好氧顆粒污泥NEREDA工藝的應(yīng)用進(jìn)展
http://www.water.hc360.com2016年02月20日10:01 來(lái)源：IWA國(guó)際水協(xié)會(huì)T|T
慧聰水工業(yè)網(wǎng) 針對(duì)傳統(tǒng)活性污泥法中污泥膨脹導(dǎo)致沉降性能下降這一難題，荷蘭TUDelft大學(xué)的MarkvanLoosdrecht教授從20世紀(jì)90年代起開(kāi)始研究好氧顆粒污泥技術(shù)。目前，已經(jīng)有諸多的應(yīng)用案例證明好氧顆粒污泥技術(shù)在很多方面優(yōu)于傳統(tǒng)活性污泥工藝。好氧顆粒污泥優(yōu)異的沉降性能有益于保持更多的微生物量、更高的微生物濃度、更合理的微生物群落結(jié)構(gòu)、更強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷能力、更小的占地面積。荷蘭公司DHV(RoyalHaskoningDHV)正在以Nereda作為技術(shù)品牌，對(duì)好氧顆粒污泥技術(shù)進(jìn)行商業(yè)化推廣。
Nereda技術(shù)的第一個(gè)應(yīng)用是在荷蘭的一家奶酪廠，將牛奶儲(chǔ)罐改造為污水池，日處理規(guī)模250立方米。在2008年，世界上第一個(gè)應(yīng)用Nereda®工藝的市政污水廠是在南非的Gansbaai。隨著該技術(shù)的日漸成熟，目前DHV公司在全球擁有20多個(gè)在市政污水中應(yīng)用Nereda工藝的合同。DHV公司已經(jīng)正在巴西獲得了多個(gè)合同，其中包括在Limeira設(shè)計(jì)規(guī)模為517,000PE(57,024m3/day)和在里約熱內(nèi)盧設(shè)計(jì)規(guī)模為480,000PE(86,400m3/day)的兩座污水廠。
1、南非Gansbaai污水處理廠
設(shè)計(jì)規(guī)模為5000立方米/天，出水經(jīng)過(guò)消毒后，作為灌溉用水回用。出水水質(zhì)見(jiàn)下表。
南非Gansbaai污水處理廠出水水質(zhì)
2、荷蘭Epe污水處理廠
設(shè)計(jì)規(guī)模為1500立方米/小時(shí)，在2011年投產(chǎn)。設(shè)計(jì)運(yùn)行溫度范圍為8-25°C。該廠滿足荷蘭關(guān)于出水水質(zhì)、污泥處理、化學(xué)藥劑使用以及能耗等方面的所有標(biāo)準(zhǔn)。包括砂濾和污泥處理系統(tǒng)在內(nèi)，該廠已經(jīng)成為荷蘭全國(guó)能耗最低的市政污水廠，并完全滿足荷蘭總氮小于5mg/L,總磷小于0.3mg/L的出水濃度限值。該廠證明Nereda工藝能降低25%的投資和運(yùn)行費(fèi)用，有更強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷。在pH達(dá)到10的條件下（短期工業(yè)污水混入），也能穩(wěn)定運(yùn)行。該廠的水質(zhì)見(jiàn)下表。
荷蘭Epe污水處理廠水質(zhì)
下面圖表中的數(shù)據(jù)表明，即使在平均水溫為10°C的冬季，Nereda好氧顆粒污泥系統(tǒng)也能正常平穩(wěn)地啟動(dòng)。
NEREDA好氧顆粒污泥工藝在平均水溫為10°C的冬季也能正常平穩(wěn)地啟動(dòng)
下面圖表顯示了冬季期間啟動(dòng)Nereda系統(tǒng)時(shí)出水中氮和磷的變化。經(jīng)過(guò)近4個(gè)月的啟動(dòng)達(dá)到平穩(wěn)后，出水中的氨氮和總磷均小于0.5mg/L。
冬季期間啟動(dòng)Nereda系統(tǒng)時(shí)出水中氮和磷的變化
污水廠的運(yùn)行數(shù)據(jù)表明Nereda工藝能顯著降低能耗。Epe污水廠基于傳統(tǒng)活性污泥法的原工藝能耗可達(dá)每天3500kWh,而使用Nereda工藝后，每日的能耗已經(jīng)降低到2000-2500kWh。
3、葡萄牙Frielas污水廠
設(shè)計(jì)處理規(guī)模為70000立方米/天。自1997年運(yùn)行以來(lái)，一直為大里斯本地區(qū)的25萬(wàn)人口提供服務(wù)。為了提高運(yùn)行能力，在后期的改造升級(jí)中，將6個(gè)平行的活性污泥系統(tǒng)中的一個(gè)改造為好氧顆粒污泥Nereda工藝，池容1000立方。
葡萄牙Frielas污水廠
慧聰水工業(yè)網(wǎng) 針對(duì)傳統(tǒng)活性污泥法中污泥膨脹導(dǎo)致沉降性能下降這一難題，荷蘭TUDelft大學(xué)的MarkvanLoosdrecht教授從20世紀(jì)90年代起開(kāi)始研究好氧顆粒污泥技術(shù)。目前，已經(jīng)有諸多的應(yīng)用案例證明好氧顆粒污泥技術(shù)在很多方面優(yōu)于傳統(tǒng)活性污泥工藝。好氧顆粒污泥優(yōu)異的沉降性能有益于保持更多的微生物量、更高的微生物濃度、更合理的微生物群落結(jié)構(gòu)、更強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷能力、更小的占地面積。荷蘭公司DHV(RoyalHaskoningDHV)正在以Nereda作為技術(shù)品牌，對(duì)好氧顆粒污泥技術(shù)進(jìn)行商業(yè)化推廣。
