介绍2022年最前沿的生物脱氮工艺

介绍2022年最前沿的生物脱氮工艺目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument".序言 2\o"CurrentDocument".同步硝化反硝化(SND)脱氮工艺 22.1.概述 2\o"CurrentDocument"2.2.同步硝化反硝化生物脱氮(SND)的概念 3\o"CurrentDocument"2.3.MBBR生物移动床同步硝化反硝化脱氮机理 4\o"CurrentDocument"2.4.MBBR同步硝化反硝化的影响因素 4\o"CurrentDocument"2.4.1.填料对MBBR法的影响 5\o"CurrentDocument"2.4.2.溶解氧(DO)对MBBR法的影响 5\o"CurrentDocument"3.短程硝化脱氮(SHARON)工艺 61.概述 6\o"CurrentDocument"2.发展过程 7\o"CurrentDocument"4.厌氧氨氧化(ANAMMOX)工艺 81.概述 8\o"CurrentDocument"2.主流厌氧氨氧化工艺的研究与应用进展 82.2.厌氧氧氧化技术工艺及反应器 103.工程应用进展 11\o"CurrentDocument"3.2.国内工程应用 14\o"CurrentDocument"4.1.厌氧氮氧化工艺的快速启动 15\o"CurrentDocument"4.3.厌氧氮氧化工艺的稳定运行 18\o"CurrentDocument"4.5.结语与展望 20\o"CurrentDocument".亚硝酸型硝化一厌氧氨氧化脱氮(SHARON—ANAMMOX)技术 21\o"CurrentDocument"1.概述 21\o"CurrentDocument"2.短程硝化-厌氧氨氧化工艺(SHARON—ANAMMOX) 21\o"CurrentDocument".限制自养硝化反硝化(OLAND)工艺 22\o"CurrentDocument".单级全程自养脱氮(CANON)工艺 23.序言传统的生物脱氮工艺基本原理是在二级生物处理过程中，先将有机氮转化为氨氮，再通过硝化菌和反硝化菌的作用将氨氮转化为亚硝态氮和硝态氮，最终通过反硝化作用将硝态氮转化为氮气完成脱氮。因为硝化与反硝化反应的进行存在相互制约的关系；在有机物大量存在的情况下，自养硝化菌对氧气和营养物的竞争力不如好养异养菌，无法占据主导地位；反硝化需要有机物作为电子供体，但是硝化过程去除了大量的有机物，导致反硝化过程中碳源缺乏，所以为平衡两单元的不同需求，发展出多种生物脱氮方法相结合的工艺。传统的生物脱氮工艺主要依靠调整工艺流程来缓解硝化菌反应环境和反硝化菌反应环境之间存在的矛盾。如果硝化反应阶段在前，则需要外加电子供体例如甲醇等物质，提高了运行费用；如果硝化反应阶段在后，则需要将硝化废水回流，容易产生污泥上浮并且需要提高回流比以获得更高的去除率。这个矛盾在处理氨氮浓度较低的市政废水中尚不明显，但在处理垃圾渗滤液、畜牧废水等高浓度氨氮废水时，极大的限制了系统脱氮效率。近年来通过理论研究和实践创新，人们发现了一些与传统生物脱氮理论相反的生物脱氮方法，如SND®工艺、SHARON工艺、ANAMMOX工艺、SHARON-ANAMMOX组合工艺、OLAND工艺、CANON工艺。.同步硝化反硝化(SND)脱氮工艺概述根据传统生物脱氮理论，脱氮途径一般包括硝化和反硝化两个阶段，硝化和反硝化两个过程需要在两个隔离的反应器中进行，或者在时间或空间上造成交替缺氧和好氧环境的同一个反应器中。实际上，较早的时期，在一些没有明显的缺氧及厌氧段的活性污泥工艺中，人们就从多次观察到氮的非同化损失现象，在曝气系统中也曾多次观察到氮的消失。在这些处理系统中，硝化和反硝化反应往往发生在同样的处理条件及同一处理空间内，因此，这些现象被称为同步硝化/反硝化(SND)。①同步硝化反硝化：SimultaneousNitrificationandDenitrification对于各种处理工艺中出现的SND现象已有大量的报道，包括生物转盘、连续流反应器以及序批示SBR反应器等等。与传统硝化一反硝化处理工艺比较，SND能有效地保持反应器中pH稳定，减少或取消碱度的投加；减少传统反应器的容积，节省基建费用；对于仅由一个反应池组成的序批示反应器来讲，SND能够降低实现硝化一反硝化所需的时间；曝气量的节省，能够进一步降低能耗。因此SND系统提供了今后降低投资并简化生物除氮技术的可能性。同步硝化反硝化生物脱氮(SND)的概念同步硝化反硝化脱氮技术(SND)是在同一个反应器内同时产生硝化、反硝化和除碳反应。它突破了传统观点认为硝化和反硝化不能同时发生的认识，尤其是好氧条件下，也可以发生反硝化反应，使得同步硝化和反硝化成为可能。硝化过程消耗碱度，反硝化过程产生碱度，SND故能够有效地保持反应器中pH值稳定，无需酸碱中和，无需外加碳源；节省反应器体积，缩短反应时间，通过降低硝态氮浓度可以减少二沉池污泥漂浮，因而SND成为生物脱氮的一个研究热点。对于SND生物脱氮的可行性，目前有以下主要三种从不同角度出发得出的观点：宏观环境角度：该观点认为完全均匀混合状态是不存在的，反应器内DO分布不均匀能够形成好氧、缺氧、厌氧区域，在同一生物反应器缺氧/厌氧环境条件下可以发生反硝化反应，联合区段内好氧环境中有机物去除和氨氮的硝化，SND是可以实现的。