汪曉軍|從工程應(yīng)用角度看厭氧氨氧化技術(shù)的最新進(jìn)展原創(chuàng) 中國(guó)給水排水

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中國(guó)給水排水2024年城鎮(zhèn)污泥處理處置技術(shù)與應(yīng)用高級(jí)研討會(huì)（第十五屆）邀請(qǐng)函（同期召開固廢滲濾液大會(huì)、工業(yè)污泥大會(huì)、高濃度難降解工業(yè)廢水處理大會(huì)）

汪曉軍|從工程應(yīng)用角度看厭氧氨氧化技術(shù)的最新進(jìn)展

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編者按：華南理工大學(xué)汪曉軍教授受邀將于今年8月31日《中國(guó)給水排水》天津年會(huì)做大會(huì)報(bào)告：城市污水主流厭氧氨氧化脫氮的探索與突破。近年來(lái)，汪曉軍教授一直將厭氧氨氧化作為自己的一個(gè)重要研究方向，并且在工程應(yīng)用上進(jìn)行了很多有益的探索。此次邀請(qǐng)汪教授分享自己的一些觀點(diǎn)，特別是目前厭氧氨氧化研究和應(yīng)用的難點(diǎn)及解決途徑。

汪曉軍，華南理工大學(xué)環(huán)境與能源學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，俄羅斯自然科學(xué)院外籍院士。近年來(lái)主持國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目2項(xiàng)，廣東省科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目等縱向科研項(xiàng)目30余項(xiàng)和超過(guò)200項(xiàng)的橫向科研項(xiàng)目。已申請(qǐng)發(fā)明專利及實(shí)用新型超過(guò)110項(xiàng)，獲授權(quán)專利超過(guò)90項(xiàng)，在國(guó)內(nèi)外重要學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文超過(guò)310篇。主要從事廢水的深度處理研究與工程化應(yīng)用。開發(fā)的技術(shù)主要有：化學(xué)氧化（臭氧催化氧化與芬頓氧化）與曝氣生物濾池耦合工藝，印染廢水的反滲透濃水的水和鹽的雙回用技術(shù)，以及氨氮廢水的亞硝化與厭氧氨氧化耦合脫氮工藝。

汪曉軍：

厭氧氨氧化技術(shù)是公認(rèn)的低碳節(jié)能的生物脫氮技術(shù)，相對(duì)于常規(guī)的硝化-反硝化工藝，能節(jié)省60%以上的曝氣能耗及100%的有機(jī)碳源，且工藝過(guò)程中污泥產(chǎn)量極低，容積負(fù)荷也比常規(guī)的硝化-反硝化提高5~10倍。對(duì)低碳/氮比的氨氮廢水處理，具有明顯的低碳、節(jié)能、減排優(yōu)勢(shì)。

在廢水處理過(guò)程中使用厭氧氨氧化脫除氨氮與總氮，有助于在水處理領(lǐng)域?yàn)閷?shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)作出貢獻(xiàn)。正因?yàn)槿绱耍瑢?duì)氨氮廢水處理進(jìn)行厭氧氨氧化研究的單位非常多，基本上開設(shè)環(huán)境工程專業(yè)的高校都有開展厭氧氨氧化相關(guān)研究。近年來(lái)，關(guān)于厭氧氨氧化的研究論文也大幅增加，雖然能大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的單位不多，但采用厭氧氨氧化脫除氨氮的工程化應(yīng)用也慢慢多起來(lái)。

厭氧氨氧化工藝的發(fā)展歷程

廢水生化處理工藝的開發(fā)和應(yīng)用，相對(duì)于1893年開始應(yīng)用的生物滴濾池，1914年開發(fā)的活性污泥法，厭氧氨氧化生物脫氮工藝差不多是最新開發(fā)的生化處理工藝，厭氧氨氧化發(fā)展的大致時(shí)間軸如下：

厭氧氨氧化反應(yīng)器的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式

厭氧氨氧化脫氮反應(yīng)過(guò)程分兩步進(jìn)行。第一步氨氮首先被氨氧化菌氧化為亞硝酸鹽，然后亞硝酸鹽與氨氮在厭氧氨氧化菌（通常為紅色，故又稱紅菌）作用下轉(zhuǎn)化為氮?dú)�，從而從廢水中脫除氨氮與總氮。