Nereda技術(shù)的第一個(gè)應(yīng)用是在荷蘭的一家奶酪廠，將牛奶儲(chǔ)罐改造為污水池，日處理規(guī)模250立方米。在2008年，世界上第一個(gè)應(yīng)用Nereda®工藝的市政污水廠是在南非的Gansbaai。隨著該技術(shù)的日漸成熟，目前DHV公司在全球擁有20多個(gè)在市政污水中應(yīng)用Nereda工藝的合同。DHV公司已經(jīng)正在巴西獲得了多個(gè)合同，其中包括在Limeira設(shè)計(jì)規(guī)模為517,000PE(57,024m3/day)和在里約熱內(nèi)盧設(shè)計(jì)規(guī)模為480,000PE(86,400m3/day)的兩座污水廠。
1、南非Gansbaai污水處理廠
設(shè)計(jì)規(guī)模為5000立方米/天，出水經(jīng)過(guò)消毒后，作為灌溉用水回用。出水水質(zhì)見(jiàn)下表。
南非Gansbaai污水處理廠出水水質(zhì)
2、荷蘭Epe污水處理廠
設(shè)計(jì)規(guī)模為1500立方米/小時(shí)，在2011年投產(chǎn)。設(shè)計(jì)運(yùn)行溫度范圍為8-25°C。該廠滿足荷蘭關(guān)于出水水質(zhì)、污泥處理、化學(xué)藥劑使用以及能耗等方面的所有標(biāo)準(zhǔn)。包括砂濾和污泥處理系統(tǒng)在內(nèi)，該廠已經(jīng)成為荷蘭全國(guó)能耗最低的市政污水廠，并完全滿足荷蘭總氮小于5mg/L,總磷小于0.3mg/L的出水濃度限值。該廠證明Nereda工藝能降低25%的投資和運(yùn)行費(fèi)用，有更強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷。在pH達(dá)到10的條件下（短期工業(yè)污水混入），也能穩(wěn)定運(yùn)行。該廠的水質(zhì)見(jiàn)下表。
荷蘭Epe污水處理廠水質(zhì)
下面圖表中的數(shù)據(jù)表明，即使在平均水溫為10°C的冬季，Nereda好氧顆粒污泥系統(tǒng)也能正常平穩(wěn)地啟動(dòng)。
NEREDA好氧顆粒污泥工藝在平均水溫為10°C的冬季也能正常平穩(wěn)地啟動(dòng)
下面圖表顯示了冬季期間啟動(dòng)Nereda系統(tǒng)時(shí)出水中氮和磷的變化。經(jīng)過(guò)近4個(gè)月的啟動(dòng)達(dá)到平穩(wěn)后，出水中的氨氮和總磷均小于0.5mg/L。
冬季期間啟動(dòng)Nereda系統(tǒng)時(shí)出水中氮和磷的變化
污水廠的運(yùn)行數(shù)據(jù)表明Nereda工藝能顯著降低能耗。Epe污水廠基于傳統(tǒng)活性污泥法的原工藝能耗可達(dá)每天3500kWh,而使用Nereda工藝后，每日的能耗已經(jīng)降低到2000-2500kWh。
3、葡萄牙Frielas污水廠
設(shè)計(jì)處理規(guī)模為70000立方米/天。自1997年運(yùn)行以來(lái)，一直為大里斯本地區(qū)的25萬(wàn)人口提供服務(wù)。為了提高運(yùn)行能力，在后期的改造升級(jí)中，將6個(gè)平行的活性污泥系統(tǒng)中的一個(gè)改造為好氧顆粒污泥Nereda工藝，池容1000立方。
葡萄牙Frielas污水廠
由于系統(tǒng)在冬季開(kāi)始啟動(dòng)，并且來(lái)水中有機(jī)物相對(duì)較低（COD小于300mg/L），啟動(dòng)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，達(dá)到穩(wěn)定較慢。在成功啟動(dòng)并穩(wěn)定運(yùn)行后，Nereda工藝的SVI30約40mL/g，SVI5小于60mL/g。顆粒污泥占比80%以上，污泥濃度可達(dá)6-8g/L。相比原傳統(tǒng)活動(dòng)污泥系統(tǒng)，改造后的Nereda系統(tǒng)能顯著減低能耗。圖表四（Figure4）中對(duì)比了在相同曝氣系統(tǒng)設(shè)備的工況下，Nereda和傳統(tǒng)活性污泥法（AS）平行兩套工藝對(duì)鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量的需求。長(zhǎng)期的運(yùn)行結(jié)果表明，Nereda工藝能耗約為0.35kWh/kgCOD,比傳統(tǒng)工藝降低約30%。
在相同曝氣系統(tǒng)設(shè)備下，Nereda和傳統(tǒng)活性污泥法（AS）平行兩套工藝對(duì)鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量的需求
4、荷蘭Garmerwolde污水廠