微环境角度：该观点认为微生物絮体内的缺氧微环境是形成SND的主要原因，即由于氧的扩散(传递)限制，微生物絮体内存在溶解氧梯度，从而形成有利于实现同步硝化反硝化的微环境。生物学角度：该观点认为特殊微生物种群的存在被认为是发生SND的主要原因，有的硝化细菌除了能够进行正常的硝化作用还能够进行反硝化作用，有荷兰学者分离出既可进行好氧硝化，又可进行好氧反硝化的泛养硫球菌；还有一些细菌彼此合作，进行序列反应，把氨转化为氮气，为在同一反应器在同一条件下完成生物脱氮提供了可能。目前对生物脱氮的微生物学研究和解释较多，但都不够完善，对SND现象的认识仍在发展与探索之中。微环境理论是被普遍接受的，由于溶解氧梯度的存在，微生物絮体或生物膜的外表面溶解氧浓度高，以好氧硝化菌及氨化菌为主；深入内部，氧传递受阻及外部溶解氧大量的消耗而产生缺氧区，反硝化菌为优势菌种，故可导致同步硝化反硝化的发生。该理论解释了在同一反应器中不同菌种共同存在的问题，但也存在一个缺陷，即有机碳源问题。有机碳源既是异养反硝化的电子供体，又是硝化过程的抑制物质，污水中的有机碳源在穿过好氧层时，首先被好氧氧化，处于缺氧区的反硝化菌由于得不到电子供体而降低了反硝化速率，可能影响SND的脱氮效率，故同步硝化反硝化的机理仍需要进一步完善。3.MBBR生物移动床同步硝化反硝化脱氮机理MBBR是结合悬浮生长的活性污泥法和附着生长的生物膜法的高效新型反应器，基本设计原理是将比重接近水、可悬浮于水中的悬浮填料直接投加到反应池中作为微生物的活性载体，悬浮填料能与污水频繁多次接触，逐渐在填料表面生长出生物膜（挂膜），强化了污染物、溶解氧和生物膜的传质效果，即而MBBR被称为“移动的生物膜”。基于迄今SND机理研究，综合微环境和生物学理论，MBBR生物膜内SND可能存在的反应模式是，分布于生物膜好氧层的好氧氨氧化菌、亚硝酸盐氧化菌和好氧反硝化细菌与分布于生物缺氧层的厌氧氨氧化菌、自养型亚硝酸细菌和反硝化细菌相互协作，最终达到脱氮目的。MBBR是依靠曝气池内的曝气和水流的提升作用使载体处于流化状态，进而形成悬浮生长的活性污泥和附着生长的生物膜，充分发挥附着相和悬浮相生物两者的优越性，不仅提供了宏观和微观的好氧和厌氧环境，还解决了自养硝化菌、异养反硝化菌与异养细菌的DO之争和碳源之争。故MBBR可实现硝化和反硝化两个过程的动力学平衡，具有同步硝化反硝化非常良好的条件，能实现MBBR同步硝化反硝化脱氮。4.MBBR同步硝化反硝化的影响因素实现MBBR同步硝化反硝化的关键技术是控制MBBR内硝化和反硝化的反应动力学平衡，解决自养硝化菌和异养细菌的DO之争及反硝化菌和异养细菌的碳源之争等，故实现其主要控制因素有：碳氮比、溶解氧浓度、温度和酸碱度等。1.填料对MBBR法的影响MBBR法的技术关键在于比重接近于水、轻微搅拌下易于随水自由运动的生物填料。通常填料由聚乙烯塑料制成，每一个载体的外形为直径10mm、高8mm的小圆柱体，圆柱体中有十字支撑，外壁有突出的竖条状鳍翅，填料中空部分占整个体积的0.95,即在一个充满水和填料的容器中，每一个填料中水占的体积为95%。考虑到填料旋转以及总容器容积，填料的填充比被定义为载体所占空间的比例，为了达到最好的混合效果，填料的填充比最大为0.7。理论上填料总的比表面积是按照每一单位体积生物载体比表面积的数量来定义的，一般为700m2/n?。当生物膜在载体内部生长时，实际有效利用的比表面积约为500m2/m3o此类型的生物填料有利于微生物在填料内侧附着生长，形成较稳定的生物膜，并且容易形成流化状态。当预处理要求较低或污水中含有大量纤维物质时，例如在市政污水处理中不采用初沉池或者在处理含有大量纤维的造纸废水时，采用比表面积较小、尺寸较大的生物填料，当已有较好的预处理或用于硝化时，采用比表面积大的生物填料。2.4.2.溶解氧(DO)对MBBR法的影响DO浓度是影响同步硝化一反硝化的一个主要的限制因素，通过对DO浓度的控制，可使生物膜的不同部位形成好氧区或缺氧区，这样便具有了实现同步硝化一反硝化的物理条件。从理论上讲，当DO质量浓度过于高时，DO能穿透到生物膜内部，使其内部难以形成缺氧区，大量的氨氮被氧化为硝酸盐和亚硝酸盐，使得出水TN仍然很高；反之，如果DO浓度很低，就会造成生物膜内部很大比例的厌氧区，生物膜反硝化能力增强(出水硝氮和亚硝氮浓度都很低)，但由于DO供应不足，MBBR工艺硝化效果下降，使得出水氨氮浓度上升，从而导致出水TN上升，影响最终的处理效果。通过研究最终得出了MBBR法处理城市生活污水DO的一个最佳值：当DO质量浓度在2mg/L以上时，DO对MBBR硝化效果的影响不大，氨氮的去除率可达97%-99%,出水氨氮都能保持在1.0mg/L以下；DO质量浓度在l.Omg/L左右时，氨氮的去除率在84%左右，出水氨氮浓度有明显上升。另外，曝气池内DO也不宜过高，溶解氧过高能够导致有机污染物分解过快，从而使微生物缺乏营养，活性污泥易于老化，结构松散。此外，DO过高，过量耗能，在经济上也是不适宜的。因为MBBR法主要是通过悬浮填料来实现最终的污水处理，所以DO对悬浮填料的影响也是影响整个处理结果的关键。有研究表明反应器的充氧能力在一定范围内随着悬浮填料填充率的增大而增大。