Transcript 厌氧氨氧化(ANAMMOX)

2012年度第七届水处理行业热点技术论坛
污泥消化液
厌氧氨氨氧化生物脱氮技术
北京城市排水集团
张树军、 马斌、张亮
2012.04.13
1.PPT设计的规范性
1.背景介绍
污泥消化液&厌氧氨氧化
未来城市污水厂的发展趋势
耗能大户
温室气体
剩余污泥
节能
减排
回收资源
污泥消化液自养生物脱氮技术的 开发和应用是实现
上述目标的关键和开始！
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1.1 污泥消化液水质水量特点
组成：消化池上清液、消化污泥脱水液等
水量：为总进水量的0.5~2%，与消化池的污泥浓度等相关。
水质：氨氮高； C/N低；碱度不足。
污泥消化液的水量水质特征
污泥消化液组成：消化池上清液、消化污泥脱水液等。
水量：为总进水量的0.5~2%，与消化池的污泥浓度等
相关。
水质特征：
①
氨氮高：污泥消化液为富含氨氮（200~1500mg/L）的废水，消化液氮
含量为进水氮负荷的10~25%。
②
C/N低: 消化液为典型的高氨氮、低C/N废水（高碑店C/N=0.6）。
③
碱度不足: 仅为氨氮的4~6倍，完全硝化碱度不足，硝化时pH过度降低
。
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污泥消化液直接回流的弊端
传统方式：将消化液回流到主流区，与进水一同处理。
优点：工艺简单，便于管理。
弊端：有机碳源和碱度缺乏，增加了污水处理厂的氮负荷 ，导致或
加重了生物脱氮除磷有机碳源的缺乏，脱氮除磷效率难以提高，形
成恶性循环。
处理费用高昂：20-50元/m3消化液。
污泥消化液如何脱氮？？
短程硝化+ANAMMOX全程自养脱氮工艺
短程硝化反应器
Anammox反应器
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第一阶段：氨氮的短程硝化
硝化过程
反硝化过程
NH4+-N → NO2--N → NO3--N → NO2--N → N2
全程硝化反硝化
短程硝化反硝化
温度、游离氨FA、游离亚硝酸FNA、 曝气时间、pH、 DO
第二阶段：厌氧氨氧化(ANAMMOX)
ANAMMOX是九十年代后期正式确认发现的、全新的氨氮生物氧化代谢途
径和模式。在ANAMMOX过程中，氨氮和亚硝酸盐氮会在特殊菌种
（Candidatus “Brocadia anammoxidans” 和 Candidatus “Kuenenia
stuttgartiensis”）的作用下以奇特的方式相互结合而生成氮气，从而达到
高效去除氨氮的效果：
2NH4+ + 1.5O2 = NH4+ + NO2- + H2O + 2H+ （短程硝化反应）
NH4+ + NO2- = N2 + 2H2O
（ANAMMOX）
厌氧氨氧化(ANAMMOX)菌的发现
•上世纪80年代末，荷兰Delft工业大学在运行三级生物脱氮流化床反应器
时发现了未知氮的消失，称之为Anammox现象。迄今为止共发现9个种，
分别归在5个属中，并建立了厌氧氨氧化菌科（Anammoxaceae）。
•其中8个种自污水处理厂或实验室内分离获得：
“Candidatus Brocadia anammoxidans”，“Candidatus Brocadia fulgida”，
“Candidatus Kuenenia stuttgartiensis”， “Candidatus Scalindua brodae”
和“Candidatus Scalindua wagneri” “Candidatus Anammoxoglobus
propionicus”， “Candidatus Jettenia asiatica”， “Candidatus
Anammoxoglobus sulfate”。
•“Candidatus Scalindua sorokinii”则从海洋中分离获得。
•研究表明Anammox菌在自然界中广泛存在。
RBC中深红色的Anammox菌
UASB中深红色的Anammox菌
SBR中深红色的Anammox菌