Garmerwolde污水廠服務(wù)周邊37.5萬(wàn)人口。自2005年，由于出廠水中營(yíng)養(yǎng)鹽濃度無(wú)法達(dá)到當(dāng)?shù)氐呐欧艠?biāo)準(zhǔn)，污水廠不得不進(jìn)行擴(kuò)建升級(jí)。Garmerwolde污水廠額外新增了處理能力為9500立方（15萬(wàn)人口當(dāng)量）的Nereda系統(tǒng)，使該廠日處理能力提高到30,000立方米，高峰時(shí)流量為4200立方米/小時(shí)。擴(kuò)建工程自2013年開(kāi)始運(yùn)行投產(chǎn)。出水水質(zhì)完全滿足排放標(biāo)準(zhǔn)要求（TN小于7mg/L；TP小于1mg/L）。該污水廠Nereda系統(tǒng)比傳統(tǒng)活性污泥系統(tǒng)的能耗降低了50-60%。
荷蘭Garmerwolde污水廠
為何快速擴(kuò)張的Nereda好氧顆粒污泥工藝獨(dú)自繞開(kāi)中國(guó)本土
前幾天文章，介紹了Nereda好氧顆粒污泥技術(shù)在巴西Rio de Janeiro - Deodoro WWTP的應(yīng)用。實(shí)際上，對(duì)于Nereda而言，世界范圍內(nèi)已經(jīng)有大概30座不同規(guī)模的好氧顆粒污泥廠在運(yùn)行或建設(shè)中。
大家目前無(wú)法想象也尚無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，未來(lái)幾年，這幅標(biāo)志性的Nereda少女頭像會(huì)繼續(xù)飛舞在多少個(gè)國(guó)家。
可是，非常遺憾的是，早些年風(fēng)風(fēng)火火將卡魯塞爾氧化溝做遍全中國(guó)的擁有Nereda®技術(shù)的荷蘭DHV公司，面對(duì)中國(guó)這樣龐大的水務(wù)市場(chǎng)，為何不選擇中國(guó)?據(jù)接觸DHV的國(guó)內(nèi)行業(yè)專家透露，DHV堅(jiān)決不會(huì)將Nereda技術(shù)推廣到中國(guó)大陸。
這里面有怎樣的故事和思考?令人費(fèi)解?是因?yàn)閷＠趬具�是因?yàn)镈HV擔(dān)心此技術(shù)一旦進(jìn)入中國(guó)會(huì)很快被復(fù)制?
也有很多業(yè)內(nèi)人士扼腕嘆息，唐唐偌大的中國(guó)污水處理市場(chǎng)，我們?yōu)楹尾荒茏约洪_(kāi)發(fā)? !但是，我們中國(guó)，至少今天為止，很遺憾，我們的科技工作者尚沒(méi)有真正的成功建設(shè)一座國(guó)際公認(rèn)的、穩(wěn)定運(yùn)行的采用好氧顆粒污泥技術(shù)的污水廠。
實(shí)踐證明，在好氧顆粒污泥污泥技術(shù)的應(yīng)用上，無(wú)可否認(rèn)的現(xiàn)實(shí)，我們已經(jīng)被國(guó)際先進(jìn)水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)甩過(guò)不知道幾條街了。然而，中國(guó)污水處理并沒(méi)有停止自己的步伐，我們?cè)诹硪粭l技術(shù)路線上飛奔，就是我們?cè)阱浂簧嶙冯S主流厭氧氨氧化技術(shù)(Mainstream Deammonification;Mainstream partial nitritation and anammox )，這似乎成為了我們國(guó)內(nèi)頂尖級(jí)技術(shù)團(tuán)隊(duì)的夢(mèng)想。
荷蘭Delft大學(xué)的Mark Van Loosdrecht，世界公認(rèn)的污水處理頂級(jí)權(quán)威，Sharon、Anammox、好氧顆粒污泥技術(shù)、上述可持續(xù)污水處理技術(shù)的開(kāi)發(fā)及工程化幾乎成為了Mark的象征及代名詞，更被認(rèn)為是這個(gè)領(lǐng)域最具想象力和天才的科學(xué)家。
Mark于2014年在《科學(xué)》雜志撰文，“Anticipating the next century of wastewater treatment”。
該文章高屋建瓴，展示了未來(lái)污水處理的發(fā)展方向，就是改善污水處理過(guò)程的能耗并進(jìn)行資源回收。論文對(duì)好氧顆粒污泥(aerobic granular sludge)應(yīng)用前后進(jìn)行了相對(duì)較多的文字描述;而對(duì)于他的永遠(yuǎn)一件紅色外套的象征符號(hào)Anammox技術(shù)，僅僅只是一句話提到了厭氧氨氧化 “With the recent advance of Anammox technology,a net energy-producing treatment plant, including effective nutrient removal, is becoming feasible.” 全文對(duì)主流厭氧氨氧化只字未提。這是否意味著，Mark對(duì)低水溫低氨氮濃度市政生活污水的主流厭氧氨氧化心中并沒(méi)有底兒，至少在此文發(fā)表之前，他還不敢斷論，以后主流厭氧氨氧化能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的工程化應(yīng)用、并能成為未來(lái)的污水處理的主流工藝?!