在曝气的作用下，水随填料一起流化，水流紊动程度较无填料时大，加速了气液界面的更新和氧的转移，使氧的转移速率提高。随着填料数量的增多，填料、气流和水流三者之间的这种切割作用和紊动作用不断加强。但加入填料量为60%时，填料在水中的流化效果变差，水体紊动程度也降低，使得氧的传递速率下降，氧的利用率降低。所以针对不同类型的水质，控制好DO的量对整个工艺最终的处理结果是至关重要的。3.短程硝化脱氮(SHARON)工艺1.概述SHARON(沙龙)工艺反硝化阶段电子供体为有机物，电子受体为亚硝酸根；硝化阶段电子供体为氨，电子受体为氧，产物为亚硝酸根，和传统硝化一反硝化工艺相比，从亚硝酸根还原到氮气所需要的电子供体比从硝酸根还原到氮气所需要的电子供体要少，这对于C/N比较低的废水脱氮是很有价值的。SHARON工艺即短程硝化脱氮工艺，是荷兰Delft技术大学1997年提出开发的新型生物脱氮工艺。基本原理是在同一个反应器内，在有氧的条件下，自养型亚硝酸菌将NH3—N转化为NO],然后在缺氧条件下，异养型反硝化菌以有机物为电子供体，以NO]为电子受体，将NO]转化为此。其理论基础是亚硝酸型硝化反硝化技术，生化反应可用下式表示：NH^+1.5O2=NO2+2H++H2ONO2+3[H]+H+=0.5N2+2H2O该工艺的关键是如何将氨氧控制在亚硝酸阶段，并持久维持在较高浓度的亚硝酸盐积累。该工艺使用无需污泥停留的CSTR反应器，在较短的HRT和30〜40摄氏度的条件下，通过“洗泥”的方式进行种群筛选，产生大量的亚硝酸菌。SHARON工艺适用于高浓度氨(500mg/L)废水的处理，尤其适用于具有脱氨要求的预处理或旁路处理。该工艺与传统工艺相比可节省供氧量25%,可节省反硝化碳源40%o2.发展过程1975年，Voets等发现了硝化过程中亚硝酸盐积累的现象，并首次提出了短程硝化反硝化生物脱氮的概念。1986年Sutherson等证实了其可行性，国内外研究表明，与传统的硝化反硝化相比，短程硝化反硝化具有可减少25%左右的需氧量，降低能耗；节省反硝化阶段所需要的有机碳源，降低了运行费用；缩短HRT,减少反应器体积和占地面积；降低了污泥产量；硝化产生的酸度可部分地由反硝化产生的碱度中和。因此，对许多低C/N比废水，目前比较有代表性的工艺有亚硝酸菌与固定化微生物单级生物脱氮工艺，单一反应器通过亚硝酸盐去除氨氮(SHARON)工艺。SHARON工艺是由荷兰Delft技术大学开发的一种新型脱氮工艺，其基本原理是在同一个反应器内，在有氧条件下，利用氨氧化菌将氨氮氧化成亚硝态氮，然后在缺氧条件下，以有机物为电子供体，将亚硝态氮反硝化成电。将氨氧化控制在亚硝化阶段是该工艺的关键。SHARON工艺的成功在于：(1)利用了温度这一重要因素，提高了亚硝酸细菌的竞争能力；(2)利用完全混合反应器在无污泥回流条件下污泥停留时间(SRT)与水力停留时间(HRT)的同一性，控制HRT大于亚硝酸细菌的世代时间，小于硝酸细菌的世代时间，实现硝酸细菌的“淘洗”，使反应器内主要为亚硝酸细菌；(3)控制较高的pH值，不仅抑制了硝酸细菌，也消除了游离亚硝酸(FNA)对亚硝酸细菌的抑制。1998年在荷兰已有此类污水处理厂投入运行。尽管SHARON工艺按有氧/缺氧的间歇运行方式取得了较好的效果，但不能保证出水氨氮的浓度很低。该工艺更适于对较高浓度的含氨氮废水的预处理或旁路处理。4.厌氧氨氧化(ANAMMOX)工艺概述ANAMMOX工艺是荷兰Delft大学1990年提出的一种新型脱氮工艺。在厌氧条件下，微生物以N&—N为电子供体，NOW为电子受体，把NH3—N、N03转化为电的过程。其生化反应可由下式表示：5NH^+3NO3=4N2+9H2O+2H+NH^+NO2=N2+2H2O厌氧氨氧化过程中起作用的微生物是ANAMMOX菌。该菌是专性厌氧化学无机自养细菌，生长十分缓慢，在实验室的条件下世代期为2〜3周，厌氧氨氧化过程的生物产量很低，相应污泥产量也很低。ANAMMOX工艺的影响因素主要集中在系统环境对ANAMMOX菌的抑制。主要影响因素包括反应器的生物量、基质浓度、pH值、温度、水力停留时间和固体停留时间等。该工艺相比传统的脱氮过程，耗氧下降62.5%,不需要外加碳源，节约成本，不需调节pH值降低运行费用。但是也存在不足：工艺还没有实现实用化和长期稳定运行，ANAMMOX菌生长缓慢，启动时间长，为保持反应器内足够多的生物量，需要有效的截留污泥等。主流厌氧氨氧化工艺的研究与应用进展1.前述生物脱氮技术被广泛用于废水中氮的去除，在传统生物脱氮技术中，氨氮首先被严格好氧的氨氧化细菌(ammonia-oxidizingbacteria,AOB)和亚硝酸盐氧化菌(nitriteoxidizingbacteria,NOB)氧化为亚硝态氮(NO]-N)和硝态氮(NO1—N),之后异养菌(heterotrophicbacteria,HB)利用有机物提供的电子将硝酸盐还原为氮气。此过程不仅需要消耗大量能量为硝化反应提供氧气，且常常需要额外补充有机物保证反硝化脱氮的进行。厌氧氨氧化技术(anammox)是20世纪90年代由荷兰代尔夫特大学开发的一种新型自养生物脱氮工艺，与传统脱氮技术相比，自养型厌氧氨氧化工艺被认为是一种更高效、节能的废水处理方法，其在厌氧或缺氧条件下以NOW—N为电子受体，利用厌氧氨氧化细菌(anaerobicammoniaoxidationbacteria,AnAOB)将氨氮直接氧化为氮气。