1 、相關(guān)背景
在本世紀(jì)初，污水處理領(lǐng)域有兩個(gè)非常著名的發(fā)現(xiàn)：第一個(gè)是厭氧氨氧化，第二個(gè)是好氧顆粒污泥，這給污水處理的發(fā)展帶來非常大的變數(shù)。好氧顆粒污泥和厭氧氨氧化實(shí)際已經(jīng)有一二十年的歷史，但是一直沒有引起足夠的關(guān)注。對(duì)于厭氧氨氧化的研究，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的Mark教授在《Science》上發(fā)表了一篇文章，認(rèn)為厭氧氨氧化可以使污水處理廠達(dá)到凈的產(chǎn)能，這就給污水處理廠下一步的發(fā)展指明了一條道路。
2、主流厭氧氨氧化的發(fā)展
正因?yàn)閰捬醢毖趸绱酥匾�，所以世界各�?guó)比如荷蘭、新加坡、美國(guó)等紛紛將其作為研究前沿。著名的Strass污水處理廠利用旁路厭氧氨氧化產(chǎn)生厭氧氨氧化的顆粒污泥，在主流中加入這些顆粒污泥，再利用水力旋流器等將其回收。這一方法存在的問題是無法定量描述和控制厭氧氨氧化在主流中的脫氮效率。
因?yàn)橹性嚨コ蔬_(dá)到60%~70%，但是在不穩(wěn)定的狀態(tài)下可能只有10%~20%。 最近Mark教授提出，顆粒污泥類型的主流厭氧氨氧化今后應(yīng)主要解決運(yùn)行穩(wěn)定性問題。
3、西安第四污水處理廠是否發(fā)生了主流厭氧氨氧化？
西安第四污水處理廠總處理能力為50萬噸/d，分一期、二期和三期工程，厭氧氨氧化主要在一期25萬噸/d工程改造中實(shí)現(xiàn)。一期改造工程將倒置AO改為加填料的AO。西安地處中西部，屬于溫帶地區(qū)，污水水溫在10~20℃之間變化。眾所周知，新加坡的樟宜污水廠已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了部分厭氧氨氧化，但其水溫常年為30℃左右。相比之下，西安第四污水處理廠這樣的大型污水廠在常溫條件下實(shí)現(xiàn)厭氧氨氧化，將具有非常重要的意義。
在改造過程中可以看到，生物池有兩格厭氧段和兩格缺氧段，在缺氧段的第一個(gè)格里投放了填料，而在第二個(gè)格沒有投放填料。關(guān)于改造項(xiàng)目介紹，參見錢亮發(fā)表在《中國(guó)給水排水》的論文。
從三年多的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看，一期出水總氮的濃度要顯著低于二期的出水總氮濃度。按平均值來看，平均的出水TN只有5mg/L。第四污水處理廠一期工程按照達(dá)到一級(jí)A的標(biāo)準(zhǔn)來改造，實(shí)際上出水TN能達(dá)到5mg/L，其他的指標(biāo)也都達(dá)到Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)，需要認(rèn)真研究這一特殊現(xiàn)象。
研究發(fā)現(xiàn)：第一，無論在厭氧填料區(qū)還是缺氧填料區(qū)，載體上污泥顏色都變紅了，而紅色是厭氧氨氧化的一個(gè)特征顏色；第二，在缺氧區(qū)氨氮濃度發(fā)生了顯著的變化，因?yàn)樵趨捬鹾腿毖鯀^(qū)，如果沒有氧的供應(yīng)氨氮不可能發(fā)生變化；第三，把缺氧區(qū)的填料取出來，采用厭氧氨氧化的活性實(shí)驗(yàn)，測(cè)試厭氧氨氧化的活性是在52mg/(L·d)，這是非常高的活性數(shù)值。根據(jù)污泥顏色變化、沿程氨氮的監(jiān)測(cè)和厭氧氨氧化活性的測(cè)試，可以初步判定發(fā)生了厭氧氨氧化反應(yīng)。
