工艺技术低浓度内循环厌氧氨氧化反应器的设计与制作

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1 基本水质参数

1.1需处理原水水质指标

项目	CODcr	NH4+-N	TN	SO42-	HS-
指标值	200	20	35	50	40

进水指标表（mg/L），即低浓度废水处理。

1.2设计规模与水质

反应器规模：大口径高2.44米的UASB-ANAMMOX反应器。

需达到处理后污水排放指标执行国家《城镇污水处理污染物排放标准》（GB18918-2002）一级A标准，见下表：

项目	CODcr	NH4+-N	TN	SO42-	HS-
指标值	50	5（8）	15	10	10

2 设计的依据和原则

城市污水处理工艺方案的选择一般应体现以下总体要求：满足要求，因地制宜，技术可行，经济合理。也就是说，在保证处理效果、运行稳定，满足处理要求（排放水体或回用）的前提下，使基建造价和运行费用最为经济节省，运行管理简单，控制调节方便，占地和能耗最小，污泥量少。同时要求具有良好的安全、卫生、景观和其它环境条件。本次设计主要设计的是厌氧氨氧化反应器，即在污水的厌氧氨氧化处理工艺上进行选择。

3 污水的厌氧氨氧化处理工艺

3.1厌氧氨氧化污水处理工艺流程

厌氧氨氧化工艺，即在厌氧条件下，微生物直接以NH4+做电子供体，以NO2-为电子受体，将NH4+或NO2-转变成N2的生物氧化过程。由于厌氧氨氧化过程是自养的，因此不需要另加COD来支持反硝化作用，与常规脱氮工艺相比可节约100%的碳源。而且，如果把厌氧氨氧化过程与一个前置的硝化过程结合在一起，那么硝化过程只需要将部分NH4+氧化为NO2--N，这样的短程硝化可比全程硝化节省62.5%的供氧量和50%的耗碱量，并取得了良好的氨氮去除效果。

环保之家.JPG

3.2厌氧氨氧化反应的机理

厌氧氨氧化ANAMMOX(ANaerobic AMMonium OXidation)指的是厌氧条件下氨氮以亚硝酸氮作为电子接受体直接被氧化到氮气的过程，其分解反应如下：

NH4++NO-2→N2+2H2O(1)

从这一反应中所产生的Gibbs自由能甚至比产生于好氧氨氧化的能量还高，所以，能够支持自养细菌生长。早在20世纪70年代中期，Broda便从自由能理论计算中预测到自然界应该存在着ANAMMOX现象，但它的现实发现是在理论预测10年之后。

荷兰人Mulder首先在用于反硝化的流化床中发现了这一现象。起ANAMMOX作用的微生物已被成功地分别在实验室流化床与SBR反应器中培养、富集到一定浓度，合成培养基为氨氮与亚硝酸氮的混合物。ANAMMOX微生物的增长率与产率是非常低的，但是氮的转换率却为0.25 mgN/(mgSS·d)，这与传统好氧硝化的转换率相当。ANAMMOX反应在10～43℃的温度范围内具有活性，适宜的pH为6.7～8.3。

4 厌氧氨氧化工艺应用现状

基于ANAMMOX原理，目前已开发的工艺主要有3种：SHARON ANAMMOX工艺、OLAND（限氧自养硝化-反硝化）工艺、单相CANON工艺(基于亚硝酸盐的完全自养脱氮)。这几个新工艺的研究目前主要还处于实验室研究阶段，少量应用到了实际中。

4.1 两相SHARON-ANAMMOX工艺

SHARON-ANAMMOX工艺是荷兰Delft大学2001年开发的一种新型的脱氮工艺。基本原理是在两个反应器内，先在一个反应器内有氧条件下，利用氨氧化细菌将氨氧化生成NO2-；然后在另一个反应器缺氧条件下，以NH4+为电子供体，将NO2-反硝化，即ANAMMOX工艺。