在节约了硝化反应曝气能源的基础上，还无需外加碳源，且由于AnAOB属自养型微生物，生长缓慢，因此，可大大减少工艺的污泥产量。由于厌氧氨氧化技术在污水厂节能降耗、绿色环保方面表现出来的显著优势，过去二十年里，国内外研究者对其展开了大量研究。截至2021年3月，根据WebofScience数据统计，全球已发表厌氧氨氧化相关科技论文4403篇，其中，中国是全球发表厌氧氨氧化相关文章最多的国家(共计2054篇，占46.6%)o论文研究方向涉及环境微生物学、水资源、生态学等83个方向，具体可细分为：(1)研究抑制厌氧氨氧化效果的物质及其浓度，如氨氮、NO3—N、有机物、盐、重金属、磷酸盐和硫化物等对厌氧氨氧化过程的抑制作用影响；(2)研究自养生物脱氮系统中涉及的主要微生物，如AOB、NOB、AnAOB、HB及其相互作用；(3)研究控制NOB生长的方法及对应的运行参数，如改变缺氧/好氧状态、维持高氨氮浓度、利用底物如游离亚硝酸(FNA)的抑制作用、控制曝气时间等；(4)研究不同的厌氧氨氧化工艺、反应器和污泥存在形态(悬浮污泥，生物膜)对处理效果的影响；(5)研究维持AnAOB生物量的方法。基于以上多方面的研究工作，厌氧氨氧化技术日益成熟，且被广泛应用于工业废水、垃圾渗滤液、沼液等高含氮废水生物处理过程中，据统计，全球已有超过110座生产性厌氧氨氧化工程，但其中绝大部分用于市政污水的侧流处理。将厌氧氨氧化技术引入市政污水主流工艺应用，不仅可通过耦合碳浓缩预处理实现污水能量回收最大化，而且可显著减少外加碳源量，从而有效降低污水的脱氮运行成本。由于生活污水与工业废水、垃圾渗滤液、沼液等高含氮废水在水质、水温、水量等方面的差异，厌氧氨氧化工艺在污水处理主流工艺应用上面临很多技术瓶颈。在日益重视污水资源化、能源化发展的今天，这种绿色低碳且可持续的脱氮工艺受到越来越多关注和研究，主流厌氧氨氧化工艺的工程应用也取得很大的进步，下文基于现有研究和应用成果，对该工艺基本情况、工程应用进展和主流工艺应用面临的技术难点展开论述。4.2.2.厌氧氨氧化技术工艺及反应器4.2.2.1.工艺类型污水的厌氧氨氧化自养脱氮过程一般包括两个阶段：(1)有氧条件下，约一半的氨氮转化为N03—N的部分硝化(partialnitritation,PN)反应阶段，反应方程式如式(1)；(2)缺氧/厌氧条件下，AnAOB以第一阶段产生的NO]一N为电子受体，将89%左右的氨氮氧化为氮气、剩下的氨氮氧化为NO]-N的厌氧氨氧化反应阶段，反应方程式如式(2)。0.57NHJ+1.14HCOI+0.85502->0.57NO；+L14CO2+1.71H2O (1)NH；+I.32NO；+0.116H4+0.066HCO；->0.26NO；+1.02505N2+Z025H2O+0.066《"200.州立於 (2)基于自养脱氮的两个反应阶段，目前，厌氧氨氧化工艺可以分为两段式和一体式两种，分别是指在两个单独的反应器和在同一个反应器中进行PN和厌氧氨氧化反应。在一体式系统中，两个反应阶段都在一个反应器中进行，两种功能细菌(AOB和AnAOB)并存，因此，需要严格控制曝气，且由于多种微生物种群共存，其反应器启动时间较长，易受负荷冲击影响，导致系统不稳定。但一体式系统具有建设成本低、占地面积小、体积负荷大、可有效避免亚硝酸盐积聚引起的抑制作用等优点，因此，工程应用更广泛。与一体式系统相比，两段式系统的反应器可以独立调节和控制，更加灵活稳定。将自养脱氮的两个反应阶段分离，不仅可以优化富集AOB和AnAOB,而且可以通过PN段消除一些有毒有机污染物，避免有毒物质和有机物直接进入后续的厌氧氨氧化反应器中。但两段式系统投资成本更高，且由于PN段形成的NO]—N容易积聚，产生游离亚硝酸抑制作用，系统需匹配PN和厌氧氨氧化两反应阶段的反应速率，系统设计更为复杂。目前，在组合PN和厌氧氨氧化反应的基础上，已开发出多种工艺，包括两段式的SHARON-Anammox工艺、一体式的亚硝酸盐完全自养脱氮工艺(CANON)、脱氨工艺(DEMON)、限氧自养硝化反硝化工艺(OLAND),以及同步亚硝化、厌氧氨氧化和反硝化工艺(SNAD)等。在厌氧氨氧化发展的早期阶段，研究和应用主要以SHARON-Anammox工艺为主，该工艺对高氨氮、低亚硝酸盐污水有较好的处理效果。到2001年，可自发形成厌氧氨氧化颗粒污泥的CANON工艺问世，并迅速受到广泛欢迎，该工艺中氨氮在AOB和AnAOB的共同作用下完成转化，可用于处理有机质含量低的污水，是目前全世界研究应用最多的厌氧氨氧化工艺。与CANON工艺相似的OLAND工艺也逐渐受到关注，该工艺采用生物转盘系统且运行过程要求严格控制曝气，因此，在实际工程中比较少见，但在未来有望得到更广泛的应用。此外，以控制pH、使用水力旋流器分离AnAOB为特点的DEMON工艺也受到普遍欢迎，已有超过30个污水处理厂采用该工艺。4.2.2.2.反应器应用厌氧氨氧化工艺中，反应器的选择必须满足自养型微生物长世代周期和污泥截留的需要。基于以上要求，工程应用中常采用序批式反应器(SBR)、序批式生物膜反应器(SBBR)、移动床生物膜反应器(MBBR)、上流式厌氧污泥床反应器(UASB)和厌氧膨胀颗粒床反应器(EGSB)等。