由于厭氧氨氧化脫氮反應(yīng)分兩步進(jìn)行，從反應(yīng)器設(shè)計(jì)形式上主要有兩種：一種是分步設(shè)計(jì)，亞硝化反應(yīng)器與厭氧氨氧化反應(yīng)在兩個(gè)反應(yīng)器中進(jìn)行，兩個(gè)反應(yīng)器采用串聯(lián)設(shè)計(jì)，含氨氮廢水先經(jīng)過(guò)亞硝化，然后含有亞硝酸鹽的廢水，再與氨氮廢水在厭氧氨氧化反應(yīng)器中進(jìn)行厭氧氨氧化脫氮反應(yīng)。另外一種是一體式設(shè)計(jì)，亞硝化與厭氧氨氧化在同一個(gè)反應(yīng)器中進(jìn)行。通常認(rèn)為在厭氧氨氧化菌的外面包裹著一層氨氧化菌，外圍的氨氧化菌又保護(hù)著內(nèi)部的厭氧氨氧化菌不受外部的溶解氧侵害。反應(yīng)過(guò)程是部分氨氮通過(guò)外層的氨氧化菌氧化為亞硝酸根，與氨氮一起，擴(kuò)散到菌體的內(nèi)層，通過(guò)厭氧氨氧化菌轉(zhuǎn)化為氮?dú)狻?/span>

由于厭氧氨氧化一體式反應(yīng)器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作容易的特點(diǎn)，因此目前工程化應(yīng)用的厭氧氨氧化裝置絕大部分（約80%）采用一體式反應(yīng)器設(shè)計(jì)。

厭氧氨氧化反應(yīng)器的污泥形態(tài)

厭氧氨氧化反應(yīng)器根據(jù)污泥形態(tài)不同，可分為懸浮顆粒污泥的反應(yīng)器、生物掛膜填料反應(yīng)器。這兩種類型的反應(yīng)器都有應(yīng)用，各有其優(yōu)缺點(diǎn)。

懸浮顆粒污泥反應(yīng)器為了保證比較好的固液分離，在反應(yīng)器的上部必須安裝三相分離器，促進(jìn)氣液固三相的分離，絕大部分懸浮顆粒污泥在三相分離器處釋放出氮?dú)�，又沉入反�?yīng)器中，水則從三相分離器處溢出。懸浮顆粒污泥反應(yīng)器具有結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，且能產(chǎn)生作為資源的厭氧氨氧化顆粒污泥。對(duì)進(jìn)水的水質(zhì)比較穩(wěn)定的高氨氮廢水，如污泥的厭氧消化液、經(jīng)過(guò)IC或UASB脫除COD后留下高氨氮的食品加工廢水，都適宜采用懸浮顆粒污泥的厭氧氨氧化反應(yīng)器，且能定期出售反應(yīng)器產(chǎn)生的厭氧氨氧化顆粒污泥（紅菌），得到額外的經(jīng)濟(jì)效益。

生物填料的厭氧氨氧化反應(yīng)器，在反應(yīng)器中投加填料，如投加懸浮填料（如聚胺酯的方塊形填料，聚乙烯或聚丙烯等制作的多孔成型填料等）、固定纖維填料（纖維的材質(zhì)有腈綸、聚酯、尼龍等）。國(guó)內(nèi)不同的厭氧氨氧化技術(shù)提供商采用不同的掛膜生物填料，都能取得較好的效果。但從填料的使用壽命、填料的親水性及掛膜的速度來(lái)看，尼龍是較好的填料，缺點(diǎn)是價(jià)格相對(duì)較貴。采用填料法，厭氧氨氧化掛膜比較容易，系統(tǒng)的抗沖擊能力比較強(qiáng)，不需安裝三相分離器，可廣泛應(yīng)用于進(jìn)水濃度波動(dòng)較大的含高氨氮工業(yè)廢水處理。缺點(diǎn)是由于安裝大量的填料，投資成本高一些，且不容易產(chǎn)生能銷售的厭氧氨氧化的副產(chǎn)品紅菌。

目前厭氧氨氧化研究和應(yīng)用的難點(diǎn)及解決途徑

對(duì)于氨氮濃度﹥200mg/L且碳/氮比<0.5的含氨氮廢水，厭氧氨氧化的工程化應(yīng)用已較為成熟，無(wú)論是懸浮顆粒污泥法，還是生物膜法的厭氧氨氧化工藝，都有大規(guī)模工程化應(yīng)用，已不存在工藝和工程技術(shù)問(wèn)題。但對(duì)于氨氮濃度<200mg/L，特別是氨氮濃度<120mg/L的低碳/氮比廢水處理，則還存在不少有待解決的技術(shù)問(wèn)題，鮮有大規(guī)模工程化應(yīng)用的報(bào)道。

