液氨絲光處理是紡織行業(yè)的新型技術(shù)，其處理時需要用到液氨，但使用過程中一部分氨無法通過回收系統(tǒng)完全收集。為防止氨氮造成的空氣污染，廣東某紡織企業(yè)采用硫酸吸收未能完全回收的氨，形成一股主要成分為硫酸銨的紡織液氨絲光高氨氮廢水（TLALW）。該紡織企業(yè)污水廠原采用硝化反硝化工藝處理TLALW，但該工藝曝氣能耗高、碳源投加量大且污泥產(chǎn)量高。相比于硝化-反硝化工藝，亞硝化-厭氧氨氧化工藝的耗氧量可減少62.5%，使能耗大大降低，堿度藥劑耗量也減少了，且無需外加有機碳源、污泥產(chǎn)量低。綜合以上分析，對于TLALW而言，最佳的處理工藝為亞硝化厭氧氨氧化。
1、工程項目概況
該紡織企業(yè)污水廠的硝化-反硝化池的氨氮去除負荷僅為0.300kg/（m³·d），氨氮平均去除率僅為65%。在更高的廢水排放標準和生產(chǎn)擴大導(dǎo)致的水量增長壓力下，該廠不得不尋求更加高效節(jié)能的脫氮技術(shù)來處理這股廢水。
筆者團隊于2019年在該污水廠建立了一套30m³/d的TLALW厭氧氨氧化處理中試系統(tǒng)。經(jīng)過半年調(diào)試，該中試系統(tǒng)在進水氨氮為1000~5000mg/L時，氨氮去除負荷（ARR）最高達到2.220kg/（m³·d），處理出水水質(zhì)穩(wěn)定，氨氮和總氮平均去除率分別為89%和82%。
在該中試項目成功實施，且處理效果達到預(yù)期的基礎(chǔ)上，筆者團隊與該紡織企業(yè)進一步合作，于2021年3月正式啟動厭氧氨氧化工藝處理紡織液氨絲光高氨氮廢水的工程項目。
1.1 設(shè)計水質(zhì)
該工程設(shè)計處理量為400kgNH4+-N/d，池體體積為500m³，設(shè)計氨氮去除負荷為0.800kg/（m³·d），設(shè)計進水pH為8.0~9.5、氨氮為1000~5000mg/L、總氮為1000~5000mg/L，設(shè)計出水pH為6.0~9.0、氨氮為0~300mg/L、總氮為0~500mg/L。
1.2 工藝流程
工藝流程如圖1所示。TLALW經(jīng)電磁流量計計量后送入預(yù)亞硝化池，利用FA抑制亞硝酸鹽氧化菌（NOB）首先實現(xiàn)部分亞硝化，再流入?yún)捬醢毖趸赝瓿珊罄m(xù)的厭氧氨氧化反應(yīng)，最終實現(xiàn)對TLALW的脫氮處理。本厭氧氨氧化工程化系統(tǒng)在厭氧氨氧化池前端設(shè)置預(yù)亞硝化池，預(yù)先高效地將部分氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝態(tài)氮，以滿足后續(xù)厭氧氨氧化的基質(zhì)穩(wěn)定供應(yīng)要求；而且分兩步投加堿度（分別在預(yù)亞硝化池和厭氧氨氧化池投加），以避免厭氧氨氧化池內(nèi)pH過高（厭氧氨氧化污泥最適pH為7.5~8.3）而對厭氧氨氧化污泥產(chǎn)生抑制作用。
1.3 分析項目與方法
NH4+-N：納氏試劑分光光度法；NO2--N：N-（1-萘基）-乙二胺分光光度法；NO3--N：紫外分光光度法；TN：紫外分光光度法；pH：PH-200RS型酸度計。氨氮和總氮去除率、氨氮去除負荷、亞硝態(tài)氮積累率、游離氨（FA）等指標的計算參考文獻中的方法。
2、結(jié)果與分析
2.1 啟動階段