其中，SBR是厌氧氨氧化工艺中应用最广泛的反应器，典型的一体式DEMON工艺就是采用SBR运行。此外，生物膜反应器也非常适合厌氧氨氧化工艺，在生物膜反应器中，氧气可以被膜外层的AOB消耗，而膜内部形成的缺氧区域有利于AnAOB生长。配备40%〜50%的载体、搅拌器和曝气设施的MBBR目前已在德国、瑞典等国家广泛应用。4.3.工程应用进展4.3.1.国外工程应用从20世纪90年代在荷兰问世至今，厌氧氨氧化水处理技术不断取得突破，实际工程应用也在全球范围内迅速发展。如表1所示，处理对象已由工业废水、污泥脱水液、垃圾渗滤液等高含氮废水发展到市政污水处理等领域。2002年，荷兰鹿特丹Dokhaven市政污水处理厂采用两段式SHARON-Anammox工艺处理该厂污泥消化液，建设了全球第一座生产性厌氧氨氧化反应器。之后，瑞典马尔默Sjlunda废水处理厂采用ANITATM-Mox工艺处理污泥脱水液，荷兰Apeldoorn采用DEMON工艺对厌氧消化液进行处理，美国Alex-andria的污水处理厂等采用厌氧氨氧化作为污水处理侧流工艺。表1国外厌氧氨氧化技术在不同废水中的应用案例TH龄象1Z变氢触荷/・闾妹》~小笈坂41埋场，飨液81«厂(叫々及，■液-1.23184年商生鹿特夕92f1师卜河能济化液MlIRON-Kim—wiw9.92002早内能改玄液-(O-(M2002年裳0利w.后水姓11厂1应B超收米点IKMOXtt7200)■荷:制革ra后水般it厂।叫归9M冬*-1.02004彳色足■米斌CAXOX1.22006年他：llrqrne/««.丁♦苗小tfcJf厂I叫T♦康水羽化液Vw 7+(MASO)0.262010<tKMOX0.41201。年■内•苗木ttf1厂U”1.22010年U地的中--行水厂1叫电敛竹水IKMON--行木厂1卬心被方水P、&s0.122011年用我MawlUxg后小厂他收后水tKMOX.20154恁•忖米厂他屿水PN&Wanaaaa097-(122520”年一3H6年研究发现，AnAOB广泛存在于自然界中，因此，如何将厌氧氨氧化工艺由侧流工艺转为主流脱氮工艺逐渐成为全球厌氧氨氧化技术研究发展的重点。奥地利Strass污水厂为厌氧氨氧化的主流工艺应用拉开了帷幕，成为全球首个在主流工艺上实践厌氧氨氧化的污水处理厂。该厂主体采用AB工艺(图1),A段污泥停留时间(SRT)较短(V0.5d),以保证进水有机物最大程度地进入污泥消化系统用于产沼气；B段停留时间较长，以去除大部分的氮。该厂于2004年首先在侧流工艺中引入厌氧氨氧化DEMON工艺，用于处理高氮负荷的污泥消化液和脱水液，该工艺含有结合硝化和厌氧氨氧化过程的SBR,并通过控制低溶解氧和维持长SRT(30d),成功抑制了亚硝酸盐进一步氧化。随后，该厂进一步采用DEMON工艺进行主流工艺B段升级改造，并通过将侧流工艺稳定富集的AnAOB向主流工艺补给，以及主流工艺系统中污泥颗粒化的形成，其总氮年去除率高于80%,在实现出水TNV5mg/L,氨氮V1.5mg/L的同时，该厂还因实现完全能源自给和产能盈余闻名世界。

懵处理行涅何航DEMONI»ILI■余污灵水泥NN懵处理行涅何航DEMONI»ILI■余污灵水泥NN图1奥地利Strass污水厂工艺流程图新加坡樟宜污水处理厂实现了世界首例无需侧流工艺接种的主流自养氨氧化工程。该厂处理城市污水达80万t/d,采用分段进水活性污泥工艺(SFAS),其工艺流程如图2所示。ffiM 石水tv爱处ffiM 石水tv爱处H-段水I化*--祈化油图2新加坡樟宜污水厂工艺流程图来自初沉池的污水被均匀分配到5个缺氧/好氧池(体积比为1:1),每个缺氧池又被分为4格；缺氧、好氧区的SRT各2.5d,水力停留时间(HRT)为5.7h左右，二沉池污泥以50%回流比返回至第一个缺氧池。Cao等对该厂总氮去除途径进行研究，发现37.5%的总氮通过自养脱氮途径去除，27.1%的总氮通过传统生物脱氮途径去除，剩下的氮则随出水和污泥流出。该厂是迄今为止全球第一座稳定运行主流厌氧氨氧化的污水处理厂，且实现了在不外加碳源的条件下市政污水的高效生物脱氮，有学者认为，樟宜污水厂的稳定运行得益于新加坡得天独厚的水温条件(28〜32℃),因为温度对AOB、NOB和AnAOB活性有显著影响。研究报道，随着温度降低至20C,AOB活性将高于NOB活性；当水温低于15c时，AnAOB活性出现明显下降，AOB变得比AnAOB更活跃，此时，AOB生成的亚硝酸盐和NOB、AnAOB消耗的亚硝酸盐之间的不平衡将造成系统中亚硝酸盐明显的积累，从而对厌氧氨氧化过程造成明显抑制。因此，关于低温条件下的厌氧氨氧化稳定运行还有很大的研究空间。4.3.2.国内工程应用据不完全统计，目前国内有超过8座的生产性厌氧氨氧化污水处理厂(表2),其中，不少由荷兰帕克公司参与设计建造。在通辽市梅花工业园区，帕克公司于2009年建了世界上最大的自养脱氮反应器，设计脱氮能力达1.1万kgN/d,采用一体式的CANON工艺处理谷氨酸钠(味精)生产中的废水。此外，山东湘瑞药业有限公司采用4300m3的厌氧氨氧化反应器处理玉米淀粉和味精生产相关的废水，设计氨氮负荷达1.42kgN/(m3•d)。