但是，Mark不知道自己是否意識(shí)到，他實(shí)際上不知不覺(jué)中，同時(shí)開(kāi)啟并創(chuàng)造了面向下一個(gè)百年的污水處理工藝的兩條技術(shù)路線，一條是好氧顆粒污泥，另一條是主流厭氧氨氧化。然而，不知道他是否意識(shí)到，他自己已經(jīng)是“打左轉(zhuǎn)向卻右拐彎”了，而相當(dāng)一部分Mark謎們已經(jīng)被他的紅色外衣迷惑了雙眼，全然沒(méi)有意識(shí)到Mark已經(jīng)調(diào)整了航向，Mark謎們卻還在主流厭氧氨氧化的技術(shù)路線上奮勇向前!
為何Anammox在側(cè)流取得成功，在主流尤其是低溫、低氨氮濃度下的生活污水處理領(lǐng)域?yàn)楹芜@樣艱難呢?而科技工作者們卻為實(shí)現(xiàn)這個(gè)主流上的應(yīng)用此樂(lè)此不疲呢?
或許就是因?yàn)�，Mainstream Deammonification是人類目前技術(shù)視野內(nèi)的污水處理領(lǐng)域皇冠上之明珠!璀璨奪目，然而卻又看上去那么遙不可及，才那樣有魅力!但是，我們不能以藝術(shù)家的思維來(lái)解決工程技術(shù)問(wèn)題。
看看荷蘭Delft大學(xué)在2016年發(fā)布的最新的技術(shù)報(bào)告《Developing Anammox for mainstream municipal wastewater treatment》里提及“【The main challenge for applying anammox in the main-stream of a wastewater treatment plant (WWTP) is to achieve a high rate process with good biomass retention and low effluent nitrogen concentration at low water temperatures. A very large decrease in specific anammox activity has been reported after lowering the temperature of reactors operated at warm temperatures (>25 °C)】現(xiàn)有的研究結(jié)果驗(yàn)證，Anammox適合于相對(duì)較高的水溫環(huán)境，最好要不低于25攝氏度，低于此水溫后，其活性會(huì)驟降�？纯雌涔嫉难芯繑�(shù)據(jù)：
可以看到水溫對(duì)Anammox生物活性的顯著影響。文章給出的結(jié)論【Overall these observations suggest that the conventional method to consider the effect of dynamic variations of the operative temperature on anammox activity cannot be reliably used when exploring the low temperature range (<15°C).】看來(lái)，這個(gè)15度水溫是一個(gè)不能再低的極限。顯然，這個(gè)水溫對(duì)應(yīng)中國(guó)大多數(shù)地區(qū)，在冬季是無(wú)法滿足的，甚至即使在江淮流域，冬季水溫有時(shí)候甚至不可思議的在10度附近。按目前的技術(shù)水平，上述地域根本不具備實(shí)施主流厭氧氨氧化的現(xiàn)實(shí)條件，當(dāng)然技術(shù)在快速發(fā)展，筆者不排除不久的將來(lái)，科學(xué)家們可以找出克服低水溫對(duì)Anammox的影響，但是，至少5年之內(nèi)，在中國(guó)尚看不到工程應(yīng)用的希望，太多太多的Anammox主流實(shí)施涉及到的科學(xué)問(wèn)題、工程技術(shù)問(wèn)題還都是未知數(shù)。
很有意思的現(xiàn)象。我們看到通往未來(lái)可持續(xù)污水處理的發(fā)展之路，Mainstream Deammonification和Aerobic granular sludge，這兩條路始于一個(gè)出發(fā)點(diǎn)，但是卻似乎平行延伸至無(wú)限遠(yuǎn)，實(shí)際技術(shù)發(fā)展中，我們已經(jīng)看到，這兩條路在很遠(yuǎn)很遠(yuǎn)的地方出現(xiàn)交叉和匯集，這2種技術(shù)的交融，不知道未來(lái)會(huì)為我們帶來(lái)什么樣的福音?