本系統(tǒng)啟動的關(guān)鍵在于厭氧氨氧化池的啟動，其采用的接種方式如下：①將部分中試系統(tǒng)中已富集厭氧氨氧化菌的填料加入池內(nèi)；②將中試系統(tǒng)中攜帶厭氧氨氧化剩余污泥的出水泵入池內(nèi)。接種污泥后通過間歇進水和間歇曝氣的方式進行反應(yīng)池的啟動，具體效果如圖2所示。
在第1~5天，池內(nèi)NH4+-N濃度逐漸降低，而NO2--N濃度逐漸升高，表明系統(tǒng)內(nèi)的氨氧化菌（AOB）開始進行亞硝化反應(yīng)；第6天后，NH4+-N濃度的降低速度加快，而NO2--N濃度的升高速度放緩，表明厭氧氨氧化菌（AnAOB）開始進行厭氧氨氧化反應(yīng)；第10天時系統(tǒng)已經(jīng)能夠以400L/h的流量開始連續(xù)進水，且亞硝化和厭氧氨氧化反應(yīng)均能進行，即認為系統(tǒng)啟動成功。
2.2 負荷提升階段
2.2.1 亞硝化
在本工程中，預(yù)亞硝化池的亞硝化效果見圖3。
厭氧氨氧化的前提條件之一是廢水中含有合適比例的NH4+-N與NO2--N，因此，預(yù)先實現(xiàn)廢水的部分亞硝化尤為重要。實現(xiàn)廢水穩(wěn)定亞硝化的關(guān)鍵在于AOB的富集以及NOB的持續(xù)抑制或淘汰。通常選擇調(diào)控和優(yōu)化以下工作參數(shù)：溫度、水力停留時間（HRT）、污泥齡、溶解氧（DO）、pH、FA等，以實現(xiàn)對NOB的淘洗或抑制。而對于高氨氮廢水，常用的手段為通過FA對NOB的選擇性抑制來實現(xiàn)穩(wěn)定亞硝化。由圖3可知，在負荷提升階段，預(yù)亞硝化池內(nèi)的FA維持在2~30mg/L，平均亞硝態(tài)氮積累率為93%，表明系統(tǒng)在控制合適FA的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了對NOB的選擇性抑制，最終達到了穩(wěn)定亞硝化的目的。
2.2.2 厭氧氨氧化
工程處理系統(tǒng)的氮負荷和脫氮效果如圖4所示。可知，僅運行了46d系統(tǒng)的氨氮去除負荷即從0.027kg/（m³·d）提升至0.942kg/（m³·d），系統(tǒng)出水NH4+-N和TN平均濃度分別為135和276mg/L，氨氮和總氮平均去除率分別達到了96%和91%。
在負荷提升階段，中試系統(tǒng)出水仍泵入系統(tǒng)中以加速微生物的增殖。該階段系統(tǒng)的氨氮去除負荷倍增周期僅為9d，與安娜等報道的厭氧氨氧化菌理論倍增周期（11d）相近。此階段進水NH4+-N濃度在1308~5237mg/L之間大幅度波動，人工調(diào)整氨氮容積負荷具有一定的滯后性，當出現(xiàn)較大的氨氮容積負荷波動時系統(tǒng)脫氮性能會略有下降，恢復(fù)穩(wěn)定后系統(tǒng)的氨氮去除負荷能夠繼續(xù)穩(wěn)定提高。即使氨氮容積負荷波動較大，整個系統(tǒng)的氨氮和總氮平均去除率依然分別保持在91%~99%和85%~95%，并沒有出現(xiàn)程軍等報道的進水氨氮濃度降低導(dǎo)致總氮去除率和去除負荷大幅降低，以及李媛報道的進水氨氮濃度升高導(dǎo)致FA過高而對系統(tǒng)產(chǎn)生抑制的情況，這表明本系統(tǒng)具有較強的抗沖擊能力。
2.3 穩(wěn)定運行階段