山东省滨州市安琪酵母公司引进帕克公司的厌氧氨氧化工艺技术处理高氨氮工业废水，该项目是厌氧氨氧化技术在酵母废水处理领域的首次工程应用，与该公司原A0工艺相比，厌氧氨氧化反应器在大大节省占地的基础上，实现了2.0kgN/(m3・d)的高氨氮负荷稳定运行，这也是厌氧氨氧化反应器目前可承受的最大污泥负荷，其工业规模远高于传统工艺。这些厌氧氨氧化项目的成功实施大大加速了厌氧氨氧化工艺在国内污水处理中的应用。表2国内厌氧氨氧化工程应用案例TW照容师"IR双负荷/建设叼网台湾公收渗施液处身坡圾漆址液384-2006年安原牌母公司河水处理(川再停针废水$002.003009年悔化工♦用色水处及IV)昧柄廿度水66001.672009年梅花T♦园污水处用11期味精密产废水41001202mo年山东加・用，布限公司竹内处是玉米淀粉10球箱生产废木4JOO1.422011年斯•1£家黑工业园区污水蚣♦划M间厦东$4001.982011年湖北［堰西邮垃圾渗糠液处/网用城海旎液--3015年Jt京育胃内污水处理厂行契消化箱---除引进国外技术，国内一些研究团队正积极进行自主创新和技术实践，将厌氧氨氧化污水处理技术的实验室研究逐渐转移到大型污水处理厂中。浙江大学厌氧氨氧化研究团队已成功在浙江建设了两个生产性厌氧氨氧化污水处理P,分别处理义乌市的味精废水(60m3)和浙江省东阳市的制药废水(10m3)。北京工业大学的彭永臻老师团队也展开了对基于厌氧氨氧化工艺的城市污水厂实现能量自给的可行性研究。随着研究的不断发展，2015年湖北十堰垃圾填埋场渗滤液处理厂采用两段式工艺，将两级UASB、厌氧氨氧化、膜生物反应器和反渗透（MBR/RO）处理工艺相结合，设计处理量为150m3/d,COD控制在100mg/L,TN控制在40mg/L,氨氮控制在25mg/L,成为国内第一个使用厌氧氨氧化处理垃圾渗滤液，并解决垃圾渗滤液低碳氮比问题的项目。除了将厌氧氨氧化技术用于工业废水和污水处理侧流工艺，我国在厌氧氨氧化主流工艺应用上也迈出了第一步。西安市第四污水处理厂在原有缺氧/厌氧/好氧（倒置AAO）工艺上（图3）,通过在缺氧及厌氧池投加填料并延长HRT,利用搅拌+曝气实现填料流化，将工艺改造为反硝化/厌氧氨氧化工艺，该厂进水氨氮为20.3〜40.8mg/L,COD/TN为1.2〜7.9,全年水温为10.7〜25.2℃。在连续运行的近两年时间里，出水水质不仅成功由一级B标准提升为一级A标准，且出水总氮显著低于其他工艺，其中，厌氧氨氧化工艺占全厂脱氮份额的15.9%左右。该厂是目前全球第3个实现主流厌氧氨氧化工艺的污水处理厂，且全球已有超过5座污水厂正在尝试实践主流厌氧氨氧化。该厂的实践表明，尽管厌氧氨氧化主流工艺应用仍存在一些技术难题，但仍可预见将会有更多污水处理厂将其作为主流处理工艺试验推广。出水图例 [ 污泥回流 J4 污水 ：工 污亮 ♦图3西安第四污水厂工艺流程图4.4.主流厌氧氨氧化工艺技术难点尽管目前厌氧氨氧化工艺在国内外已有不少工程应用案例，但与侧流工艺应用不同，主流厌氧氨氧化工艺应用中面临着市政污水氮浓度低、有机物浓度高、冬季水温低等技术难点，导致其在推广和实践上仍存在一定的局限性。下面针对主流厌氧氨氧化工艺应用中出现的AnAOB生长缓慢、难富集和工艺运行不稳定等主要问题及其研究进展展开论述。4.4.1.厌氧氨氧化工艺的快速启动目前已知AnAOB广泛分布于海洋沉积物、油田、河口沉积物、厌氧海洋盆地、红树林地区、海洋冰块、淡水湖、稻田土壤、湖港区以及海底热泉等自然环境中。己明确命名的AnAOB有6类属，超过23类种。此外，也有一些文献相继报道了6类属之外一些未知的菌属。反应器中AnAOB的生长和富集是实现厌氧氨氧化自养脱氮的基本前提，然而，AnAOB属于自养型微生物，在自然环境条件下，其生长速率缓慢，倍增时间较长，难以进行快速增殖，同时，其对生长环境(如温度、溶解氧、pH等)的要求近乎苛刻，导致厌氧氨氧化工艺的启动要比传统的硝化反硝化工艺慢，限制了其在污水处理中的工程应用。在荷兰鹿特丹的世界第一座生产性厌氧氨氧化污水厂中，由于AnAOB生长速度缓慢且当时缺乏菌种污泥，原本计划两年启动反应器，但启动过程中出现亚硝酸盐抑制和硫化物抑制等问题，实际用了3-5年才完成启动工作。第一个采用DEMON工艺的奥地利Strass污水厂也花了2.5年左右才完成厌氧氨氧化启动。为加快启动时间，研究人员对不同接种种泥、不同反应器类型、不同载体中厌氧氨氧化工艺的启动效果展开了大量研究。Wett等在Glarnerland污水处理厂启动中，通过接种现有厌氧氨氧化工艺种泥，将其启动时间缩短到50d。Christensson等为减少新反应器的启动时间，采用MBBR开发了一种ANITAMox工艺，其原理是在启动新反应器时，投加3%〜15%已经形成了AnAOB生物膜的载体，剩下的则加入新载体材料。为了验证这一工艺的可行性，2010年瑞典马尔默的Sjlunda污水厂首次采用这种方法，在4个月内完成了厌氧氨氧化反应器启动，氨氮去除率达90%,且系统运行非常稳定；之后在瑞典的Sundets污水处理厂再次验证了这种启动方式的可行性，该厂在2个月内便实现了满负荷生产。此外，一些研究者通过将微生物固定在聚乙烯醇(PVA)-海藻酸钠(SA)凝胶中，实现了上升流塔式反应器中厌氧氨氧化工艺的快速启动；也有研究发现，AnAOB的生长严重依赖含铁蛋白，铁盐的添加有利于促进AnAOB的生长富集，当添加0.09mmol的Fe2+时，厌氧氨氧化启动由70d缩短至50d。