回到文章的開(kāi)頭，有誰(shuí)知道，這兩條路，是Mark在設(shè)計(jì)的迷宮，還是康莊大道?但是不管怎樣，他引領(lǐng)的好氧顆粒污泥已經(jīng)在世界范圍內(nèi)開(kāi)始遍地開(kāi)花之際，但是唯獨(dú)避開(kāi)中國(guó)。
全球污水處理研發(fā)焦點(diǎn)之一：主流厭氧氨氧化工藝
時(shí)間：2015-11-06
來(lái)源：給水排水
摘要:側(cè)流厭氧氨氧化技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，在世界各地的污水處理廠得到了應(yīng)用。介紹了厭氧氨氧化的基本原理、技術(shù)優(yōu)勢(shì)，分析了主流厭氧氨氧化面臨的挑戰(zhàn)，著重探討了主流厭氧氨氧化當(dāng)前的技術(shù)進(jìn)展，特別是NOB抑制的方法和對(duì)策。同時(shí)對(duì)奧地利Strass 污水處理廠的主流厭氧氨氧化探索進(jìn)行了介紹，并對(duì)未來(lái)的發(fā)展提出了展望。
引言
污水處理生物脫氮工藝從20世紀(jì)60年代的硝化反硝化工藝為起點(diǎn)經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，逐步衍生出了多種形式的生物脫氮工藝，這些傳統(tǒng)工藝在穩(wěn)定可靠解決富營(yíng)養(yǎng)化的同時(shí)，消耗了大量的能源和資源(碳源)。在強(qiáng)調(diào)污水處理資源化、能源化的今天，以厭氧氨氧化為核心的脫氮技術(shù)被業(yè)界普遍視為未來(lái)污水處理發(fā)展的一種重要技術(shù)，由此圍繞著城市污水處理主流工藝的厭氧氨氧化技術(shù)正成為當(dāng)前全球污水處理研發(fā)的焦點(diǎn)之一。
1.厭氧氨氧化原理
厭氧氨氧化(Anammox)是指在厭氧或者缺氧條件下，厭氧氨氧化菌以NO2--N為電子受體，氧化NH3-N為氮?dú)獾纳镞^(guò)程。
很多污水處理工藝的進(jìn)步是在實(shí)踐中觀察到某些現(xiàn)象進(jìn)而引發(fā)后續(xù)工藝的研發(fā)，如生物除磷工藝。但也有一些技術(shù)是在已有理論的基礎(chǔ)上而獲得突破，厭氧氨氧化工藝在某種程度上正是如此。1977年，奧地利化學(xué)家Broda發(fā)表了一篇題為“自然界中遺失的兩種自養(yǎng)微生物”的文章，文章通過(guò)化學(xué)熱力學(xué)推測(cè)自然界可能存在一種微生物能夠發(fā)生式(1)中的反應(yīng)：
NH3-N+NO2--N→N2+H2O(1)
之后，Mulder在處理食品廢水和Siegrist對(duì)垃圾滲濾液的處理廠進(jìn)行的氮平衡都證實(shí)了這種推測(cè)。目前被普遍接受的厭氧氨氧化脫氮的化學(xué)反應(yīng)方程式是1998年Strous提出的式(2)：
實(shí)現(xiàn)厭氧氨氧化脫氮需要完成兩個(gè)過(guò)程，第一個(gè)過(guò)程是部分亞硝化，在這個(gè)過(guò)程中只有大約55%的氨氮需要轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽氮;第二個(gè)過(guò)程是厭氧氨氧化反應(yīng)過(guò)程，氨氮在厭氧條件下，被厭氧氨氧化菌氧化，其中第一過(guò)程中產(chǎn)生的亞硝酸鹽氮作為電子受體。整個(gè)過(guò)程中，大約89%的無(wú)機(jī)氮都將被轉(zhuǎn)化產(chǎn)生氮?dú)�，另�?1%的無(wú)機(jī)氮被轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮，與傳統(tǒng)硝化反硝化工藝相比，厭氧氨氧化工藝有著巨大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，其曝氣能耗只有傳統(tǒng)工藝的55%～60%;該工藝幾乎無(wú)需碳源，即使為了去除硝酸鹽產(chǎn)物需要在厭氧氨氧化過(guò)程中投加碳源，其投加量也比傳統(tǒng)工藝中碳源投加量低90%;厭氧氨氧化工藝可以減少45%堿度消耗量。同時(shí)，厭氧氨氧化工藝的污泥產(chǎn)量也遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)脫氮工藝，這將顯著降低剩余污泥的處理和處置成本。
2002年，世界上第一座厭氧氨氧化工程在荷蘭鹿特丹Dokhaven污水處理廠建成。經(jīng)過(guò)十余年的發(fā)展，截止到2014年全世界已有114座厭氧氨氧化工程(包括10座在建的工程和8座正在設(shè)計(jì)的工程)，其中75%應(yīng)用于城市污水處理廠。圍繞著該工藝的基本原理，各種專利性的厭氧氨氧化工藝得到了蓬勃發(fā)展，如DEMON、ANITA Mox、ANAMMOX、DeAmmon、TERRANA、ELAN、Cleargreen等。
2.主流厭氧氨氧化的挑戰(zhàn)
