厌氧氨氧化工艺的最新应用进展-营养物去除与回收(上)

洒家是环境人 2019-09-04 PM 77℃ 0条

2018 年11 月18 日-21 日,IWA国际水协会主办的营养物(氮和磷)去除与回收大会(IWA Nutrient Removal and Recovery Conference 2018)在澳大利亚布里斯班成功举办。大会特别邀请了水务行业的龙头企业针对主流短程脱氮技术的商业驱动、现有经验以及未来的发展方向进行了交流和探讨。其中威立雅水务(Veolia)、帕克公司(Paques)、华盛顿水司(DC Water)分别介绍了ANITATMMox 、ANAMMOX 、DEMON 等技术工艺的现状、挑战和应用前景。
短程硝化反硝化(Nitrite Shunt)是在传统硝化反硝化(如图1)基础上衍生出的进阶版脱氮工艺,因为研究人员发现与其让NO2-氧化为NO3-再还原为NO2-,不如直接将这一步省去,理论上可以节省约25%的曝气和40%的碳源投加量(如图2所示)。由于曝气减少也使得进水中碳源氧化程度降低,从而有更多的碳源能够在短程反硝化过程中被利用。为了充分有效利用曝气减少这一条件,短程硝化反硝化可以结合A/B(adsorption/bio-oxidation)工艺过程,进水中的碳源必须能够经济有效的转移,例如通过厌氧消化来实现产能。很多文献都有探讨抑制NOB活性或者在系统内去除NOB的有效办法,如:(1)游离氨(FA, free ammonia)和游离亚硝酸盐(FNA, free nitrousacid)的抑制;(2)溶解氧浓度;(3)较高温度和较低的污泥停留时间(SRT)。

图1 传统硝化-反硝化(Nitrification-Denitrification)过程

图2  短程硝化-反硝化(Nitrite Shunt)过程

部分亚硝化-厌氧氨氧化,很多时候简称为PNA(Partial Nitritation+Anammox),也被称为Deammonification (如图3所示),是脱氮工艺的另一进阶版,主要由AOB完成部分亚硝化,产生NO2-,再由厌氧氨氧化菌(Anaerobic Ammonium Oxidation, Anammox)利用NH4+和产生的NO2-生成氮气(伴随少量NO3-生成)完成脱氮过程。理论上可以减少63%曝气且无需投加额外碳源,并且能大大降低污泥量。

图3  部分亚硝化-厌氧氨氧化(PNA)过程

厌氧氨氧化菌属于浮霉菌门(Planctomycetes),生长缓慢,倍增时间在7到22天不等,因此更适合在颗粒污泥或生物膜系统中生长,反应器类型可考虑SBR或者MBBR。PNA可以在两个连续的生物反应器(两段式,图4)中分别完成部分亚硝化和厌氧氨氧化过程,也可以在单个反应器(一段式,图5)中完成所有的生物转化过程。


ANITATMMox是基于MBBR系统的一段式PNA脱氮工艺,微生物附着生长在Veolia AnoxKaldnes载体上,形成不同的生物层,外层接触氧气主要由AOB进行部分亚硝化作用,内层(靠近载体的部分)形成缺氧区,主要进行厌氧氨氧化作用。除此之外,ANITATMMox工艺也可以通过IFAS系统实现,本来附着在载体外层的AOB将会大大减少,转而悬浮生长在反应池内进行部分亚硝化作用(如图6)。


图6 基于MBBR和IFAS系统的ANITATMMox工艺 (Hallvard Ødegaard, 2016)
2018年在澳大利亚布里斯班举办的IWA营养物去除与回收大会上,威立雅水务分享了芬兰赫尔辛基Viikinmäki污水厂的ANITATMMox工艺在侧流脱氮应用的启动经验。Viikinmäki污水厂(图7)是芬兰乃至北欧国家最大的市政污水厂,服务人口约100万,平均日处理量为290,000 m,高峰期可达700,000 m。生化段主要通过曝气和后置反硝化达到COD去除和脱氮的目的。侧流厌氧消化液的氮负荷占据了污水厂总氮负荷的15%。随着对碳足迹要求的不断严苛(赫尔辛基要在2050年实现碳中和)以及生化段的成本增加(能耗、药剂、外加碳源等),Viikinmäki污水厂的侧流处理的提标改造被提上日程。其实早在2012年该污水厂就开始了对侧流PNA处理工艺的研究。


