爱华网化肥循环水厌氧氨氧化处理脱除氨氮零排放的研究
《第十六届全国尿素厂年会》论文 2007年
作者：翟智高
摘要:将循环水处理与治理氨氮污染相结合，用含氨废水作补充水，发挥LHE聚合物络合絮状物不易结垢、流动性好、功能多样、不用杀菌等特性，利用冷却塔附着微生物细菌形成亚硝化泥垢，培育出厌氧氨氧化所需要的亚硝化絮状物载体。在相对密闭的循环水积水沉淀池和各种管道中，补充含氨废水中的氨与亚硝化絮状物载体实现厌氧氨氧化反应，达到反复循环脱除氨氮而不须排放含氨废水并使之资源化的目的。是治理化肥氨氮污染和循环经济的创新技术。随着我国化肥工业的快速发展，排放废水所含氨氮等有害物，使地表水体富营养化的加重，对氨氮的处理成了亟待解决的问题。虽然处理废氨水已有高效的蒸汽水解装置，但设备造价高，一台氨水解装置价值高达数百万元，水解处理废氨水耗电耗蒸汽多，处理一吨废氨水综合费用在5元以上，尤其是对那些低浓度含氨废水处理来说就很不经济。
在水资源短缺，水价日益上涨，环境保护越来越严格的情况下，各类含氨氮废水和生活污水净化水，已被视为重要的水资源。含氨氮废水虽然应是重要的水资源，但做为循环水的补充水存在很严重的问题。 传统的化肥含氨氮污水脱氮技术，主要为生物硝化-反硝化工艺，根据传统生物脱氮机理，微生物必须处于好氧和缺氧的交替环境中进行硝化和反硝化反应，才能顺利完成脱氮的过程。由于要消耗大量的溶解氧和有机碳源，导致该工艺的设备投资和运行费用均较高，而要实现“达标排放”很不容易。
首先，目前循环水的主要处理方法是磷系配方技术，不能使用高碱度高pH值的化肥含氨污水，一旦有含氨的水进入，有机磷药剂就失去作用，循环水系统将会快速结垢。用有机磷系药剂处理水，有氨漏入尚会加速结垢，更不要说用含氨废水做为循环水的补充水了。
再者，氨与磷都是营养物质，有机磷处理的循环水再补入含氨污水，会使微生物粘泥繁殖加剧，杀菌剂用量增加，置换水频率加大，不利于节水和环保，运行成本增高。
化肥厂循环水系统使用我国独创的水处理新产品天然龙牌LHE聚合物，利用含氨废水作补充水，实现水闭路循环运行；无废水污染物排放，有效防止了对环境的污染，社会效益和经济效益显著。该新技术为氨氮废水资源化开辟了新途径。
新技术的特点是：循环水不用磷系配方技术，改用LHE聚合物多功能节水型水质稳定剂，利用低浓度含氨废水和尿素解析废液作补充水。LHE聚合物药剂与Ca2+、Mg2+和NH4+相互作用，形成聚合羟基羧酸钙镁铵络合絮状物，在相对密闭的积水沉淀池，络合絮状物转化成泥垢静置沉淀，循环水在运行中始终保持自身净化的稳定状态；LHE聚合物解决了冷却水结垢、腐蚀、含氨废水污染环境和抑制菌藻滋生等问题；
循环水中大量LHE聚合物与钙镁铵络合形成的絮状物，不断反复循环流动，冷却塔密集的填料空间是好氧曝气氧化的良好环境条件，使尿素解析废液中的尿素加快分解，有利于铵络合絮状物与氨的混合物的亚硝化反应。冷却塔下的积水池和澄清沉淀池，水的相对静置厌氧环境，有益于补充的含氨废水中的氨与亚硝化络合絮状物厌氧氨氧化反应。虽然厌氧氨氧化的反应速度比较慢，但一般积水池和澄清沉淀池容积都很大，循环水又是不断的反复循环流动，有利于硝化和反硝化过程，能实现氨氮得到高效脱除。
LHE聚合物处理循环水，被世界经济评价中心评定为“世界华人重大科技成果”，联合国技术信息促进系统TIPS授予“发明创新科技之星奖”。
氨的亚硝化与厌氧氨氧化反应机理：
过去，反硝化被认为是只有厌氧条件下才能完成，难以确认使用硝酸盐和亚硝酸盐作为最终电子受体，不过这种限制只是对专性厌氧反硝化菌起作用。随着生物脱氮生物学方面的研究和发展，没有严格厌氧的活性污泥仍然能有良好的脱氮现象，特别是化肥循环水补充含氨废水，氨被好氧反硝化菌分解，在循环水运行中直接转化成氮气产物：
8NH4++6O2-→4N2+12H2O+8H+