在側(cè)流厭氧氨氧化技術(shù)不斷成熟的同時(shí)，很多研究者逐漸轉(zhuǎn)向了主流工藝的應(yīng)用，因?yàn)閺哪壳暗恼J(rèn)知來(lái)看，厭氧氨氧化菌大量存在于自然界，因此并沒(méi)有限制它在普通污水處理廠的主流工藝中用來(lái)脫氮。但與側(cè)流應(yīng)用不同，主流厭氧氨氧化實(shí)現(xiàn)的前提條件明顯不同，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。
(1)較低的進(jìn)水氮濃度。
城市污水處理廠的進(jìn)水總氮通常在20~75 mg/L，而其側(cè)流的濃度一般在800~3 000 mg/L。由于進(jìn)水氮濃度較低會(huì)面臨以下的巨大挑戰(zhàn)：①側(cè)流中抑制NOB(亞硝酸鹽氧化菌)的游離氨條件不再存在;②在較低的出水氨氮濃度時(shí)(<2 mg/L)，由于生長(zhǎng)速率的差異，AOB(氨氧化菌)將難以競(jìng)爭(zhēng)過(guò)NOB。因此，在厭氧氨氧化系統(tǒng)中，如果沒(méi)有后續(xù)的進(jìn)一步處理，出水氨氮難以獲得很低的濃度。
(2)較低的進(jìn)水溫度。
很多污水處理廠主流工藝的水溫在冬天時(shí)為10～16℃，夏季時(shí)溫度升至24～30 ℃，而側(cè)流工藝中溫度相對(duì)較高，一般都在32～38 ℃。溫度對(duì)主流厭氧氨氧化的挑戰(zhàn)不僅是厭氧氨氧化菌在低溫情況下增長(zhǎng)速率較慢，AOB的增長(zhǎng)速率也較低。
3.主流厭氧氨氧化工藝應(yīng)用的進(jìn)展
主流工藝的上述特點(diǎn)引起了一系列具體的技術(shù)問(wèn)題，這些具體技術(shù)問(wèn)題包括如何有效地控制AOB與厭氧氨氧化菌的生長(zhǎng)與截留、OHO(普通異養(yǎng)菌)的控制、NOB的抑制、出水氨氮、泥齡等。下文將圍繞這些進(jìn)行展開(kāi)論述。
3.1.AOB與Anammox菌的生長(zhǎng)與截留
AOB的生長(zhǎng)與截留主要有兩種方法，一種是利用側(cè)流高氨氮、高溫利于AOB生長(zhǎng)的條件，從側(cè)流向主流工藝中補(bǔ)充微生物。另外一種方法是通過(guò)生物膜的方式或通過(guò)顆粒污泥的形式，這種方式主要是依靠Anammox菌附著于填料的最內(nèi)層，AOB附著在填料的外層。
Anammox菌的生長(zhǎng)速率在低溫情況下非常慢，其世代時(shí)間需要1～2周，而硝化菌需要1 d。強(qiáng)化Anammox菌在主流工藝中的數(shù)量一種方法便是通過(guò)側(cè)流的生物強(qiáng)化補(bǔ)充。一個(gè)創(chuàng)新的技術(shù)是采用水力旋流器分離Anammox菌與AOB，這種技術(shù)的基本原理是利用Anammox菌密度較其他絮體微生物高的特點(diǎn)而開(kāi)發(fā)的。圖1是DEMON工藝通過(guò)水力旋流器截留AOB與Anammox菌的示意圖，側(cè)流中的Anammox菌經(jīng)過(guò)旋流器后補(bǔ)充主流工藝，富含AOB的溢流也排入主流，主流工藝中的污泥在經(jīng)過(guò)旋流器后Anammox菌回到主流，溢流中的絮體微生物進(jìn)入污泥處理單元。
采用DEMON®工藝的污水處理廠均采用旋流器分離Anammox菌，該技術(shù)已經(jīng)在奧地利Strass污水處理廠、瑞士Glanerland污水處理廠、美國(guó)Alexandria的污水處理廠等得到了應(yīng)用(見(jiàn)圖2)。
奧地利Strass污水處理廠的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明側(cè)流向主流補(bǔ)充Anammox菌和AOB后，并沒(méi)有降低這些微生物在側(cè)流工藝中的活性，主流工藝中Anammox菌的豐度以及顆粒的尺寸都明顯提高。進(jìn)一步的跡象還表明通過(guò)旋流器的循環(huán)運(yùn)行有助于防止微生物附著于Anammox菌的表面，有助于減少基質(zhì)擴(kuò)散阻力，維持微生物較高的活性。另外，從側(cè)流補(bǔ)充主流還可以克服Anammox菌對(duì)亞硝酸鹽氮親和力比NOB低的問(wèn)題，使Anammox菌相對(duì)容易獲得亞硝酸鹽氮。
3.2.NOB的抑制
在傳統(tǒng)污水處理硝化系統(tǒng)中的NOB通常是Nitrobacter和Nitrospira，在應(yīng)用現(xiàn)代生物分析工具之前，Nitrobacter通常被認(rèn)為是優(yōu)勢(shì)菌種，因此很多設(shè)計(jì)和優(yōu)化污水處理廠的關(guān)鍵參數(shù)是基于對(duì)純培養(yǎng)基的Nitrobacter而獲得數(shù)據(jù)，而人們對(duì)Nitrospira的特性知之甚少。
