial Wastewater by Anaerobic Ammoxidation TechnologyYao Wusong(Pucheng Zhengda Biochemical Co.,Ltd.,Nanping 353400,China)Abstract:The so-called anaerobic Ammoxidation technology refers to an advanced nitrogen removal process,which is mainly used for the treatment of high concentration ammonia nitrogen wastewater,and has high application advantages.However,in the application of anaerobic Ammoxidation technology,factors such as the concentration of ammonia nitrogen in wastewater and the content of organic matter will directly affect the activity of Anammox,so industry personnel need to increase research efforts.This paper fi rst analyzes the application status and application infl uencing factors of anaerobic Ammoxidation technology,clearly points out the source of high concentration ammonia nitrogen industrial wastewater,and then focuses on exploring the impact of industrial wastewater quality characteristics on anaerobic Ammoxidation technology.The purpose is to analyze the feasibility of treating high concentration ammonia nitrogen industrial wastewater based on anaerobic Ammoxidation technology,and provide reference for relevant industry personnel.Key words:anaerobic ammoxidation technology;high concentration ammonia nitrogen;industrial waste water引言目前，我国已将氨氮、总氮纳入到废水减排的约束性指标中，为了保护生态环境，有效降低氨氮、总氮的排放是我国致力于实现的目标。现阶段的主要脱氮方法是硝化反硝化生物脱氮法，与化学脱氮法、物理脱氮法相比，生物脱氮法虽具有较大优势，但也存在明显的劣势，如效率不高、能效较大、剩余污泥量较多等因素造成处理成本不断上升，企业压力逐渐增大。1990年前后出现的厌氧氨氧化技术拥有更为广阔的发展前景，这一技术的脱氮能力大约为每天9.5 kg/m3，但这项技术在高浓度氨氮工业废水处理中的应用尚且不多。基于此，本文重点探究基于厌氧氨氧化技术对高浓度氨氮工业废水进行处理的可行性。1厌氧氨氧化技术的应用现状现阶段，已知的Anammox菌大多种类都存在于污水处理厂中，仅有两种存在于海洋环境之外，这种菌属于浮霉状菌目，由于其内部含有细胞色素c，整体颜色为红色，因而俗称“红菌”，且胞内具有厌氧氨氧化体，也是独立的细胞器，外部包裹着阶梯烷脂层，这就是发生厌氧氨氧化反应的场所。一般认 作者简介：姚武松（1975-），男，大专，工程师，研究方向：环境工程。皮革技术-22-为厌氧氨氧化菌是自养细菌，以二氧化碳或碳酸盐作为碳源，以铵盐作为电子供体，以亚硝酸盐/硝酸盐作为电子受体。因Anammox菌的反应底物主要为NH4+-N和NO2-N，但从一般废水中难以提取到大量的NO2-N，所以为了积累NO2-N，需要经过硝化过程，这是Anammox菌形成的必要条件。厌氧氨氧化和硝化组合而成的工艺包括两种形式，一种为一体式组合工艺，目前主要有CANON（生物膜内自养脱氮工艺）、SNAP（一体式半硝化-厌氧氨氧化工艺）、DEMON（好氧反氨化工艺）以及OLAND（限氧自养硝化-反硝化工艺）等。另一种为分体式组合工艺，目前主要为Sharon-Anammox（亚硝化-厌氧氨氧化）。