與高濃度氨氮廢水的厭氧氨氧化相比，當(dāng)氨氮濃度較低時(shí)，氨氮被氨氧化菌氧化為亞硝酸鹽，由于氨氮濃度低，不存在游離氨的抑制作用，形成的亞硝酸鹽很容易被亞硝酸鹽氧化菌進(jìn)一步氧化為硝酸鹽，從而無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行厭氧氨氧化，使厭氧氨氧化作用失效，失去了脫除廢水中總氮的能力。

目前解決低濃度氨氮的厭氧氨氧化，主要有3種途徑：

① 部分反硝化-厭氧氨氧化：部分反硝化這個(gè)理念是由北京工業(yè)大學(xué)彭永臻院士團(tuán)隊(duì)提出的，即在厭氧或缺氧的環(huán)境下，硝酸根在部分碳源的作用下，可以部分反硝化形成亞硝酸根，形成的亞硝酸根再與廢水中的氨氮反應(yīng)，在厭氧氨氧化的“紅菌”作用下，轉(zhuǎn)化為氮?dú)舛摮钡c總氮。關(guān)于該工藝的研究，彭院士團(tuán)隊(duì)做了大量的實(shí)驗(yàn)室研究與中試研究，西安第四污水處理廠的處理出水，長(zhǎng)年總氮<5mg/L。通過(guò)取樣研究，在A²O工藝的第二級(jí)A池中，找到厭氧氨氧化的“紅菌”，似乎驗(yàn)證了在實(shí)際污水處理廠存在這種脫氮途徑。但對(duì)此孤例的研究與探索，仍需要更多的實(shí)例加以證明。

② 在回流污泥中添加三價(jià)鐵鹽，從而抑制亞硝酸鹽氧化菌：這個(gè)方法是由澳大利亞昆士蘭大學(xué)的袁志國(guó)教授提出的。在SBR工藝回流的污泥中添加三價(jià)鐵鹽，三價(jià)鐵鹽對(duì)回流污泥中的亞硝酸鹽氧化菌形成抑制作用，這樣在曝氣時(shí)間段，廢水中的部分氨氮形成亞硝酸根，在停止曝氣時(shí)間段亞硝酸根與氨氮在厭氧氨氧化菌的作用下形成氮?dú)舛摮�。該工藝已有一座污水處理廠的應(yīng)用實(shí)例，但總體上對(duì)系統(tǒng)的曝氣與停止曝氣時(shí)間及曝氣量的控制都有相對(duì)比較嚴(yán)格的控制要求。

③ 我們提出的低濃度氨氮的穩(wěn)定亞硝化-厭氧氨氧化工藝，采用添加沸石及控制氨氮硝化過(guò)程的一些邊界條件，成功地將氨氮濃度低至30mg/L的氨氮廢水，實(shí)現(xiàn)了相對(duì)穩(wěn)定的亞硝化，然后再與原水的氨氮一起進(jìn)入?yún)捬醢毖趸磻?yīng)器，從而實(shí)現(xiàn)低碳/氮比、低濃度氨氮的厭氧氨氧化。利用該工藝，成功地完成了稀土開采廢水（氨氮濃度為50~150mg/L），幾乎沒(méi)有碳源的廢水處理中試。同時(shí)也在廣州深涌污水處理廠建設(shè)了一套中試裝置，在進(jìn)水COD為80~110mg/L、氨氮為40~50mg/L的條件下，不投加碳源，處理出水COD<50mg/L，出水氨氮<5mg/L，TN<12mg/L的效果。

總結(jié)以上3種途徑：第一種方法由于部分反硝化也需要碳源，因此將來(lái)即使可以大規(guī)模應(yīng)用，其進(jìn)水的碳/氮比仍應(yīng)大于2.2；第二種方法要有更多的應(yīng)用案例來(lái)確定其最佳控制策略；第三方法對(duì)碳/氮比沒(méi)有要求，操作也相對(duì)比較容易，需要更大規(guī)模的工程化應(yīng)用加以驗(yàn)證。

會(huì)議通知下載：

2023年《中國(guó)給水排水》第十九屆年會(huì)邀請(qǐng)函

編輯：衣春敏

制作：文凱

審核：李德強(qiáng)

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