通過(guò)對(duì)Nitrospira純培養(yǎng)基的研究，Blackburn報(bào)道了兩種微生物的不同之處，Nitrospira在低濃度時(shí)對(duì)亞硝酸鹽氮有更高的親和力，它的亞硝酸鹽氮半飽和系數(shù)更低，游離氨對(duì)其的抑制濃度更低(0.04～0.08 mg/L)。其他的一些研究也顯示Nitrobacter對(duì)基質(zhì)的親和力低、在基質(zhì)濃度高的環(huán)境中易于存在;而Nitrospira對(duì)基質(zhì)的親和力高、在基質(zhì)濃度低的環(huán)境中易于存在。這些研究結(jié)果顯示，在低氨氮、低亞硝酸鹽氮濃度的情況下，Nitrospira更易于控制亞硝酸鹽氮的氧化。在主流工藝中，由于Nitrospira較低的半飽和系數(shù)，低濃度的環(huán)境為其提供了生長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)，而又能避免游離氨和游離亞硝酸的抑制。美國(guó)DC Water(哥倫比亞特區(qū)供水與污水管理局)、美國(guó)HRSD(漢普頓路衛(wèi)生管理局)及Strass污水處理廠的數(shù)據(jù)都傾向于支持這種理論。HRSD的中試結(jié)果還顯示Nitrospira可能是NOB的優(yōu)勢(shì)菌種，這樣在主流工藝中抑制其生長(zhǎng)就更為困難。在這樣的背景情況下，出現(xiàn)了以下幾種基于上述理論的抑制NOB策略。
(1)控制出水氨氮。
Chandran的研究結(jié)果顯示，NOB比AOB對(duì)氮基質(zhì)親和力更強(qiáng)。AOB與NOB在不同氮濃度時(shí)的生長(zhǎng)速率見(jiàn)圖3，從圖中可以看出，在基質(zhì)濃度較低時(shí)，NOB的生長(zhǎng)速率要高于AOB的生長(zhǎng)速率，因此通過(guò)維持出水氨氮在2 mg/L以上有助于使AOB的生長(zhǎng)速率超過(guò)NOB。
上述結(jié)論在奧地利Strass污水處理廠得到了驗(yàn)證，當(dāng)時(shí)在冬季由于進(jìn)水負(fù)荷的升高，出水氨氮有所升高，而此時(shí)NOB得到有效的抑制。
(2)SRT控制。
當(dāng)溫度高于17 ℃時(shí)，通過(guò)嚴(yán)格控制泥齡可以淘汰NOB，但是溫度低于17 ℃時(shí)，NOB的生長(zhǎng)速率開(kāi)始超過(guò)AOB的生長(zhǎng)速率，單純采用SRT的控制方式難以起到效果。此時(shí)，嚴(yán)格控制泥齡這種方式與DO控制、瞬時(shí)缺氧聯(lián)合控制時(shí)仍然會(huì)起到一定的效果。
(3)DO控制。
在基質(zhì)不受限制的條件下，Chandran的研究結(jié)果顯示NOB的生長(zhǎng)速率低于AOB，進(jìn)一步的研究結(jié)果顯示AOB對(duì)氧的半飽和系數(shù)高于NOB，如圖4所示。這樣當(dāng)DO濃度高于1 mg/L時(shí)對(duì)抑制NOB非常關(guān)鍵。在DC Water的小試及Strass污水處理廠生產(chǎn)性規(guī)模的試驗(yàn)都表明在低DO時(shí)NOB無(wú)法抑制，而當(dāng)DO>1.5mg/L時(shí)NOB的抑制效應(yīng)就會(huì)出現(xiàn)。
(4)瞬時(shí)缺氧。
瞬時(shí)缺氧指的是在曝氣狀態(tài)下突然從好氧轉(zhuǎn)為缺氧，瞬時(shí)缺氧目前被認(rèn)為是抑制NOB的一種有效手段，這種方法背后的機(jī)理主要有兩種解釋：①曝氣開(kāi)始后酶的活動(dòng)會(huì)有一個(gè)滯后的時(shí)間;②間歇曝氣可能會(huì)擾亂生物代謝過(guò)程從而產(chǎn)生一些具有抑制性的中間產(chǎn)物，如一氧化氮。DC Water的研究結(jié)果顯示，當(dāng)DO間歇地從高于1.5 mg/L瞬時(shí)轉(zhuǎn)為缺氧狀態(tài)可以成功地抑制NOB。這一結(jié)論后來(lái)在HRSD及Strass污水處理廠都得到了驗(yàn)證。
(5)進(jìn)水COD控制。
控制進(jìn)水COD的負(fù)荷也是實(shí)現(xiàn)AOB生長(zhǎng)速率最大化的一種方法，這種策略是建立在NOB和OHO對(duì)DO競(jìng)爭(zhēng)的基礎(chǔ)上。這種控制策略對(duì)進(jìn)水COD類型和數(shù)量都有要求，因?yàn)樗鼤?huì)影響到NOB的淘汰和AOB的活性。當(dāng)進(jìn)水COD較高時(shí)，OHO不僅會(huì)與NOB競(jìng)爭(zhēng)，而且會(huì)與AOB競(jìng)爭(zhēng)DO和空間。當(dāng)AOB的活性降低時(shí)，氧化氨氮的曝氣時(shí)間就需要延長(zhǎng)，反硝化所需的COD就會(huì)減少。實(shí)際上，較為理想的進(jìn)水COD組分是絕大多數(shù)都是溶解態(tài)的，這樣一方面不會(huì)影響到AOB的活性，另外一方面又可供OHO反硝化，抑制NOB。所以，在主流厭氧氨氧化工藝中需要優(yōu)化進(jìn)水COD的分配。
4.奧地利Strass污水處理廠的先行實(shí)踐
奧地利的Strass污水處理廠的能量自給與利用在國(guó)際上一直以來(lái)都處在領(lǐng)先地位。Strass污水處理廠的獨(dú)到之處在于它真正實(shí)現(xiàn)了污水處理中的能量自給。該廠總能耗為0.314kW˙h/m3，而廠內(nèi)的總產(chǎn)能可達(dá)0.34kW˙h/m3，所以其能源自給率可達(dá)108%。
該廠位于奧地利西部，靠近因斯布魯克，處理奧徹恩塔爾和齊樂(lè)塔爾等地大約31個(gè)社區(qū)的污水處理，夏季人口當(dāng)量為60000，冬季為旅游季節(jié)，人口當(dāng)量250000。污水日處理規(guī)模根據(jù)季節(jié)變化為1.7萬(wàn)～3.8萬(wàn)m3，平均日處理量為2.65萬(wàn)m3。