图7 Viikinmäki 污水厂工艺流程图

Viikinmäki 污水厂侧流消化液量为2,400 m3/d,总氮负荷约为2,500kg/d。ANITATMMox工艺首先从中试反应器开始启动测试,设计处理量为400m3/d,氨氮负荷为300kgN/d。使用的生物膜载体为AnoxKaldnes K5,填充体积为183m3,受保护比表面积为800m2/m3。从图8的启动测试可以看出,测试开始后5个月基本达到设计处理量。开始后8个月(图9),开始出现NOB过度生长,主要是由于进水负荷增加。该情况在降低进水负荷后明显得到改善。稳定阶段的氮去除率最高可达0.6kgN/m3/d。


图8 Viikinmäki污水厂侧流ANITATMMox中试工艺启动


图9 Viikinmäki污水厂侧流ANITATMMox工艺启动阶段出水水质

同时,研究人员还对进水、载体以及污泥中的微生物做了检测分析,结果(图10)显示,厌氧氨氧化菌的主要种属为Ca.Scalindua,而传统常见的AOB种类并没有出现,推测部分亚硝化作用是由异养硝化菌,如Xanthomonas、Pseudomonasand、Comamonas来完成。 

图10 微生物种类分析
目前,ANITATMMox工艺的大规模应用还是在侧流脱氮方面,但是威立雅水务也不断在主流PNA脱氮工艺的道路上摸索着前进,于2015年申请了Horizon 2020框架计划项目——“Full scale demonstration of energy positive sewage treatment plant concepts towards market penetration”(以下简称“POWERSTEP”,图11)。POWERSTEP项目旨在体现污水厂产能大于耗能,因此需要利用污水中的内部碳源来生产沼气供能。因此,POWERSTEP项目聚焦主流污水脱氮新概念,降低对碳源的需求。其中一个概念是主流PNA过程,实现降低曝气量和污泥产量且不需要碳源的目的。

图11 欧盟Horizon2020计划中的POWERSTEP项目

此项目主要了测试了两种方法(图12):(1)第一阶段,两段式PNA工艺交替处理主流和侧流污水;(2)第二阶段,两段式PNA工艺调整为一段式IFASMBBR系统,主要由MBBR反应器和后置沉淀池(污泥回流)组成。


 图12 POWERSTEP项目阶段一和阶段二

所有的测试均在瑞典马尔默Sjölunda污水厂内完成。项目第一阶段设计有2个50m3 的反应器(亚硝化反应器和厌氧氨氧化反应器),最开始为了能够刺激AOB和Anammox生长主要进水为厌氧消化液(氨氮浓度高)。为了能够有效抑制NOB生长和活性,系统交替处理主流污水和侧流厌氧消化液并且在亚硝化反应池内投加AnoxKTMZ-200载体,在厌氧氨氧化反应器内投加AnoxKTMZ-400 载体(图13)。


图13 AnoxKTMZ-200(左)以及AnoxKTMZ-400(右)

在此试验过程中,NOB活性有两次明显的大幅度下降。在测试的第二阶段,两段式PNA工艺重新调整为一段式IFASMBBR系统,原来的两个50m3 反应器一个改造为IFASMBBR反应器,另一个改造为外置沉淀池。该阶段测试为促进厌氧氨氧化菌的生长,最初进水为厌氧消化液,并持续了217天, 之后开始调整为主流进水并一直保持,测试期间为间歇曝气。经过调控和测试,目前氨氮去除率可达0.04kgN/m3/d(13℃),且未在系统内检测到NOB活性。但是,该一段式IFASMBBRPNA工艺还只是初始阶段, 很多结论有待进一步评估。

在项目第一阶段,威立雅水务联合丹麦Krüger共同开发了Superior Tuningand Reporting(STAR) 控制程序用于系统的在线调控和监测(图14)。STAR系统可以对传统的SCADA和PLC系统进行长期的过程优化。


图14 STARpro高级控制程序界面

虽然目前PNA大多应用在侧流脱氮工艺中,但是人们对于其主流脱氮的应用仍然寄予厚望。由于地理位置、气候条件、污水厂进水水质的不同,主流厌氧氨氧化工艺的实际应用更多地是对工艺过程调控策略的一种挑战,同时也对技术操作人员提出了更高的要求。

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