為什么會(huì)發(fā)生這種反應(yīng)？要對(duì)改造過程中的一些問題進(jìn)行探究。眾所周知，在填料改造過程中，如果不恰當(dāng)?shù)卦O(shè)置攔網(wǎng)，填料會(huì)在攔網(wǎng)處堆積。而攔網(wǎng)設(shè)置的地點(diǎn)和設(shè)置方式非常有講究。好氧區(qū)的填料由于曝氣以后水的密度和填料的密度相接近，所以很容易形成流化。而缺氧區(qū)不采用曝氣，僅僅采用攪拌要實(shí)現(xiàn)充分流化，是存在一定難度的。西安第四污水廠的改造過程設(shè)立了吹掃系統(tǒng)，采用攪拌和曝氣雙重吹掃的機(jī)制。當(dāng)然，吹掃設(shè)備一般是在填料攔網(wǎng)發(fā)生堵塞時(shí)才啟用。
實(shí)際工程運(yùn)行時(shí)，為了運(yùn)行方便，吹掃系統(tǒng)連續(xù)開啟，所以實(shí)際上進(jìn)行了充氧曝氣，這是一個(gè)意外，正是這個(gè)意外導(dǎo)致了部分主流厭氧氨氧化的發(fā)生。對(duì)缺氧填料區(qū)進(jìn)行了溶解氧測(cè)定，吹掃區(qū)的DO濃度是0.8mg/L，而在整個(gè)池子相當(dāng)一部分DO分為三個(gè)區(qū)，分別是0.8、0.4和0.1mg/L，在缺氧區(qū)形成了微氧條件。因此，有理由推論，在微氧條件下氨氮轉(zhuǎn)變成了亞硝酸鹽，而與缺氧區(qū)填料上面的微環(huán)境中形成了有利于發(fā)生厭氧氨氧化反應(yīng)，這是對(duì)西安第四污水處理廠發(fā)生厭氧氨氧化的一個(gè)判斷。
對(duì)填料和懸浮污泥，厭氧區(qū)和缺氧區(qū)的微生物進(jìn)行了高通量分析，在門水平，缺氧段生物膜中的豐度是非常高的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于懸浮態(tài)和厭氧段。而屬的水平也進(jìn)一步證實(shí)了這一點(diǎn)，可以看到K型厭氧氨氧化菌（Candidatus Kuenenia ）的豐度非常高，并且在缺氧區(qū)填料中的豐度是最高的。
2018年，采用同位素示蹤法進(jìn)一步證實(shí)了在缺氧環(huán)境下厭氧氨氧化反應(yīng)，證實(shí)了在缺氧區(qū)厭氧氨氧化是一個(gè)非常重要的途徑，并且定量測(cè)定的結(jié)果厭氧氨氧化過程占脫氮的比例達(dá)到30%左右。
清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)于2015年、2016年、2017年和2018年對(duì)載體厭氧氨氧化菌的豐度分別進(jìn)行了測(cè)定，2015年、2016年采用454測(cè)序方法，2017年采用lllumina方法，而2018年采用宏基因方法，由于三種方法的精度不同，相互之間的可比性不大。圖中缺氧區(qū)填料上厭氧氨氧化菌的豐度逐漸升高，在2017年已經(jīng)接近10%。進(jìn)一步來看,在填料中有兩種厭氧氨氧化菌的豐度有很大差別，一種是新加坡樟宜污水廠發(fā)現(xiàn)的B型厭氧氨氧化菌（Ca. Brocadia sp 40），它遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于西安第四污水處理廠發(fā)現(xiàn)的K型厭氧氨氧化細(xì)菌。分析主要是溫度所致，新加坡樟宜污水廠的水溫是30°C，而西安第四污水處理廠水溫為11~20°C。