Strass污水處理廠采用AB工藝。A段的SRT和HRT分別設(shè)定為0.5 d和0.5 h。有機(jī)物在A段會(huì)快速被吸附，被吸附的有機(jī)物將通過(guò)污泥濃縮、消化等環(huán)節(jié)產(chǎn)生沼氣進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)，A段的有機(jī)物去除率可以達(dá)到55%～65%。B段是耗能最集中的單元，僅電耗就占總能耗的47%。B段的SRT和HRT分別設(shè)定為10 d和10 h，池容為10456m3。圖5為Strass污水處理廠的工藝示意。
Strass污水處理廠于2004年首先在側(cè)流中采用了DEMON®工藝，側(cè)流的應(yīng)用使處理廠的總體能耗降低了12%。在側(cè)流的基礎(chǔ)上，該廠于2011年開(kāi)始探索主流厭氧氨氧化的應(yīng)用，并參與到美國(guó)WERF(水環(huán)境研究基金)的主流厭氧氨氧化研究項(xiàng)目中，在國(guó)際上發(fā)揮了重要的影響力。其具體的措施是在主流工藝上安裝了旋流器，同時(shí)采取了一系列控制措施，側(cè)流中的Anammox菌補(bǔ)充主流工藝，主流工藝中的旋流器分離Anammox菌并使之不斷回流到主流工藝中。在曝氣控制方面， B段采用靈活的曝氣控制方式，該控制方式可以在滿足氧氣能耗需求前提下，將所需曝氣量控制在最低水平。這種控制方式是通過(guò)對(duì)過(guò)渡區(qū)進(jìn)行間歇曝氣得以實(shí)現(xiàn)，而曝氣量和曝氣頻率則通過(guò)在線氨氮監(jiān)控儀上的兩個(gè)設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)來(lái)控制操作，這兩個(gè)監(jiān)控點(diǎn)可以根據(jù)實(shí)際進(jìn)水瞬時(shí)負(fù)荷自動(dòng)調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)良好的硝化和反硝化反應(yīng)。
圖6、圖7反映的是Strass污水處理廠出水NO2--N、 NO3--N在近年的周平均值變化。在2011年的年末(圣誕節(jié)附近)出水 NO3--N明顯升高，而與此同時(shí)出水 NO3--N明顯低于上一年的同期水平，由此可見(jiàn)NOB得到了很好的抑制，圖8反映的是該廠脫氮率的變化。進(jìn)一步的研究還證實(shí)主流工藝中厭氧氨氧化菌的活性較高。
5.展望
主流厭氧氨氧化的進(jìn)步對(duì)未來(lái)污水處理脫氮方式的轉(zhuǎn)變具有重要的影響，這一領(lǐng)域的研究和探索已是當(dāng)前國(guó)際污水處理發(fā)展最為引人注目之處，從目前的研究和應(yīng)用進(jìn)展來(lái)看，主流厭氧氨氧化技術(shù)在未來(lái)的發(fā)展可能會(huì)有如下幾個(gè)特點(diǎn)：
(1)主流厭氧氨氧化在脫氮方面具有巨大的優(yōu)勢(shì)，但在生物除磷方面尚缺乏足夠的報(bào)道。主流厭氧氨氧化工藝中生物除磷的實(shí)現(xiàn)可能會(huì)有兩個(gè)途徑，一個(gè)途徑是在A段的高負(fù)荷活性污泥工藝中;另一個(gè)途徑是在B段工藝，Strass污水處理廠在B段觀察到了明顯的釋磷和吸磷的現(xiàn)象，這必將會(huì)引起眾多研究者的興趣。
(2)對(duì)Anammox菌近些年的研究表明，這類微生物在合適的條件下能夠氧化某些有機(jī)物，同時(shí)去除NO-3-N。這種特性可能會(huì)在未來(lái)受到更多的關(guān)注，并加以利用控制出水的NO-3-N。
(3)雖然主流厭氧氨氧化工藝在認(rèn)識(shí)上近年來(lái)取得了長(zhǎng)足的認(rèn)識(shí)，而且這種認(rèn)識(shí)依然在不斷發(fā)展、不斷深化，但目前該技術(shù)仍然處于探索階段，尚不成熟。但當(dāng)前的探索階段已經(jīng)不再停留于實(shí)驗(yàn)室的小試、中試，更多的探索是通過(guò)污水處理廠的生產(chǎn)性規(guī)模的探索。目前，全球至少已有5座污水處理廠正在嘗試實(shí)踐主流厭氧氨氧化�？梢灶A(yù)見(jiàn)，在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，將會(huì)有更多污水處理廠直接在工程尺度上去試驗(yàn)和應(yīng)用。
每一種技術(shù)都有其自身的特點(diǎn)和適應(yīng)性，我們?cè)跒橹髁鲄捬醢毖趸に嚲薮髢?yōu)勢(shì)吸引的同時(shí)，也需要清醒地看到它的適用性，在無(wú)碳分離、控制手段一般、出水水質(zhì)嚴(yán)格的情況下，該技術(shù)目前尚難有作為。當(dāng)其在技術(shù)金字塔的頂端閃耀著耀眼光芒的同時(shí)，支撐其應(yīng)用發(fā)展的必然是寬廣而堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