SHARRON和ANAMMOX连用，仅需将50%的氨转化为NO2-，不仅不需要投加NO2-，而且由于大多数厌氧出水中含有以重碳酸盐存在的碱度可以补偿硝化所造成的碱度消耗，因而无需投加碱度物质。荷兰Delft大学采用SHANRON-ANAMMOX工艺处理污泥消化液上清液的研究表明：在不控制SHANRON反应器pH值、进水总氮负荷为0.8 kg/(m3·d)的条件下，上清液中的氨被转化为NO2-产生的NO3-占总硝态氮的11%。所产生的氨和NO2-混合液适合于ANAMMOX工艺的脱氮处理,氮的总去除率达到83%。

世界上第一座生产性Sharon反应器已于1998年10月开始在荷兰DOKHAVEN污水处理厂运行，世界上第一座Anammox反应塔也于2002年6月在该厂投入使用，主要用于处理污泥硝化液。

4.2 OLAND工艺

OLAND工艺是1998年由比利时根特大学微生物生态实验室开发研制的，是部分硝化与厌氧氨氧化相耦联的生物脱氮反应系统。该工艺通过限氧调控(溶解氧0.1～0.3mg·L-1)实现了硝化阶段亚硝酸盐的稳定积累，并实现了生物脱氮在较低温度(22～30℃)下的稳定运行。

该工艺氧耗量小，比传统的硝化/反硝化工艺节省供氧62.5%，不需外加碳源，对总氮的去除效率相当高[50mg TN/(L·d)]。张丹等采用两阶段OLAND处理高氨氮、低COD的废水，应用内浸式多聚醚砜中空膜，实现了污泥的完全截留，阻止了生物量的大量洗脱，并通过控制溶解氧在0.1～0.3mg·L-1之间，实现了硝化阶段出水中氨氮与亚硝态氮浓度的比例达到最适值，从而为第二阶段的厌氧氨氧化提供理想的进水，进而获得较高的脱氮率。

限氧自养硝化-反硝化生物脱氮系统的一体化生物膜RBC反应系统已经在比利时安特卫普污水处理厂进行中试，运行效果比较理想。

4.3 CANON工艺

CANON工艺首先由于荷兰Delft大学提出。基本原理是在亚硝酸盐和氨氮同时存在的条件下，通过控制溶解氧,利用自养型的ANAMMOX细菌将氨和亚硝酸盐同时去除，产物为氮气，另外还伴随产生少量硝酸盐，由于参与反应的微生物属于自养型微生物，因此CANON工艺不需要碳源。

另外由于CANON工艺只需要硝化50%的氨氮，硝化步骤只需要控制到亚硝化阶段，因此可以节约碱度50%。CANON工艺在限氧条件下进行，因此可以节约供氧量，理论上可节约供氧62.5%。

深圳市下坪固体废弃物填埋场渗滤液处理厂通过SBR反应器实现CANON工艺，发现溶解氧控制在1mg/L左右，进水氨氮<800mg/L，氨氮负荷<0.46 kg NH4+/(m3·d)的条件下，氨氮的去除率>95%，总氮的去除率>90%。

5 技术特点

Anammox工艺的关键是获得足量的厌氧氨氧化菌，并将其有效地保持在装置内，使反应器达到设计的厌氧氨氧化效能。在实施上，不仅要优化营养条件和环境条件，促进厌氧氨氧化菌的生长，同时要设法改善菌体的沉降性能并改进反应器的结构，促使功能菌有效持留。