在吸取了進水NH4+-N濃度波動較大的調(diào)控經(jīng)驗后，為系統(tǒng)增加了一套基于氨氮容積負荷的進水自控系統(tǒng)和基于pH的堿度自動投加系統(tǒng)，以實現(xiàn)根據(jù)進水NH4+-N濃度自動調(diào)節(jié)進水流量和投加堿度。穩(wěn)定運行階段系統(tǒng)的氨氮容積負荷和pH分別設(shè)置為0.880kgN/（m³·d）和7.50~7.60，取其中30d的運行數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)果如圖5所示。
從圖5（a）可以看出，當進水氨氮濃度為2028~3811mg/L時，系統(tǒng)出水氨氮和總氮濃度分別為86~298、299~434mg/L，氨氮和總氮去除率分別為88%~97%和84%~90%，均達到了設(shè)計出水水質(zhì)要求。由此可見，進水NH4+-N濃度波動并未對系統(tǒng)運行性能產(chǎn)生影響，這體現(xiàn)了預(yù)亞硝化-厭氧氨氧化工程化系統(tǒng)處理TLALW的穩(wěn)定性與可靠性。此外，相比于該污水廠改造前的氨氮容積負荷，本系統(tǒng)在氨氮容積負荷為0.880kgN/（m³·d）的條件下穩(wěn)定運行，這表明預(yù)亞硝化-厭氧氨氧化工藝能夠高效穩(wěn)定處理TLALW。
在自控系統(tǒng)控制下系統(tǒng)的運行效果如圖5（b）所示。在30d的運行時間內(nèi)，自控系統(tǒng)控制下的實際氨氮容積負荷與目標氨氮容積負荷之間的平均誤差小于1%，表明對于TLALW這類氨氮濃度波動較大的廢水，采用自控進水系統(tǒng)有助于維持系統(tǒng)氨氮容積負荷的穩(wěn)定，有效降低了進水氨氮波動對系統(tǒng)的沖擊。系統(tǒng)內(nèi)pH在7.50~7.65之間波動（預(yù)設(shè)值為7.50~7.60），通過自控系統(tǒng)來投加堿度既有利于維持系統(tǒng)的穩(wěn)定，又能降低控制池內(nèi)pH所需的人力成本。
2.4 成本核算
系統(tǒng)的處理費用主要為化學(xué)藥劑費和電費，其中化學(xué)藥劑耗料主要為碳酸氫鈉。取穩(wěn)定運行的某個月份（30d）進行成本核算：碳酸氫鈉的使用量為74.89t，其單價按2500元/t計，則費用為187225元；耗電量為22471.03kW·h，電價按0.665元/（kW·h）計，則費用為14943.2元；以上兩項費用合計202168.2元，系統(tǒng)對TLALW中NH4+-N的實際處理量為12944kg，則系統(tǒng)處理TLALW的費用為15.6元/kgNH4+-N，相比于原硝化-反硝化工藝（成本為40.5元/kgNH4+-N）節(jié)省了61%的成本，不僅為該紡織企業(yè)節(jié)省了大量處理成本，還大大降低了二氧化碳排放量和能源消耗，具有節(jié)能減排的經(jīng)濟效益和良好的社會效益。
3、結(jié)論
①通過采用投加中試系統(tǒng)中已富集厭氧氨氧化菌的填料以及攜帶厭氧氨氧化剩余污泥的出水等措施，可實現(xiàn)預(yù)亞硝化-厭氧氨氧化工程化系統(tǒng)的快速啟動。
②通過FA對NOB的選擇性抑制可以實現(xiàn)對TLALW的穩(wěn)定亞硝化，平均亞硝態(tài)氮積累率可以達到93%。
③亞硝化-厭氧氨氧化工程化系統(tǒng)實現(xiàn)了倍增周期僅為9d的負荷快速增長階段，最高氨氮去除負荷可達到0.942kg/（m³·d）。
④本方法適用于紡織液氨絲光高氨氮廢水的高效低碳脫氮，處理費用僅為15.6元/kgNH4+-N。（來源：華南理工大學(xué)環(huán)境與能源學(xué)院，佛山市化爾銨生物科技有限公司）