还有一些研究结果表明，AnAOB的最大生长速率并非受其细胞内在特性限制，而与细胞培养条件有关，当对AnAOB施加适宜的培养条件时，其生长速率可以显著提高，部分AnAOB细胞倍增时间可缩短至2〜5d。这些研究成果为厌氧氨氧化工艺的快速启动运行和推广奠定了理论基础，但在实际应用中，AnAOB的快速生长与污水的pH、温度、亚硝酸盐浓度、溶解氧、SRT、有机物浓度、盐度等因素紧密相关。此外，污水的组成、有毒化合物的存在和反应器的类型等因素也会影响AnAOB的活动，并改变其群落结构。尽管目前实验室已提出了一些缩短厌氧氨氧化反应器启动时间的方法，但未来仍需工程实践来进一步验证这些方法的可行性。4.4.2.AnAOB的富集AnAOB的富集方法可大致分为两大类。一类是通过将悬浮态的活性污泥固定，形成生物膜或颗粒污泥，实现AnAOB的截留，由于细菌种群的缓慢生长，保持厌氧菌生物量对于厌氧氨氧化工艺的稳定运行至关重要。Jia等研究发现，在反应器内投加载体材料形成生物膜，或通过培养形成颗粒污泥的方法可有效避免AnAOB的流失。目前，已有多种载体材料被用于AnAOB的富集。Ferndndez等用沸石颗粒作为载体材料，发现带负电荷的沸石能够吸引并聚集带正电荷的转离子，沸石的投加可提高反应器内AnAOB的富集度，随出水流失的生物质量显著降低。Miao等用聚乙烯海绵作载体材料处理渗滤液，发现基于该载体的处理工艺能实现很高的脱氮效率，形成的生物膜使AnAOB的基因比例从1.3%增加到13.3%。此外，由紧密的微生物聚集体组成的颗粒污泥不仅具有较高的沉降速度，而且可以避免生物量随出水流失，形成的厌氧氨氧化颗粒污泥具有较高的沉降速度、较高的脱氮率、较低的基础设施成本的显著优势。为了优化实际工程应用效果，涌现出大量关于厌氧氨氧化颗粒污泥的研究。Tang等认为，选择合适的接种污泥，同时增加进水氮负荷可以有效提高颗粒污泥的形成速率，从而提高反应器的脱氮性能。但颗粒污泥的实际应用也存在一些局限性，Chen等研究表明，这种厌氧菌颗粒浮选和后续的冲洗过程会破坏厌氧氨氧化工艺的稳定运行。此外，颗粒污泥的尺寸大小也会影响厌氧氨氧化反应的进行，过大的颗粒污泥会影响基质的扩散和反应速率，反而抑制了AnAOB的活性。An等研究了不同大小(0.5〜1.0、1.0〜1.5、＞1.5mm)的颗粒污泥的物理性质和反应性能，结果表明，1.0〜1.5mm的颗粒污泥AnAOB活性最高，3种尺寸的颗粒污泥的氮负荷分别为0.55、0.62、0.52gN/(gVSS•d)。另一类AnAOB富集的方法是利用NOB、HB和AnAOB之间的竞争关系，保证AnAOB在体系中成为优势菌属，三者之间的关系如图4所示。目前，已发现可通过减少SRT、降低pH、控制曝气时间降低DO等方法来调控NOB和HB的生长，以增加体系中AnAOB的生物量。这些方法可分为两大途径：（1）通过调控工况促进AOB和AnAOB的生长活性，并通过调控NO]—N和NO]—N浓度，在降低HB的同时抑制NOB的生长；⑵从系统中清除NOB（NO]—N-NO]—N）和HB,同时保留AOB（NH，NfNO]—N）和AnAOB。但由于这些方法要求特殊的生长条件，如低pH值和较高水温，或是只适用于间歇曝气的反应器中（严格控制曝气时间），甚至可能会降低AOB活性（如较低DO）,因此，这类富集方法还不能广泛在全规模污水厂中采用。COD,图4脱氮关键功能微生物相互关系示意图进水有机物的浓度也会对AOB和AnAOB的生长造成显著影响。由表3可知，厌氧氨氧化工艺适用于处理进水C/N较低的废水，因为在高有机物浓度条件下，HB会与自养的AOB和AnAOB竞争底物（DO和NO]—N）和生存空间，不利于自养脱氮过程。Chen等发现，当进水C/N从0.5:1增加到0.75:1时，硝化/厌氧氨氧化工艺的脱氮效率从79%降低到52%O但对主流厌氧氨氧化工艺的应用来说，实际市政污水的进水有机物含量（一般C/N为4:1〜12:1）远远高于自养微生物生长所需的有机物含量。因此，一些研究者提出，可在PN/厌氧氨氧化工艺之前进行脱碳预处理（如进行消化产能等），以降低进入厌氧氨氧化工艺中的有机物含量。但关于脱碳预处理工艺的实际应用和控制条件等仍需要进行实践研究。反应器处庠对象容积/I.倭氨比去除率UasbM垃圾渗漉液11.51833l.9S：l99.5%（氨氮）养晴废水4.91070.88：185%（总氯）sbrI50)生活污水4263a4：165.6%（总氮）人工配水101850.5:195.ifasB)合成污水8-1.2：172%（总氮）注1：UMSR为上流式微需氧污泥反应器由人5为一体式固定膜活性污泥反应器表3厌氧氨氧化技术应用中最佳进水碳氮比4.4.3.厌氧氨氧化工艺的稳定运行