分析Anammox的实际工程应用可知，这项处理技术以污泥水为关键对象，进水氨氮浓度处于2501 800 mg/L范围内，C/N小于2，脱氮速率基本在每天1 kg/m3以上，而传统硝化工艺和反硝化工艺的脱氮速率基本在每天0.5 kg/m3以下。与传统硝化工艺和反硝化工艺相比，基于Anammox组合的硝化工艺，曝气量显著减少，减少幅度在60%左右，而且无需额外加入碳源。行业专家在估算分体式组合工艺时指出，其脱氮所需成本大约在每千克0.75欧元（折合人民币6元），而传统生物脱氮所需成本处于每千克25欧元（折合人民币160元）范围内，所以两者相比，前者成本更低1。2厌氧氨氧化技术应用的影响因素在Anammox应用过程中，主要有两大影响因素，一是Anammox菌自身的因素，由于Anammox菌本身增殖速度较低，因而制约了Anammox的应用；二是处理对象受限，该技术仅可用于处理C/N较低的高浓度氮氨废水。Anammox菌虽然在大自然和人工水处理厂中大量存在，但因Anammox菌本身的增殖速度不高，且倍增时间最少需要11天左右，所以采用筛选培养方法启动Anammox反应器需要消耗较长的时间。Anammox菌主要利用溶解在水中的碳酸盐以及二氧化碳作为支撑自身生长的碳源，其属于化能无机自养菌。在存在大量外碳源的情况下，异养菌会处于快速繁殖状态，进而对Anammox的运行产生影响，并使其运行稳定性下降。以市政污泥水为例，其氨氮浓度通常处于0.21.5 g/L范围内，C/N一般小于2，相对而言碳源不足，所以Anammox在处理市政废水时的实际应用效果较为受限。Anammox的实际工程应用主要涉及两大领域，其一是市政领域，其二是发酵工业领域，其原因在于这两大领域的废水中含有高浓度氨氮和少量的有害物质，从理论上讲，厌氧氨氧化工艺的脱氮工艺无需外加碳源，而且能减少曝气量近60%，因而具有电耗较低的特点。3高浓度氨氮工业废水的来源我国工业废水的氨氮排放量较大，全年排放量接近30万吨。分析工业废水氨氮排放现状可知，石化行业、化工行业、焦化行业以及制革行业等是氨氮排放量较高的几大行业。在全国氨氮总排放量中，工业废水氨氮排放量的占比其实并不高，仅为10%左右，但由于工业废水中含有较为复杂的化学成分，且排放较为集中，所以在处理工业废水中的氨氮时，与生活污水相比难度更大。不同行业的工业废水在水质方面通常存在较大差异，相比之下，氮肥行业的废水稳定性较高，C/N较低，属于经典的高氨氮工业废水。不过，虽然上述几大行业的工业废水中含有高浓度氨氮，但由于同时存在高浓度COD、重金属物质、有害物质等，所以无法利用Anammox技术直接进行处理。对于高浓度工业废水，通常要先经过厌氧消化处理工艺去除部分COD和有害物质，然后再进入工艺程序，而在这一过程中，有机氮会向氨氮转化，从而产生高浓度的氨氮废水。由此可知，Anammox技术的应用对象是经过厌氧消化处理后的工业废水2，一般可以采用以下工艺流程（图1）图1Anammox技术的工艺流程4工业废水水质特征对厌氧氨氧化技术的影响4.1氨氮在工业生产废水中，氨氮浓度并不固定，反而处于剧烈波动状态。Anammox反应虽然以氨氮为底物，但氨氮浓度也会影响Anammox反应。以一体式反应器为例，为了实现氨的硝化，通常要加入一定量的溶解氧，但在氨氮浓度突然减小的情况下，会由于耗氧物质含量的下降致使溶解氧浓度增大，进而制约了Anammox反应。通过研究CANON工艺（生物膜内自养脱氮工艺）受氨氮浓度的影响发现，如果氨氮浓度突然变化，从168 mg/L减小到73 mg/L时，在溶解氧浓度增大的状态下，会导致CANON工艺（生物膜内自养脱氮工艺）对氮的去除率从92%减小到57%。与离子态氨相比，因游离氨不存在电荷，所以更容易进入细胞内部，从而对氧化还原酶造成抑制，或对电子、质子的传递及转移过程中酶的活性造成影响，这说明游离氨是氨氮对Anammox反应产生抑制的主要原因。通过对氨氮浓度和游离氨之间相关性的研究发现，在温度和pH值大小不变的情况下，氨氮浓度越高，则游离氨越多，对Anammox反应造成的抑制影响越大。同时通过研究发现，针对UASB（升流式厌氧污泥床反应器），游离氨浓度即使很低，仅为1.7 mg/L时，也会抑制Anammox反应；但针对Anammox生物膜体系，游离氨浓度即使很大，为150 mg/L时，对Anammox反应也依然不会产生影响，待游离氨浓度提高到190 mg/L时，才逐渐导致Anammox的活性降低，降低幅度在10%左右。所以，为了更好地指导Anammox应用，相关工作人员还应对氨氮浓度波动产生的影响进行深入研究。现皮革技术-23-阶段，对游离氨抑制影响的研究主要在实验室环境中开展，研究人员通过计算氨氮浓度、温度及pH值，获取游离氨的浓度值，但在实际的工程应用过程中，往往可以用氨氮负荷对脱氮能力进行表征，因而可以在工程应用方面对游离氨造成的影响进行分析，而且为了贴合实际，研究人员应该将氨氮负荷考虑在内3。