全程自养生物脱氮工艺机理及影响因素分析

李凯, 李雪莹, 韩松, 任治军, 焉芷尧, 刘宇航

(1.贵州民族大学生态环境工程学院, 贵阳 550025; 2.国家民委重点实验室/喀斯特环境地质灾害防治实验室, 贵阳 550025)

目前,通常采用传统处理技术如序批式活性污泥(sequncing batch reactor,SBR)、厌氧-好氧(anoxic/oxic,A/O)、厌氧-缺氧-好氧(anaerobic-anoxic/oxic,A2/O)等工艺处理高氨氮低碳废水,需要大量曝气与有机物的额外投加,不仅耗能及成本高,同时构筑物结构复杂,占地面积大,操作难度高,亟需针对此类废水研发一种新工艺[5]。自养脱氮工艺(completely autotrophic nitrogen removal over nitrite,CANON)[6],是近年来基于上述情况开发的一类工艺,在处理高浓度氨氮低碳废水时,具有物料投加少、能耗低、占地面积小、产泥量低、操作简单等优点[7]。

1 自养生物脱氮(CANON)工艺

图1 CANON工艺脱氮流程Fig.1 CANON process nitrogen removal process

2 CANON工艺应用

张羽就等[18]研究发现,针对全中国范围内1 153座城镇污水处理厂,A/O、A2/O、SBR等共6种脱氮工艺基于规模量的单位耗能均值最低达到0.031 (kW·h)/m3,最高达到0.518 (kW·h)/m3。研究表明,与传统脱氮工艺相比,CANON工艺消耗的氧气和添加剂减少了63%,从而显著降低了污水处理成本,CANON工艺的处理费用相较于传统生物脱氮工艺而言,仅是后者的15%～38%[19-20]。Han等[21]在污水厂污泥滤液的侧流处理过程中建立了稳定的处理规模达到2 500 m3/d的泥膜共生一体式厌氧氨氧化工艺(IFAS-CANON),稳定期TN去除效率达到85%以上,该项工艺不仅降低了脱氮对碳源的需求,而且节省了17.6 mg/L的甲醇,剩余污泥产量也减少了4.3×104kg/d,节约经济成本10 600美元/d,印证了IFAS-CANON工艺的经济效益。

CANON工艺技术是近些年在高氨氮污水中进行的一种新型脱氮技术,在实际工程得到了广泛的运用,如渗滤液、养殖废水、食品加工废水等,与传统的废水处理工艺相比有高效、节能、处理负荷高等优点。CANON工艺与各类废水处理工艺具体工程应用如表1所示。

3 CANON工艺机理分析

表1 中外CANON工艺与各类废水处理工艺工程应用案例Table 1 Application cases of CANON process and various wastewater treatment processes at home and abroad

图2 氨氧化过程的反应机理Fig.2 Reaction mechanism of ammonium oxidation process

表2 亚硝化过程反应机理[26]Table 2 Reaction mechanism of nitrification process[26]

图3 厌氧氨氧化代谢过程Fig.3 Metabolic process of Anammox

4 CANON工艺脱氮效果影响因素

CANON工艺脱氮处理的影响因素与生物脱氮过程一致,自养生物脱氮是利用AOB和AnAOB相互协调作用,为了高效地进行CANON工艺,必须具有合适的生长条件[33-35],如温度、pH、溶解氧(DO)、底物浓度等,对相关影响因素进行分析讨论。

4.1 温度

不同属的AnAOB适宜温度也不同,研究表明大多数AnAOB的适宜温度在30～40 ℃[36],而北极中也发现了一种AnAOB其最适温度为12 ℃。AnAOB在35～40 ℃时其活性最高,AOB的最适温度为30 ℃;温度高于45 ℃时AnAOB就会裂解,导致AnAOB的活性不可逆的降低;温度低于15 ℃时AnAOB和AOB活性同时受到抑制,亚硝化和厌氧氨氧化不能高效进行[37]。

4.2 pH

一个稳定酸碱环境对AnAOB和AOB的生长很重要,研究发现CANON工艺的最适pH在6.5～8.5,在pH=8.0时AnAOB和AOB的细菌活性最高[39]。pH会对AnAOB和AOB的生长环境及底物浓度造成影响,pH的提高会促进游离氨(free ammonia,FA)的生成,并通过扩散进入细胞,从而影响pH,进而引起细胞的凋亡。pH降低促使游离亚硝酸(free nitrous acid,FNA)的产生,对微生物代谢过程有影响[40-41]。郭劲松等[42]对CANON工艺试验研究发现pH=8时总氮的去除率最高达到78.4%,而pH为7、9时总氮去除率仅为58.8%和10%左右。秦宇等[43]对于pH对自养脱氮系统功能菌数量的研究发现,pH在7～9范围时AOB数量的变化趋势高于NOB在pH=8时各功能菌数量达到峰值。

4.3 DO浓度

图4 不同细菌适宜的DO浓度范围[44,49-50]Fig.4 Suitable DO range of different bacteria[44,49-50]

4.4 基质浓度

5 结论与展望

(1)CANON工艺作为新型的生物脱氮工艺,相较于传统的生物脱氮工艺,在高效去除、节能减排、降低成本、攻克高浓度氨氮废水处理等方面有明显的优势。在未来处理高氨氮低碳废水方面有广阔的应用前景。

(3)CANON工艺脱氮性能受温度、pH、DO浓度、基质浓度等因素的影响,最适条件为:温度控制在30～40 ℃,最佳温度为35 ℃;最适pH在6.5～8.5,在pH=8.0时AnAOB和AOB的细菌活性最高;DO浓度应控制在1.0 mg/L以下。

(4)CANON工艺目前发展并不成熟,仍存在以下几点问题尚需改进:①系统内AnAOB生长速率较慢、富集培养困难,而且对于生存环境苛刻,致使运行系统控制复杂;②系统内细菌对基质浓度敏感,基质浓度过高将抑制NOB、AnAOB活性,从而造成系统脱氮性能降低;③系统含有多种微生物,而实际污水水质复杂,其在运行过程中易受干扰导致失控,影响系统脱氮效能。因此,CANON工艺在国内仍处于实验室研究阶段,未能推广到实际应用,可以通过以下方式改进:①通过预处理,为CANON工艺后续处理提供合适的环境;②筛选研发高耐受的优质菌种,增强反应器稳定性;③加快AnAOB为基础的多种菌群的耦合研究,拓宽实际应用范围;④生物膜对于微生物具有附着作用,CANON可以利用耦合生物膜的方式,协同进行脱氮处理。