MBR中深红色的Anammox菌
自养生物脱氮工艺的技术优势
 节省60%运行能耗
 不需额外投加碳源
 高负荷，低污泥产量
 减少温室气体的排放
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污泥消化液自养脱氮对
WWTP的作用
 降低污水厂总氮负荷
 减小处理构筑物体积
 提高污水的脱氮效率
 节省所需的外加碳源
DEMON® SBR反应器对Strass水厂能耗的影响
2.污泥消化液自养生物脱氮
工艺组成﹠运行调控
2.3 污泥消化液自养脱氮示范工程
两段式：半亚硝化→厌氧氨氧化
一段式：亚硝化与厌氧氨氧化同步进行
• AOB与Anammox菌分别在好氧和
• AOB与Anammox菌在同一个反应
缺氧的环境中生长。
• 半亚硝化的溶解氧浓度控制范围
相对较宽，氨氮的硝化率较高。
• 半亚硝化反应器出水NH4+-N和
NO2--N比例需要控制(1.32:1)。
• 系统流程相对复杂，没有成熟种
泥的 条件下启动时间较长。
器中生长。
• 运行条件需要兼顾2种微生物的
生长特点，DO浓度低。
• 总氮去除负荷较低，但不需要控
制氨氮亚硝比例。
• 系统流程和控制简单，污泥可通
过颗粒或生物膜的快速生长。
厌氧氨氧化反应器的接种和启动
接种污泥的选择
• 红色Anammox颗粒污泥—泥源极
少，接种后启动快。
Anammox菌培养方式
• 接种颗粒污泥（好氧、厌氧、缺氧）后，
Anammox菌在颗粒污泥上生长。
• 先在不同的生物填料上附着硝化菌或反
• 城市污水厂硝化和反硝化污泥—泥
源广，与Anammox菌种群接近。
• 厌氧颗粒污泥—加速造粒，
Anammox菌少。
• 混合污泥—泥源广，可能存在不同
的Anammox菌群。
硝化菌生物膜，而后改变运行条件向厌
氧氨氧化转变。
• 直接以絮状接种污泥 进行Anammox
菌的培养驯化。
污泥消化液自养脱氮的运行调控
温度： T=10-45℃，最佳30℃
pH值：6.5-9.0，最佳pH=8.0，维持pH稳定很关键
NO2--N抑制浓度：5-10mmol（70-140mg/L）
DO抑制浓度：0.5%~2%空气饱和度产生可逆性抑制，絮体与聚集体
(颗粒污泥或生物膜)对DO的耐受度差异较大。
倍增时间: 11d
以上影响因素为现有研究结论，随着对厌氧氨氧化菌及工艺的不
断研究和应用，认识会更加全面深入。不应完全受上述条件的限制进
行研究。有研究表明，厌氧氨氧化菌在适宜条件下其倍增时间会缩短
为6d以内。
厌氧氨氧化的工程应用
荷兰的Paques公司2002年在荷兰的鹿特丹Dokhaven污水处理厂建
立了世界上首座厌氧氨氧化污水处理反应器，真正将厌氧氨氧化工艺
进行了工程化应用。
目前世界上已建立厌氧氨氧化废水处理工程几十项：分布在荷兰的
Rotterdam，Lichtenvoorde，Olburgen；德国的Hattingen，
Mechernich；日本的Mie Prefecture；奥地利的Strass；瑞士的
Glanerland和Kollikon以及英国的Pitsea。
污泥消化液自养脱氮的高效性和经济性
两段式：荷兰鹿特丹的Dokhaven污水厂采用Sharon-Anammox 组合工
艺完成污泥消化液脱氮, 其总氮去除速率可达9.5 kg N·m- 3 ·d- 1 (传统生物
脱氮工艺0.23~ 0.5 kg N ·m- 3·d- 1 ), 其处理费用为0.75欧元·kg- 1N (传统
生物脱氮工艺 为2~ 5欧元· kg- 1N )。Anammox反应器的容积为70m3。
一段式：奥地利的Strass城市污水处理厂，在世界上首次成功运行了
DEMON®污泥消化液自养生物脱氮工艺。在应用DEMON®技术之前，
Strass污水厂采用短程硝化反硝化技术实现污泥消化液的脱氮。采用
DEMON®工艺与短程生物脱氮实现污泥消化液脱氮的能耗分别为1.16
kWh/KgN、2.9kWh/KgN，DEMON®工艺的能耗降低60%。而Strass污水
厂二级生物处理脱氮（硝化与反硝化）的能耗为6.5 kWh/KgN，
DEMON®工艺的能耗降低83%。 DEMON® 反应器的容积为500m3。
污泥消化液自养脱氮的工程典范