好氧条件下，氧化氮和氧化亚氮产生速率，依赖于亚硝酸盐浓度，反硝化的初始基质可能是亚硝酸盐或硝酸盐。氨氧化为亚硝酸盐产生2个电子，亚硝酸盐氧化为硝酸盐也产生2个电子，完全的亚硝酸盐还原需要3个电子，而完全的硝酸盐还原需要5个电子。所以亚硝酸盐为反硝化的初始基质。好氧反硝化是与硝化相伴发生的。氨氧化菌完成氧化还原反应为：
NH3++O2→NO2↑+3H++2e-
LHE聚合物絮状物具有很强的吸附氨氮的能力，实际成为厌氧氨氧化脱氮的微细胶体活性物，在循环水流动中不易沉淀，作为吸附催化媒介体，促使循环水中厌氧氨氧化生物反应是可行的，能够增加离子交换、电子交换速度，提高氨氮去除率。
亚硝化过程，是由冷却塔填料上和LHE聚合物与钙镁铵络合形成的絮状物上附着的好氧微生物完成的，微生物很快将氨氮转化为亚硝酸盐。这一脱氨氮过程，是在相对密闭的循环水积水沉淀池和各种管道中进行，由于具有厌氧氨氧化良好的反应环境，池内和管道内LHE聚合聚合物与Ca2+、Mg2+相互作用形成聚合羟基羧酸钙镁铵络合物，促进氨氮加快分解。
含氨废水作补充水，氨作为电子供体，循环水中的氨被分解产生的亚硝酸盐是电子受体， LHE聚合物为络合催化媒介，促进脱氮过程，反应产物是氮气：厌氧氨氧化是在密闭的循环水管道与沉淀池缺氧环境条件下，补充的废氨直接作为电子供体，以亚硝酸盐（NO2-）为电子受体，直接把氨氧化成氮气（N2↑）；
NH4++NO2-→N2↑+2H2O
好氧条件也能把氨氮转化为硝酸盐：
NH4++2O2-→NO3-+H2O+2H+
氨氮脱除过程也会发生在硝化阶段，硝酸盐转化成氮气：
3NO3-+5NH4+→4N2↑+9H2O+2H+
经过在化肥行业长达十多年的实践运行结果表明，由于LHE聚合物的多功能特性，又不用任何杀菌剂，充分发挥现有循环水系统的作用。
这种将循环水处理与治理氨氮污染相结合，用含氨废水作补充水，发挥LHE聚合物络合絮状物不易结垢、流动性好、功能多样、不用杀菌等特性，达到反复循环脱除氨氮而不须排放含氨废水并使之资源化的目的，是治理化肥氨氮污染和循环经济的创新技术。
综合考虑现有化肥厂循环水系统条件，循环水流速应提高到不小于0.9M/S，有利于高浓度悬浮絮状物的流动，也不易在换热管内沉积。还需要加高密闭的循环水积水沉淀池、旁流滤池、斜管沉淀池等出水口的高度，使静置水容量尽量增多，提高厌氧氨氧化反应的去除效率，以有效保证闭路运行时产生泥垢的及时沉淀分离出去。
厌氧氨氧化生物反应，还应注意冷却塔填料上生物膜的培育，不能使用任何种类的杀菌剂。初始阶段，水中的氨氮浓度要由低到高逐步添加，随着反应的逐渐进行，水中的氨氮浓度消除率逐渐稳定平衡，亚硝态氮浓度逐渐稳定，这有利于硝态氮的反硝化作用和厌氧氨氧化生物反应的进行，也有益于厌氧氨氧化微生物生物膜成熟的发育。LHE聚合物有抑制微生物过量繁殖的作用，不需要使用任何杀菌灭藻剂，不会有大量微生物粘泥产生。
只补充损失的水，高倍浓缩下去，会使循环水中可溶性盐积累。可溶性盐类过高会抑制厌氧氨氧化微生物的活性，使同步硝化反硝化效率降低。应定期抽取可溶性盐过高的循环水，经净化、脱盐处理，再重新回用，实现循环利用水资源，不向环境排污的“零排放”。
化肥循环水保持有恒定的水温和流速，无须特别的操作控制，就具有有效的净化氨氮的能力。冷却塔完全满足了氨氮氧化过程中需要大量的氧气，节省了曝气费用开支。更大的优点是既节省了传统生物反硝化的复杂设施。
我国已有很多氮肥企业采用了这种LHE聚合物技术，例如四川眉山金象、重庆万利来、重庆三灵、湖北双强、山东潍坊海化盛兴、山东诸城良丰、贵州遵义鸿鹄等众多化工公司，利用LHE聚合物使废氨水回用作循环水的补充水，解决了传统生物脱氮技术处理化肥氨氮废水投资大、成本高的难题，在达到循环水正常防止结垢和腐蚀运行中，又实现真正意义上的同步去除氨氮，有效地解决了化肥含氨氮废水污染问题。达到了低能耗、低成本、污水资源化、节约用水，保护环境、循环利用等综合效果。
