Предисловие: В этой статье обсуждается «Процесс биологического удаления азота Анаммоксом». Этот процесс биологического удаления азота практически используется на очистных сооружениях с 2002 года, но уровень его внедрения чрезвычайно низок; трудно найти в Китае много очистных сооружений, использующих эту технологию. Из его принципов мы видим, что по сравнению с традиционными процессами нитрификации и денитрификации он имеет два существенных преимущества: низкое потребление энергии (нет необходимости в крупномасштабной аэрации) и отсутствие необходимости в источнике углерода (автотрофные микроорганизмы). Использование этого процесса может значительно снизить эксплуатационные затраты на удаление азота.
I. Технические принципы Анаммокса
Определение: Технология Анаммокс считается революционным прорывом в биологической очистке сточных вод в начале 21 века. В нем используется особый тип автотрофных бактерий-анаэробных бактерий, окисляющих аммиак-, для прямого преобразования аммиачного азота (NH₄⁺) и нитрита (NO₂⁻) в газообразный азот (N₂) в анаэробных условиях или условиях-ограничения кислорода, обеспечивая высокоэффективное удаление азота. Этот процесс отменяет традиционный процесс нитрификации-денитрификации, который требует большого количества источников кислорода и органического углерода.
Основной принцип:
Основная химическая реакция: NH₄⁺ + NO₂⁻ → N₂ + 2H₂O. Анаэробные бактерии, окисляющие аммиак, напрямую «соединяют» аммиак и нитрит для образования безвредного газообразного азота, без необходимости полностью окислять аммиачный азот до нитрата, а затем восстанавливать его.
Клеточная фиксация углерода: это бактериальное сообщество использует неорганический углерод (такой как CO₂/HCO₃⁻) в качестве источника углерода, развиваясь за счет хемоавтотрофного роста, что значительно снижает потребление органических источников углерода.
Значительная экономия энергии: теоретически по сравнению с традиционными процессами он может сэкономить примерно 60% энергопотребления при аэрации (нет необходимости в полной нитрификации), 100% источника органического углерода (нет необходимости в денитрификации) и сократить образование избыточного ила до 90%.
II. Условия реализации и основные проблемы
Условия контроля реакции:
Точная подача нитрита. Часть аммиачного азота необходимо точно окислить до нитрита (короткая-нитрификация), чтобы поддерживать стабильную концентрацию NO₂⁻ (обычно<30 mg/L). Excessive levels will inhibit bacterial activity, while insufficient levels will result in inadequate reaction.
Точный контроль растворенного кислорода (РК): внутри реактора необходимо создать локализованную бескислородную/анаэробную микросреду (РК < 0,5 мг/л), чтобы обеспечить жизненное пространство для бактерий Анаммокс и одновременно обеспечить выживание бактерий, окисляющих аммиак-, обеспечивая NO₂⁻.
Требования к температуре: Оптимальная температура 30-40 градусов. Низкие температуры (<15°C) will significantly reduce bacterial activity and increase operational difficulty.
Требования к качеству воды: Чувствительна к токсичным веществам (таким как тяжелые металлы, органические вещества и сульфиды), с низким содержанием взвешенных веществ (ВВ).
Проблемы реализации процесса:
Чрезвычайно медленный запуск-: бактерии Анаммокс имеют длительный период генерации (10-14 дней) и медленное время удвоения (приблизительно 11 дней), обычно для запуска реактора требуется 3–12 месяцев или даже больше.
Трудное удержание ила. Для эффективного удержания медленно-растущих бактерий Anammox необходимы реакторы специальной конструкции (например, системы гранулированного ила или системы биопленки).
Комплексное объединение процессов. Стабильное достижение короткой-нитрификации (с получением NO₂⁻) и эффективное сочетание ее с реакцией Анаммокс (например, одно-или двух-стадийные процессы) является ключевой задачей инженерного контроля.
Слабая устойчивость к ударным нагрузкам: плохая устойчивость к колебаниям качества, количества и температуры поступающей воды, что затрудняет поддержание стабильности работы.
III. Репрезентативные случаи текущего применения этой технологии
**Завод по очистке сточных вод Дохавен, Роттердам, Нидерланды (первое в мире полномасштабное-применение - 2002):** для очистки дигестата осадка используется SHARON® (короткая-нитрификация) + процесс Anammox®. Успешно работая на протяжении многих лет, он представляет собой веху в технологическом инжиниринге.
**Станция очистки сточных вод Штрасс, Австрия:** Одна из наиболее энергообеспеченных-самостоятельных-очистных станций в мире. Технология DEMON® с боковым потоком-(на основе Анаммокса) очищает дигестат, что значительно снижает потребление энергии и помогает заводу достичь более чем 100 % энергетической-самообеспеченности.
**Завод по очистке воды в Чанги, Сингапур:** Широкомасштабное-применение технологии Anammox (процесс DEMON) в очистке бокового-потока для очистки дигестата осадка, что повышает эффективность очистки и устойчивость.
**Завод по очистке сточных вод Гаобэйдянь, Пекин, Китай:** Одна из первых крупных-станций по очистке сточных вод в Китае, внедрившая и успешно эксплуатирующая технологию Anammox с боковым потоком-(процесс DEMON) для очистки дигестата осадка.
На заводе по переработке воды Хуай Фанг в Пекине, Китай, используется процесс Анаммокс на основе MBBR для очистки жидкости после термического гидролиза.
IV. Анализ причин ограниченной популяризации и продвижения?
Несмотря на значительные преимущества, фактическое применение анаэробного окисления аммиака (АНАО) остается низким, особенно при очистке городских сточных вод. Основные причины заключаются в следующем:
1. Высокий технический порог и сложный контроль: он чувствителен к колебаниям качества воды и требует чрезвычайно высокой точности контроля таких параметров, как растворенный кислород, концентрация нитритов и температура, что намного превышает традиционные процессы. Эксплуатация и обслуживание требуют высококвалифицированного технического персонала.
2. Медленный запуск-и большие инвестиции. Длительный период запуска-(несколько месяцев или даже больше года) увеличивает первоначальные затраты и риски проекта; специальные реакторы, необходимые для микробного обогащения и удержания ила (такие как гранулированные иловые площадки и MBBR), требуют высоких первоначальных инвестиционных затрат.
3. Отсутствие проектирования и соответствующего опыта эксплуатации. По сравнению с процессом с активным илом столетней-истории технология ANAO используется в реальных инженерных приложениях только около 20 лет. Спецификации проектирования, руководства по эксплуатации и базы данных опыта устранения неполадок еще далеки от зрелости.
4. Сложность контроля условий окружающей среды по микроорганизмам: Муниципальные сточные воды характеризуются низкими температурами (особенно зимой), низкими концентрациями аммиачного азота, сложным составом воды (ХПК, СС, ингибиторы), большими колебаниями расхода. Эти характеристики значительно отклоняются от оптимальных условий роста бактерий Анаммокс, что затрудняет стабильную работу.
5. Зависимость от традиционных процессов денитрификации и доверие к ним. Традиционные процессы нитрификации-денитрификации отработаны, надежны, просты в эксплуатации, обладают высокой устойчивостью к ударным нагрузкам, имеют обширный опыт проектирования и эксплуатации и подкреплены многочисленными успешными практическими исследованиями, что создает сильную инерцию поддержки. В конце концов, мало кто подумает об отказе от зрелого процесса ради нового, особенно учитывая значительные инвестиционные риски.