荷兰鹿特丹Dokhaven水厂
柱状Anammox反应器（培
养时间3.5年）
奥地利Strass水厂SBR
Anammox反应器（培养时
间3.0年）
3.污泥消化液自养生物脱氮
的中试研究
Courtesy of:
waterland.net/gfx/content/1964.01%20Zh
ew-02ANAMMOX.jpg
污泥处理区
厌氧氨氧化中试基地
污水处理区
厌氧氨氧化
中试基地
厌氧氨氧化中试工艺流程图
厌氧氨氧化反应器
调节池
半亚硝化反应器
沉淀池
调配池
终沉池
鼓风机
进水
出水
P-3
沉淀池
布水器
混合罐
污泥回流
进水泵
`
厌氧氨氧化中试时间表
2011
2008
2010
2008.06 初步设计
2008.10 施工设计
2008.12 中式建设
2009
2010.02 颗粒化试验
2010.04 短程硝化
2010.02 明显厌氧氨氧化现象
2010.04 去除负荷显著提高
2010.12 调整出水回流
2009.06 中试建设竣工
2009.07 接种剩余污泥
2009.08 中试正式运行
接种污泥的来源及性质
酒仙桥污水处理厂
高碑店污水处理厂
25%
45%
15% 15%
清河污水处理厂
小红门污水处理厂
厌氧氨氧化反应启动规律
阶段1 （1-96）
污泥发酵减量&
内源反硝化
阶段2 (97-183)
反硝化反应为主
体，微弱的
Anammox反
应
阶段3 (184-
251)
Anammox明
显，仍存在部分
反硝化反应
阶段5
阶段4 (252-379)
Anammox稳定
运行及颗粒化
Anammox负荷
迅速提高并稳定
3.1 定量PCR的厌氧氨氧化细菌动态变化分析
111d，Anammox细菌数量从1.52E+5上升到
1.55E+9。根据公式(R.L, Stara et al. 2007)
lnC=lnC0+μ•t
μ=0.083 d-1，细菌倍增时间为12d。
Anammox反应器的分子生物学分析
a-7 中试Anammox反应器
Candidatus Kuenenia stuttgartiensis(AF375995)
a-1 中试Anammox反应器
Candidatus Brocadia anammoxidans(AF375994)
Candidatus Brocadia fulgida(DQ459989)
Candidatus Jettenia asiatica(DQ301513)
Candidatus Anammoxoglobus propionicus(DQ317601)
Candidatus Scalindua wagneri(AY254882)
Candidatus Scalindua brodae(AY257181)
Candidatus Scalindua brodae(AY254883)
中试厌氧氨氧化反应器的污泥样品与Candidatus“Kuenenia stuttgartiensis（待定
斯图加特库氏菌），相似度达到99%。
一段式厌氧氨氧化研究
一体化中试研究
 概述
• 连续流固定生物膜反应器
• 悬浮污泥与多种填料
• 反应体积10立方米
一体化中试研究
阶段1
阶段2
阶段3
一体化中试研究
 主要结果
• 填料上可富集厌氧氨氧化菌
• 短程硝化可稳定维持
• AOB和AnOB应相互协调
4. 发展前景
机遇&挑战
3.1 国际上高氨氮废水自养脱氮应用现状
污泥消化液
荷兰
制革废水
荷兰
土豆废水
荷兰
污泥消化液
荷兰
污泥消化液
德国
污泥消化液
北京
味精废水
内蒙古
污泥消化液
奥地利
污泥消化液
青岛
半导体废水
日本
3.2 国际上城市污水自养脱氮研究现状
荷兰 Delft
瑞士KTH
Mark
J.Strela
哈工大
北京
排水集团
北工大
奥地利 Strass
Wett
比利时 Ghent
Willy
上海
同济大学
新加坡 PUB
曹业始
实际应用
高碑店污水处理厂
两段式种泥孵化
小红门污水处理厂
应用前景
污泥消化液
垃圾渗滤液
焦化废水
制药废水
进一步应用到城市污水处理
 小型SBR污水厂
 氧化沟污水厂
北京排水集团
BEIJING DRAINAGE GROUP CO.,LTD
合作单位