此工艺的技术要点主要包括以下几个方面：

温度控制

温度是影响细菌生长和代谢的重要环境条件。随着温度的升高，细胞内的生化反应加快，细菌生长加速；超过上限温度后，对温度敏感的细胞组分（如蛋白质和核酸）变性加剧，细菌生长停止，甚至死亡。如果其他条件不变，细菌有一个最适生长温度。郑平的研究表明，当温度从15℃上升到30℃时，厌氧氨氧化速率随之增大，但上升到35℃时反应速率下降，最适温度在30℃左右。Jetten等认为，厌氧氨氧化的温度范围为20--43℃，最适温度为40℃。

pH控制

在厌氧氨氧化过程中，pH是一个非常重要的环境条件。它对厌氧氨氧化的影响主要来自它对细菌和基质的影响。郑平通过研究发现，当pH从6.0升至7.5时，厌氧氨氧化速率提高；但当pH继续由8.0升至9.5时，厌氧氨氧化速率下降；由此判定，最适pH在7.5到8.0附近。据Strous等人报道，厌氧氨氧化的适宜pH范围为6.7—8.3，最大反应速率出现在pH8.0左右。

溶解氧浓度控制

Strous等人采用序批式反应器试验了氧对厌氧氨氧化的影响。该反应器以厌氧和好氧交替进行，在充氧期间，没有厌氧氨氧化反应；只有在停止供氧后，才发生厌氧氨氧化反应。试验证明，氧能够抑制厌氧氨氧化活性，但除氧后厌氧氨氧化活性能够恢复。Strous等人进一步考察了氧对厌氧氨氧化的活性抑制浓度。他们发现，在氧浓度为0.5—2.0%空气饱和度的条件下，厌氧氨氧化活性被完全抑制；氧对厌氧氨氧化活性的抑制浓度低于0.5%空气饱和度。

基质浓度控制

基质氨和产物硝酸盐对厌氧氨氧化的活性影响较小，只要氨浓度和硝酸盐浓度低于1000mg/l，就不会对厌氧氨氧化活性产生抑制作用。但是，基质亚硝酸盐对厌氧氨氧化活性影响较大，一旦亚硝酸盐浓度超过100mg/l，就会对厌氧氨氧化活性产生明显的抑制作用。在基质浓度控制中，应重点控制亚硝酸盐浓度，使之低于5mmol/l.

负荷控制

在反应器容积负荷设定以后，其工作性能有赖于污泥负荷作保障。如果污泥负荷很高，接近或超过最大污泥活性，多余基质将不被转化，如果该基质是氨，则会影响出水水质，如果该基质是亚硝酸盐，甚至会导致反应器失控。防止污泥超负荷的措施是提高污泥浓度。Anammox工艺常见的污泥氨负荷为0.02—0.3kg/(kg•d).

泥龄控制

由于厌氧氨氧化菌生长缓慢，细胞产率低，维持长泥龄对Anammox工艺具有至关重要的作用。厌氧氨氧化菌的倍增时间长达11d，因此Anammox工艺的泥龄越长越好高浓度的氨氮和硝态氮的存在对厌氧氨氧化反应也有抑制作用，因此，该工艺不适用于高浓度含氮废水。

6 低浓度、大内循环厌氧氨氧化反应器的设计依据

传统污水处理工艺以能消能，消耗大量有机碳源，剩余污泥产量大，同时释放较多CO2(因耗能)到大气之中。当今，全球普遍强调的可持续发展经济模式在污水处理领域也得到体现。因此，研发以节省能(资)源消耗、并最大程度回收(用)有用能(资)源的可持续污水处理工艺已势在必行。

7 反应器材料与方法

7.1实验装置及结构

实验采用上流式厌氧污泥床反应器，长120cm，宽80cm，高244cm。反应器底部有9个电磁阀。内部有个促进内循环的泵。人工合成废水，pH在7.4--7.8之间，温度控制在（32±1）℃。主要处理NH4+，SO42-，HS-等低浓度离子。进水方式：连续进水，为了确保进水均匀分布，每个进水管线仅仅与一个进水点相连接，是最为理想的情况。

为保证每一个进水点的流量相等，建议用高于反应器的水箱(或渠道式)进行分配，通过渠道或分配箱之间的三角堰来保证等量的进水。这种系统的好处是容易观察到堵塞情况。采用在反应器池底配水横管上开孔的方式布水，为了配水均匀，要求出水流速不小于2.0m/s。这种配水方式可用于脉冲进水系统。一管多孔式配水方式的问题是容易发生堵塞，因此，应该尽可能避免在一个管上有过多的孔口。

