厌氧氨氧化反应器：十余年的发展经验
荷兰Paques公司和代尔夫特理工大学（TU Delft）于1998年首次发展了厌氧氨氧化反应器，并在随后的十余年中，在全球针对不同的污水水质，完成了20多个厌氧氨氧化项目。Maxime Remy, Tim Hendrickx和Richard Haarhuis总结了厌氧氨氧化最新的发展和他们多年的运行经验。
全球对利用厌氧消化技术处理污泥、有机固废和工业污水的兴趣正日趋增强，厌氧消化不仅能够处理污水污泥而且能够产生可利用的生物沼气。而经过厌氧消化后的消化液中含有很高浓度的氨氮。针对该部分高浓度的氨氮单独去除的厌氧氨氧化技术，可以节省能耗并且工艺紧凑占地小。在过去的十余年中，荷兰Paques公司针对不同的污水种类，设计并建造了拥有专利技术的厌氧氨氧化反应器。
厌氧氨氧化工艺的适用性
厌氧氨氧化技术尤其适合处理厌氧产甲烷工艺的出水，这种出水通常都含有很高浓度的氨氮，这些氨氮是由含氮有机物在厌氧过程中被降解而产生。这种出水中往往只有相对较低的BOD，因为大部分的有机质已经被转化为生物沼气。如果没有额外碳源投加（甲醇）以及大量曝气，这种高氨氮低有机物的水质很难用传统的脱氮工艺（如图1）实现氨氮的高效去除。
厌氧氨氧化工艺的进水可以是市政污水也可以是工业污水。在市政污水领域，厌氧氨氧化反应器往往以侧流的方式，安装在污泥消化或污泥脱水之后。经过厌氧氨氧化工艺脱氮后的出水再回到主流程，从而降低主流工艺的氨氮负荷。在工业污水领域，厌氧氨氧化通常直接应用在厌氧反应器（如UASB）之后，已经被应用在食品，半导体等众多工业领域的污水处理中。
同传统的脱氮工艺相比，厌氧氨氧化有诸多优势：
曝气将降低60%
污泥产率降低90%
结构紧凑但适应高达2KgN/m3.d 的高氨氮负荷
无需额外碳源。保留的碳源可尽可能的转化为生物沼气；无需额外甲醇投加。
截止2015年1月，已经有25个厌氧氨氧化项目在建设或运行，每日处理的氨氮已经超过75吨。表1中列出了相关项目的信息。
厌氧氨氧化工艺的启动
在图2中的数据是利用厌氧氨氧化工工艺，处理荷兰一处污水在初期两个半月时间里的启动情况。该污水处理厂主要是来自牲畜屠宰场的污水，工艺共分三个系列，每个系列设计处理量为每天2000Kg的NH4-N，如图3所示。上游工艺是高效厌氧反应器（BIOPAQIC）和用于去除BOD和硫化物预曝气池。厌氧消化液和组合工艺处理的出水混合后进入MBR反应器，得到进一步处理。厌氧氨氧化的目的是降低MBR反应器的氨氮负荷。由于项目设计占地空间的限制，厌氧氨氧化的优势得到体现。厌氧氨氧化启动时利用了从荷兰Olburgen运来了颗粒污泥接种。
然而，最早期的厌氧氨氧化反应器启动时间往往需要长达6个月的时间。如今，借助大量现有的厌氧氨氧化厂的颗粒污泥接种，新建反应器的启动时间大大缩短。大约在一个星期的时间里，氨氮的去除能力就可达90%，随后可逐步提到进水的氨氮浓度。在污水厂启动时，一开始只是接种了其中的一个系统，当该系列的颗粒污泥稳定后，再被用于接种其余两个系列。稳定运行后，最终的氨氮去除率高达95%以上。
厌氧氨氧化反应器长期的运行效果
荷兰Olburgen厌氧氨氧化工艺自2006年开始运行，图4展示了该厂运行8年半的情况。Olburgen厂处理的进水是来自市政污水和马铃薯食品工业经UASB预处理的出水的混合液。该厂位于当地市政污水厂内，并由Waterstromen公司运营。在厌氧氨氧化工艺之后，是PaquesPhospaq磷回收工艺，在此氧化镁投加后形成鸟粪石（MgNH4PO4.6H2O）以回收污水中的磷。该厂设计每天处理1200Kg的NH4-N。如图5
即使伴随着每天以及季节性的来水氨氮负荷变化，该厂也均能稳定达到90%的氨氮去除率。在过去的5年中，平均的氨氮去除率达到92%，出水浓度平均约28mg/L。最近一次出水氨氮最高值出现在2012年6月，但这是由于误操作导致反应器中80%的污泥被冲出，而反应器随后在没有外加接种污泥的情况下迅速恢复。目前，经过修正后的设计和运行经验已经成为Paques公司设计厌氧氨氧化工艺的标准。
Olburgen厂是第一个采用一段厌氧氨氧化工艺（亚硝化和厌氧氨氧化在同一反应器中进行）的处理厂。世界上第一个生产规模的厌氧氨氧化处理厂是在荷兰鹿特丹，但采用的是两段分布工艺（亚硝化和厌氧氨氧化在不同反应器中进行）。因此Olburgen厂的工艺比鹿特丹处理工艺又往前迈了一大步。自Olburgen厂2006年运行以来，后续设计的厌氧氨氧化工艺均采用了一段法。
额外的一些经验总结
虽然厌氧氨氧化已经被证明了是可靠的技术，但是Paques公司还是在该工艺启动初期的经验的基础上，总结了该工艺的瓶颈以及潜在的应对方案。厌氧氨氧化菌较低的生物增值率（倍增时间为12天）导致在第一个项目启动时间长达6个月。随着全球厌氧氨氧化工艺在不同污水种类应用项目的逐渐增多，接种污泥的获取越来越容易，因此，后续项目启动的时间往往小于1个月。
由于反应器设计上采用了内部滞留区，颗粒厌氧氨氧化污泥可以被很好的保留住。因此反应器可以在很高的进水悬浮颗粒浓度条件下运行。然而，在悬浮颗粒浓度极高的情况下（大于10 g/L）时，流体的粘度增加，将影响相对较小的颗粒污泥的反应器中的保留，进而影响厌氧氨氧化污泥的增长效率。当进水总的磷浓度很高时，在不可控的情况下形成鸟粪石将会给稳定运行带来麻烦。当氨氮负荷超过2KgN/m3.d时，优化运行可以通过紧凑的设计来实现，最低温度要求为30℃。
通过一些预处理，可以解决上述运行中的一些问题。如采用Phospaq工艺解决磷含量过高的问题；沉淀池可用于解决来水悬浮颗粒过高的问题；预曝气用于解决进水中过高硫化物和挥发性脂肪酸的问题。谨慎运行预处理工艺和厌氧氨氧化工艺，可以有效规避聚合物毒性和亚硝酸累积带来的问题。
本文摘译自国际水协会会员杂志《Water 21》
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