4.4.3.1.稳定NO]—N供应NO^-N和氨氮是厌氧氨氧化反应的底物，由于氨氮是污水中含氮化合物的主要存在形式，因此，稳定地为厌氧氨氧化反应提供NO2一成为了污水自养脱氮工艺的关键。污水中NO3-N有两个形成途径：其一是通过将氨氮氧化为N0£一的亚硝化过程产生（NH：NfNO]—N）；其二是通过将NO]还原为N02-的部分反硝化过程产生（NO]—N-NO]—N）。后者可同时实现NO]—N的去除和NO3-N的供应，且相较于完全反硝化过程，部分反硝化过程还可减少“0等温室气体的排放以及减少40%左右的碳源投加量，大幅节省运营成本。因此，作为一种绿色经济有效的主流脱氮工艺替代方式，基于部分反硝化/厌氧氨氧化的工艺得到了全球研究者的广泛关注。尽管NO2一是厌氧氨氧化过程的重要底物，但过量的NO?一累积在厌氧氨氧化系统内时会对AnAOB有毒害作用。不同来源的AnAOB以及不同污水处理系统中N0]的抑制浓度不同（表4）。此外，试验发现，反应器中氨氮的存在与否也会显著影响N0]对AnAOB的毒害作用。在氨氮存在的条件下，抑制50%的AnAOB活性需要384mg/L的NO]—N。但在无氨氮的条件下，质量浓度为53mg/L的NO]—N就能降低AnAOB一半的活性。表3亚硝酸盐对厌氧氨氧化性能的影响AnAOB肿泥来源 反应寄 ♦硝酸母/（呻工-'） 彩响效果菌为主的厌氧筑辄化污泥由清新400活性抻制50%（可实验室反应器SBR81生物班否性降低50%[切UASB83MBBK反应器血清瓶52活性抑制大于3殊（刃厌班氟氧化生物飘SBR<240无抑制（到VASB反应器中的厌氧颗粒污泥CBF380脱氨彘显著降低（卬从MBBK提取的生物腴拨体1.2L反应器100活性抑制26%（川160活性抑制100%〔叫4.4.3.2.低温运行AnAOB的最适生长温度为30~40℃,如何在低温（10〜16℃）条件下实现厌氧氨氧化工艺的稳定运行是厌氧氨氧化技术主流工艺应用和推广的瓶颈之一。尽管已有一些实验室研究报道厌氧氨氧化工艺在低温下也可取得较好的脱氮效果，但由于AnAOB在低温下的低活性、低生长速率，以及市政污水水温的季节性波动，主流工艺应用中可能还需要延长生物膜SRT来保证反应器内有足够量的AnAOB。

4.4.3.3.主流工艺应用目前，全球范围内正在积极展开对主流厌氧氨氧化工艺的试点和工程化研究，但还没有能长期稳定运行的成熟主流厌氧氨氧化技术。因此，为了推进主流工艺应用的进程，一些研究者提出，可以通过将侧流工艺中的优势微生物接种至主流工艺中，增强主流工艺系统中有益的微生物群落(如AOB和AnAOB),从而加速反应器的启动和稳定运行。此外，在线监测和智能化控制也是保障主流厌氧氨氧化工艺稳定运行的关键，系统的稳定运行必须依靠在线传感器对NH*-N、NOj—N>NO]—N、pH和DO含量的及时测定和调控。5.结语与展望尽管目前厌氧氨氧化技术的主流工艺应用技术还不十分成熟，但经过几十年的发展，厌氧氨氧化技术工程应用已遍布全球，近几年国内对厌氧氨氧化的研究和工程应用也取得了很大的进展和突破。鉴于市政污水处理厂主流工艺应用与侧流工艺应用在水质、水温、处理规模等方面的差异，针对主流厌氧氨氧化工艺面临的工艺启动较慢、AnAOB富集、硝酸盐浓度控制困难、冬季水温低等技术难点，现有研究已发现，可通过接种现有厌氧氨氧化工艺种泥、形成生物膜或颗粒污泥、调控微生物种群、组合其他工艺等方法破解以上难题。面对巨大的污水处理市场，预计我国将在不久的将来成为厌氧氨氧化技术应用的主要市场，未来的研究在优化操作条件和开发智能化控制系统的同时，还可在以下几方面作进一步研究。(1)一体式厌氧氨氧化工艺由于具有较低的建设和运营成本，在实际应用中受到欢迎，未来可针对一体式厌氧氨氧化系统过程控制和工艺操作参数优化做进一步研究，在保障稳定运行的同时，还应强化控制“0的排放。(2)尽管实验室研究已经证明厌氧氨氧化工艺适用于处理各类废水，但在实际工程应用中，面对污水复杂的组成成分，厌氧氨氧化工艺的成功稳定运行仍面临巨大的技术难题。例如，目前尚未对抗生素、各种药物和酚等与厌氧氨氧化系统的相容性进行充分的研究，未来应扩大各种新兴污染物对厌氧氨氧化工艺影响及机理的研究。(3)将厌氧氨氧化工艺由侧流工艺转向主流工艺应用已经成为全球厌氧氨氧化技术发展的趋势，但主流工艺应用仍面临着启动缓慢、市政污水有机物浓度高、低温与低氮条件难运行等问题，除解决这些问题，未来还应加强厌氧氨氧化工艺生物除磷效果和机理的研究。5.亚硝酸型硝化一厌氧氨氧化脱氮(SHARON—ANAMMOX)技术5.1.概述SHARON工艺可以通过控制温度、水力停留时间、pH等条件，使氨氧化控制在亚硝化阶段。目前尽管SHARON工艺以好氧/厌氧的间歇运行方式处理富氨废水取得了较好的效果，但由于在反硝化期需要消耗有机碳源，并且出水浓度相对较高，因此目前很多研究改为以SHARON工艺作为硝化反应器，而ANAMMOX工艺作为反硝化反应器进行组合工艺的研究。通常情况下SHARON工艺可以控制部分硝化，使出水中的NH3—N与NO力匕例为1：1,从而可以作为ANAMMOX工艺的进水，组成一个新型的生物脱氮工艺，其反应如下式所示：0.5NH^+0.7502=0.5N02+H++0.5NHt+NO7=N2+2H2ONH^+0.7502=0.5N2+H++1.5H20SHARON-ANAMMOX的组合工艺具有耗氧量少、污泥产量少、不需外加碳源等优点，是迄今为止最简捷的生物脱氮工艺，具有很好的应用前景。5.2.短程硝化-厌氧氨氧化工艺(SHARON—ANAMMOX)荷兰Hellinga等在1998年提出了一种高温高氨氮废水短程硝化反硝化处理技术 SHARONfSinglereactorHighactivityAmmoniumRemovalOverNitrite)工艺。该技术是将高氨氮废水在一个完全混合式反应器中处理，运行温度为35c左右，污泥停留时间SRT等于水力停留时间HRT。将亚硝酸盐氧化菌NOB从反应器中淘