7.2低浓度

我国多数城市污水的C/N低,加上污水处理厂出水水质标准的提高,依靠传统脱氮工艺,难以保证脱氮效率。因此,急需寻求低碳源城市污水脱氮方法。在厌氧氨氧化工艺中,由于厌氧氨氧化菌为自养菌,反应过程中无需消耗碳源,所以若能将其应用于城市污水处理,可有效地解决城市污水脱氮中碳源不足的问题。厌氧氨氧化现象最初是在处理高浓度氨氮废水过程中发现的,之后研究者们在进水氨氮浓度较高的条件下对厌氧氨氧化工艺作用机理、参与菌种、工艺特征等开展了一系列研究,并取得了显著的成果。

低浓度废水处理过程中存在的问题:低浓度废水碳源通常不足，给处理中的脱氮除磷带来许多问题。在生物脱氮除磷的结合系统中，厌氧释磷、缺氧反硝化、好氧异养菌代谢要消耗碳源。其中反硝化和释磷对于挥发性脂肪酸的竞争性矛盾尤为突出，通常为了充分释磷，往往首先满足厌氧释磷对碳源的要求，这就会导致后续反硝化碳源的不足，进而影响系统的脱氮效果；或者反之，影响除磷效果。

国内新建的大部分具有脱氮除磷功能的城市污水处理厂，由于配套的城市排水系统通常滞后于城市污水厂的建设，造成进入城市污水厂的污水量或污水水质远低于设计值，在试运行阶段甚至投入生产后正常进行的很长时期内，使污水处理厂处于低负荷运转状态。这些污水处理厂的实际运行结果表明，其总磷、总氮去除率低，尤其是总磷去除效果较差，通常总磷去除率小于50%。因此，对低碳源条件下除磷脱氮工艺的适宜运行条件进行研究，寻求合理的解决方法，是目前城市污水处理领域所面临的重要问题。

但在低浓度氨氮条件下对厌氧氨氧化工艺的研究尚少。Kuyper s等人在黑海中发现了厌氧氨氧化菌,它们能高效地消耗从黑海表层区域进入到下层厌氧区的无机氮。这一发现说明了在氨氮浓度极低的条件下,厌氧氨氧化反应也能顺利进行。基于这一可行性分析,本试验在低浓度氨氮条件下启动厌氧氨氧化反应器,研究低浓度氨氮条件下厌氧氨氧化作用机理,对解决传统脱氮工艺存在的问题、提高城市污水处理厂脱氮效率和改善城市水环境质量具有重要意义。

7.3大内循环

反应器中所装的细菌为厌氧氨氧化菌(anaerobic ammonium oxidation,Anammox)，是自养型细菌，属于浮霉菌门，包括(CandidatusBrocadia)、(Candidatus Kuenenia)和(Candidatus Scalindua)属。它们可以在缺氧环境中，将铵离子(NH4+)用亚硝酸根(NO2-)氧化为氮气：NH4++NO2-→N2+2H2O

它们对全球氮循环具有重要意义，也是污水处理中重要的细菌。在厌氧氨氧化过程中，羟胺和肼作为代谢过程的中间体。和其它浮霉菌门细菌一样，厌氧氨氧化菌也具有细胞内膜结构，其中进行氨厌氧氧化的囊称作厌氧氨氧化体(anammoxoxome)，小分子且有毒的肼在此内生成。厌氧氨氧化体的膜脂具有特殊的梯烷(ladderane)结构，可阻止肼外泄，从而充分利用化学能，且避免毒害细胞。

大内循环的设计就是在反应器中央装上一台泵，因为装入反应器的细菌数量多，细菌之间存在种内竞争，有些竞争性较弱的细菌在相同条件下可能得不到营养的供给，这样就不利用细菌的培养，同时也影响了氨氮的处理效率，这样就需要泵的作用将反应器内的营养物质混合均匀，使每个微生物都能得到足够的养料，使微生物能够正常繁殖生长，即哲学上所说的混沌理论。