從三年的運(yùn)行數(shù)據(jù)來看，總的來說，西安第四污水處理廠一期工程COD、總氮和磷均達(dá)到準(zhǔn)Ⅳ類水體標(biāo)準(zhǔn)，特別是一期的總氮的濃度顯著低于二期，也顯著低于10mg/L。將一期工程與第三污水廠、第五污水廠對(duì)比，可以看到在總的停留時(shí)間上，其他兩個(gè)廠最高是它的1.8倍，而在總的處理效果上四污一期是最好的。所以通過微生物三年連續(xù)的高通量測(cè)序、同位素示蹤和宏基因組測(cè)定，確定了厭氧氨氧化系的豐度，氮的去除比例和主要功能菌種。上述的研究應(yīng)該說填補(bǔ)了國(guó)際上在常溫生產(chǎn)性裝置研究的空白，有些現(xiàn)象還是首次報(bào)道。
一是穩(wěn)定性。新加坡樟宜20萬噸/d污水廠的厭氧氨氧化發(fā)生在30°C的條件下，至于能否發(fā)生在30°C以下溫度，還不能確定。而西安第四污水廠在25萬噸/d的情況下，COD與總氮的比例，總氮的去除率等指標(biāo)，達(dá)到了基本相同的去除效果，所以意義重大。荷蘭的厭氧氨氧化顆粒污泥中試仍然要在穩(wěn)定性上下工夫，而Demon工藝對(duì)可控性和去除定量描述方面存在不足。在樟宜污水處理廠厭氧氨氧化對(duì)整體氮去除的貢獻(xiàn)率將近30%，而在四污是達(dá)到了15%，這主要是受溫度和泥齡的影響，還有優(yōu)化的空間。
二是人們都想追求完全主流的厭氧氨氧化，但是現(xiàn)在看來存在一定的困難。這讓我們想起一個(gè)非常有意思的問題，全世界在研究清潔汽車的過程中，氫能源汽車是最高效和最清潔的，但是大家花了幾十年的時(shí)間沒有取得實(shí)質(zhì)性、突破性的進(jìn)展。而這時(shí)候日本研發(fā)了混合動(dòng)力車，在將近10~20年里頭占據(jù)了市場(chǎng)很大的份額。對(duì)厭氧氨氧化的態(tài)度應(yīng)該借鑒這一案例，在達(dá)到最終目的之前，實(shí)際上西安第四污水廠項(xiàng)目給了人們中間階段的一個(gè)選擇。
對(duì)比國(guó)內(nèi)和國(guó)外的污水處理工藝，我國(guó)要達(dá)到一級(jí)A和IV類標(biāo)準(zhǔn)，一般需要采用MBR和反硝化濾池工藝，而國(guó)際上只要采用比較傳統(tǒng)的活性污泥的變形工藝就能達(dá)到。西安第四污水廠項(xiàng)目提供了一個(gè)可能性,就是在傳統(tǒng)污水廠進(jìn)行一級(jí)A的提標(biāo)改造，出水水質(zhì)可以達(dá)到類IV類標(biāo)準(zhǔn)。
三是我國(guó)八大流域COD小于150mg/L占了50%以上，平均在55%以上，存在著低COD高總氮的情況，采用什么樣的技術(shù)，一直是個(gè)難題。最近在漢中污水處理廠采用這個(gè)技術(shù)，在COD為100mg/L、總氮40mg/L的情況下，出水總氮達(dá)到了5mg/L以下，因此，這一技術(shù)對(duì)低濃度污水的提標(biāo)改造非常有意義。表中列出了通過改進(jìn)后工藝正在實(shí)施和設(shè)計(jì)中的一些工程信息。所以。通過上述的實(shí)踐初步表明了上述工藝已經(jīng)可以應(yīng)用于生產(chǎn)，并且具有可復(fù)制性，而工藝的主要特征是雙泥齡、混合型部分厭氧氨氧化的低耗脫氮工藝。
來源 ： 微信號(hào)：cnww1985