4.2有机物工业废水中含有大量能够降解的有机物，这些有机物可以加快异养菌的繁殖速度，而异养菌会与Anammox菌争抢所需的底物和元素，进而影响Anammox反应，导致系统运行不稳定。焦化行业、氮肥行业、制药行业等废水中不仅含有高浓度的氨氮，还存在着高浓度有机物。通过研究证实，厌氧硝化过程能够有效去除废水中的有机物，并起到提高氨氮浓度的效果，从而使厌氧出水的氨氮浓度较高、C/N比较低，缓解了有机物对Anammox反应产生的抑制影响。工业废水中存在的有机物虽然会影响Anammox这一自养菌，但有研究表明，自养菌和异养菌能够同时在一个体系中生存，低量有机物能够防止异养菌的繁殖过多，这是由于Anammox仅可以除掉原水中近九成的NH4+-N，而剩下的一成主要以NO3-N形式存在。在氧气不足的情况下，异养菌能够发挥其还原作用，将废水中的NO3-N还原为NO2-N，然后再继续加入到Anammox反应之中，进而使脱氮水平得到进一步提高。4.3有害物质工业废水中含有较多威胁Anammox菌生存的有害物质。通常情况下，焦化行业废水中存在一定量的酚类物质，制革行业废水中存在大量重金属物质，制药行业废水中存在大量抗生素物质，在应用Anammox技术处理上述废水时，这些有害物质对该技术的应用会造成较大的制约。通过研究有害物质产生的活性抑制作用发现，在单物质批试验条件下，有害物质的浓度越高，对Anammox菌活性的抑制效果越强，但不同研究得到的结果又不同，如有行业专家研究发现，金霉素、氯霉素浓度即使达到100 mg/L时，依然不会抑制Anammox菌的活性，而有些行业的专家研究发现，金霉素、氯霉素浓度即使在20 mg/L这种较低的水平下，已经致使Anammox菌的活性显著减小，而且减小幅度达到36%左右，这说明Anammox菌受有害物质的影响不仅取决于有害物质的种类和浓度，还与底物和污泥的浓度与形态等相关。经过驯化的微生物，虽然能对有害物质产生抗性，但工业废水中存在的有害物质种类多种多样，所以研究人员应研究多种有害物质同时存在情况对Anammox技术产生的影响。4.4其它物质制药行业废水、制革行业等废水中通常盐度较高，而在高盐度的情况下，会产生高渗透压，从而导致细胞失水，直接影响微生物的活性。目前，已知的Anammox菌大多种都存在于污水中，以淡水生态系统为主，仅有两种存在于海洋环境之外，而同类Anammox菌既能在淡水环境中生存又能在海洋环境中生存的现象并不多见，而且在现阶段，无论厌氧氨氧化技术中的Anammox菌是何种属，都来源于淡水环境，因而对存在于淡水中的Anammox菌进行研究意义更大，所以相关研究人员主要研究淡水生态系统下Anammox菌对水中盐度的抗性即可。通过研究发现，Anammox菌在OLAND工艺（限氧自养硝化-反硝化工艺）反应器中能缓慢适应浓度为30 g/L的盐性环境，脱氮速度大约为每天0.73 kg/m3，而且Kuenenia属于Anammox菌，也能在浓度为30 g/L的盐性环境中良好适应，无论是脱氮效果，还是Anammox菌活性，都与对照系统基本相同。同时，Anammox菌处于315 g/L浓度范围的NaCl环境中，活性有所提高，也促进了颗粒污泥的产生，而在NaCl浓度大于15 g/L的情况下，活性会被制约。经批量试验结果表明，在浓度小于8.78 g/L的NaCl环境之中，Anammox菌的活性不会受到影响，在浓度大于7.45 g/L的KCl环境中以及浓度大于7.1 g/L的Na2SO4环境中，Anammox菌的活性都会被抑制，而且NaCl的半抑制浓度为13.5 g/L；KCl的半抑制浓度为14.9 g/L；Na2SO4的半抑制浓度为11.4 g/L。由此可知，即使来源于淡水中的Anammox菌处于盐性环境下，其活性也会受到影响，但都会体现出一定的抗性，这说明在含盐高的氨氮工业废水处理中，应用Anammox技术是可行的4。5结论在处理高浓度氨氮工业废水时，应用Anammox技术是必然的发展趋势。但由于废水中含有的有机物、硫化物等物质以及废水的盐度等因素都会直接影响Anammox技术的处理过程。所以，相关研究人员应在研究工业废水中氨氮、有机物、有害物质以及其他物质对Anammox菌活性造成影响作用的基础上，应加强基于厌氧氨氧化技术对高浓度氨氮工业废水进行处理的效果。随着我国科技水平的逐渐提升，Anammox技术势必会逐步得到优化。参考文献：1宋韶华，刘永军，杨璐，等.厌氧氨氧化技术在废水处理中的研究与应用进展J.水处理技术，2022，48（10）：6-12.2刘东斌，言海燕，陈亚利，等.厌氧氨氧化技术处理低碳氮比养猪废水研究J.科技创新导报，2020，17（17）：70-71.3韩晓宇.厌氧氨氧化技术处理污泥消化液的工程实践与工艺优化D.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2021.4李婷.一体式厌氧氨氧化处理污泥热水解厌氧消化液的实验研究D.西安：西安建筑科技大学，2021.