大内循环设计如图：

环保之家0.JPG

布水装置

对于高效厌氧反应器而言，不仅要分离污泥停留时间和水力停留时间，还应使进水和污泥之间保持充分的接触。厌氧反应器中污泥与废水的混合，首先取决于布水系统的设计，合理的布水系统是保证固液充分接触的基础。

与此同时，反应器中液体表面上升流速、产生沼气的搅动等因素也对污泥与废水的混合起着极其重要的作用。可见，厌氧反应器的高效、稳定运行与布水系统有非常密切的关系，是反应器运行成败的关键。进水的布水系统兼有布水和水力搅拌两大功能。

在厌氧反应器运行过程中，进水必须在反应器底部均匀分配，确保各单位面积的进水量基本相同，以防止偏流、股流现象，避免设备容积利用率降低，导致处理效率大大降低；同时依靠进水的水力搅拌和反应过程产生沼气的搅拌作用，提高进水与污泥的混合效果，并可防止局部产生酸化现象。

设计一种厌氧反应器的布水器，提高厌氧反应器布水的均匀性，加强进水与污泥床层的充分混合、接触，最大限度地利用反应器内的污泥，提高设备容积利用率，提高净化效果；同时，当进水管发生堵塞时，很容易被清除，彻底解决了布水器易堵塞的问题。

1)脉冲进水方式

我国UASB反应器与国外的最为显著的特点是很多采用脉冲进水方式。有些研究者认为脉冲方式进水，使底层污泥交替进行收缩和膨胀，有助于底层污泥的混合。

2)一管多孔配水方式

采用在反应器池底配水横管上开孔的方式布水，为了配水均匀，要求出水流速不小于2.0m/s。这种配水方式可用于脉冲进水系统。一管多孔式配水方式的问题是容易发生堵塞。

3)分枝式配水方式

这种配水系统的特点采用较长的配水支管增加沿程阻力，以达到布水均匀的目的。大阻力系统配水均匀度好，但水头损失大。小阻力系统水头损失小，如果不影响处理效率，可减少系统的复杂程度。

综合以上3种进水方式，本设计决定采用一管多孔配水方式，因为一管多孔配水方式只需一个泵，可以达到省泵的目的，减少能耗，但是这种方式容易造成堵塞，所以要解决这一个问题，必须要有所改进。需考虑设置液体反冲洗或清堵装置，可采用停水分孔分段反冲。

本设计采用圆形布水器，反应器设9个布水点，每个进水孔由一个电磁阀控制，由一个泵控制进水流量。由于是矩形反应器，必须尽量防止布水死角的产生，取每个进水孔的直径为5cm，布水方式如图：

环保之家1.JPG

进水时需要清堵，设置液体反冲洗或清堵装置，本设计采用电磁阀控制，用停水分孔分段反冲。即单开一个进水孔，其他孔全关闭，冲洗6秒时间，关闭这个进水孔，同时打开另一个进水孔，继续冲洗6秒，如此循环，等到9个进水孔全部冲洗完毕，即耗时54秒，打开全部进水孔，进水到5分钟。在这5分钟内可以认为进水在反应器底部均匀分配，各单位面积的进水量基本相同。此后循环以上操作。

7.4大流量

根据所设计反应器的参数：高h=4cm，长a=120cm，宽b=80cm。即可算出其体积，由体积公式：

环保之家2.JPG

原标题：本设计介绍一种新近在欧洲出现的可持续处理工艺---厌氧氨氧化的工艺。作者：刘成良

工业水处理 · 发表于 2021-4-18 09:10:30

大流量的作用是使反应器内的细菌能够得到充分的营养物质。

7.5生物量截留

由于ANAMMOX活性微生物生长速率较低，世代时间较长。为获得最大可能的污泥停留时间,必须在反应器中设置分离设备。达到生物截留的目的。

该分离设备应达到如下目的：

1.分离并排除反应器中的沼气。

2.有效地防止活性细胞物质的流失。

3.使污泥滑回到消化室内。

4.提供精处理作用。

5.防止漂浮颗粒化污泥的流失。

本设计在反应器上部安装生物量截留装置，如图所示：

在反应器右上方开一条2cm的缝，当水经过缝进入到截留装置时，细菌将被挡板挡住而不能随着出水流出，截留装置底部的角度为60°，再在第一个截留装置右上方开一条2cm的缝，当水经过缝进入到第二个截留装置时，细菌将再次被挡板挡住而不能随着出水流出，出水口装在第二个截留装置，这样细菌将能更好的被截留下来。

8 厌氧氨氧化反应器的优势与不足

8.1 厌氧氨氧化工艺的先进性

与传统的硝化反硝化技术相比，厌氧氨氧化工艺具有很多优点：

（1）由于氨可以直接用作反硝化反应的电子供体，因此，不需要外加有机物做电子供体，既可节省费用，又可防止二次污染。

（2）硝化反应每氧化1molNH4+耗氧2mol,而在厌氧氨氧化反应中，每氧化1molNH4+只需要0.75mol氧气，耗氧减少62.5%，从而使供氧耗能大幅度下降。

（3）传统的硝化反应氧化1molNH4+可产生2molH+，反硝化反应还原1molNO3-或NO2-将产生1molOH-，而厌氧氨氧化反应产酸量大幅度下降，产碱量降至为零，可以节省数量客观的中和试剂，同时防止可能出现的二次污染。

8.2 厌氧氨氧化工艺存在的主要问题

（1）在Anammox反应器中，生物产率极低，几乎观察不到厌氧氨氧化菌的生长繁殖，系统必须有相应的生物补给，否则反应器处理能力将下降甚至丧失功能。
（2）系统中的生物产率很低，致使水力停留时间比较长，所需的反应器容积很大，废水处理工程的一次投资比较大。
（3）系统反应所需要的温度较高，实际中必须考虑环境条件和所需的能耗
（4）厌氧氨氧化菌对光和氧十分敏感，整个反应要在黑暗中进行，且不得有空气进入。有空气进入时，出水NO2--N浓度急剧升高，甚至会超过进水NO2--N浓度。因此，厌氧氨氧化工艺需要有很高的技术要求，设备和人员素质都必须满足其要求，难度较大。

8.3 改进的途径及建议

（1）在厌氧氨氧化的深入研究中，建立相应的自动化监控系统。对Anammox反应器中的溶解氧和生物相进行适时监控，防止不利因素的产生，保证系统在最佳状态下运行。

（2）实际应用中，因地制宜，扬长避短，充分利用现场条件及厌氧氨氧化工艺的优越性。如在将渗滤液回灌的垃圾填埋场，厌氧填埋单元就是一个可以利用的大容积厌氧生物反应器，可将其作为Anammox反应器，对垃圾渗滤液中的氨氮进行处理。
（3）对厌氧氨氧化的微生物相进行深入研究，确定该类微生物生长代谢的最佳条件及其生长缓慢的原因，为Anammox菌的培养提供理论依据。

（4）对厌氧氨氧化反应机理进行深入研究，探讨如何克服高浓度氨氮和硝态氮对反应的抑制作用，拓宽本工艺的适用范围。

9总结

与其他脱氮工艺相比较，厌氧氨氧化实现了氨氮的短途径转化，具有不需要外加电子供体、大幅度减少供氧能耗及运行中产酸少，产碱量可降至为零，产泥少等优点，具有极大的优越性。

但目前ANAMMOX工艺的研究大部分停留在实验室小试阶段，缺乏大规模的实际工程的实践检验。此外厌氧氨氧化对与生活污水的研究尚未深入，接种污泥来源与缩短反应器启动时间、工艺参数和运行的边界条件的控制问题有待进一步探讨和研究。