澳大利亞昆士蘭大學(xué)袁志國院士團(tuán)隊(duì)最近在Water Research上發(fā)表了該團(tuán)隊(duì)用游離亞硝酸增強(qiáng)厭氧污泥發(fā)酵的最新研究成果：

1. 游離亞硝酸（FNA）對剩余污泥進(jìn)行預(yù)處理可以使厭氧污泥消化池HRT降低至7.5天。

2. 和對照組污泥厭氧消化反應(yīng)器（HRT＝15天）比，污泥厭氧消化系統(tǒng)在較低HRT（12天和7.5天）條件下仍能取得更高的VS去除率和甲烷產(chǎn)率（>30%）；

3. 由于氨釋放量增加，F(xiàn)NA預(yù)處理并未引起厭氧消化池酸化。

這一研究為污泥厭氧消化池升級改造開辟了一條新途徑，尤其是對于用地緊張地區(qū)。 

剩余活性污泥（WAS）是污水生物處理工藝的主要副產(chǎn)物，其處理處置過程會極大地增加污水處理廠的處理成本。厭氧消化（AD）工藝，由于其相對較高且低成本的揮發(fā)性固體（VS）去除率，已被廣泛應(yīng)用于剩余污泥穩(wěn)定化處理。然而，剩余污泥較難以被水解，常常是厭氧消化過程的限速步驟。為了達(dá)到滿意的VS去除率和沼氣產(chǎn)率，污泥厭氧消化過程通常需要約15至20天，甚至更長的水力停留時間（HRT）。因此，如何強(qiáng)化污泥水解、縮短HRT成為厭氧消化工藝應(yīng)用的一個關(guān)鍵因素。

圖1. FNA預(yù)處理技術(shù)提高污泥厭氧消化概念圖(Lodomat工藝)

昆士蘭大學(xué)高級水管理中心（AWMC）袁志國院士團(tuán)隊(duì)自2010年以來，在游離亞硝酸（FNA，ppm水平）污泥預(yù)處理提高厭氧消化方面開展了系統(tǒng)性的研究。該技術(shù)利用側(cè)流污水對進(jìn)入?yún)捬醴磻?yīng)器的剩余污泥進(jìn)行預(yù)處理，促進(jìn)污泥的水解，以增強(qiáng)厭氧消化的效果（圖1技術(shù)概念圖）。在前期連續(xù)流厭氧生物反應(yīng)器（HRT=15d）對比試驗(yàn)中（連續(xù)運(yùn)行超過半年），采用濃度為1.8 mgN/L FNA預(yù)處理（NO2-N = 250 mg/L, pH = 5.5, T =25 oC）的污泥厭氧消化系統(tǒng)的VS去除率和污泥脫水性相比對照系統(tǒng)，分別改善了17%和14%（Wei et al., 2018）。

基于上述背景，AWMC團(tuán)隊(duì)最新研究驗(yàn)證了FNA預(yù)處理技術(shù)改善污泥水解及降低污泥厭氧消化工藝HRT的可行性。這項(xiàng)研究成果將為現(xiàn)有污水廠污泥厭氧消化系統(tǒng)的升級改造提供一條新途徑，尤其是用地緊張地區(qū)。

采用兩套連續(xù)流厭氧污泥消化池（對照組和實(shí)驗(yàn)組）處理取于實(shí)際污水處理廠的濃縮剩余活性污泥，兩套系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行6個月，期間分為3個階段。實(shí)驗(yàn)組在第二，第三段采用濃度為6.1 mgN/L的FNA（NO2-N = 250 mg/L, pH = 5.0, T =25 oC）對污泥預(yù)處理24h，3個運(yùn)行階段HRT分別為15d、12d和7.5d。通過測定VS去除率、甲烷產(chǎn)率、氨氮釋放、pH、堿度、脫水性等指標(biāo)綜合評價兩套系統(tǒng)的處理性能�？紤]到剩余活性污泥厭氧消化通常需要15-20d，對照組在3個階段則保持固定的HRT=15d。

如下圖所示，與對照組相比，經(jīng)FNA預(yù)處理的實(shí)驗(yàn)組在第2階段和第3階段VS去除率分別改善了39%和30%。與此相應(yīng)，實(shí)驗(yàn)組在第2階段和第3階段甲烷產(chǎn)率（單位進(jìn)泥產(chǎn)甲烷量）增加了31-35%，而產(chǎn)甲烷速率（單位時間產(chǎn)甲烷量）分別增加了64%和165%。產(chǎn)甲烷速率的大幅增加是由負(fù)荷增加和甲烷產(chǎn)率增加的疊加造成的。

圖2. 兩個厭氧反應(yīng)器三個階段內(nèi)VS去除率和甲烷產(chǎn)率。第一階段為基線段（實(shí)驗(yàn)組和對照組AD反應(yīng)器運(yùn)行條件相同，即無FNA預(yù)處理）

在第2階段初期，由于降低HRT和FNA預(yù)處理的協(xié)同作用導(dǎo)致了短暫的過負(fù)荷，此過程對產(chǎn)甲烷菌活性產(chǎn)生了一定的影響，同時也發(fā)現(xiàn)了VFA的累積（圖3B），經(jīng)過約2周左右產(chǎn)甲烷菌逐步恢復(fù)活性，實(shí)驗(yàn)組反應(yīng)器的VFA累積也逐步消失并最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。在第3階段再度降低HRT至7.5d時，產(chǎn)甲烷菌僅經(jīng)過5天過渡期就達(dá)到了穩(wěn)定的高效產(chǎn)甲烷活性（圖2B），此時，VFA濃度有所增加（圖3B），說明經(jīng)過FNA預(yù)處理后顯著改善了污泥水解酸化效率，污泥水解已不是厭氧消化過程的限速步驟，F(xiàn)NA預(yù)處理作用得到充分顯現(xiàn)。

第3階段VFA積累并未引起AD反應(yīng)器的酸化。實(shí)際上，實(shí)驗(yàn)組反應(yīng)器pH（7.29±0.01）高于對照組反應(yīng)器pH（7.25±0.01）。這主要是因?yàn)槎�氨氮濃度在�?階段和第3階段均明顯高于對照組（圖3A），其穩(wěn)定階段分別增加了47%和38%。氨氮濃度的增加對于實(shí)驗(yàn)組厭氧反應(yīng)器的穩(wěn)定運(yùn)行起到了重要的輔助作用。

圖3. 兩個厭氧反應(yīng)器三個階段內(nèi)氨氮和tVFA濃度變化

綜上所述，本研究表明與未經(jīng)FNA預(yù)處理的對照組相比，經(jīng)FNA預(yù)處理的污泥厭氧消化池可以在HRT下降50%的情況下取得更高的VS去除率和甲烷產(chǎn)率（>30%）。這項(xiàng)研究給目前由于用地緊張而處于瓶頸期的污泥厭氧消化池升級改造打開了新的一扇窗。目前，課題組正在進(jìn)行中試研究，我們期待進(jìn)一步的中試項(xiàng)目試驗(yàn)結(jié)果。

參考資料

Zhang, L., Duan, H., Ye, L., Liu, L.,Batstone, D. J., Yuan, Z. (2018) Increasing capacity of an anaerobic sludgedigester through FNA pre-treatment of thickened waste activated sludge,  WaterResearch, https://doi.org/10.1016/j.watres.2018.11.008

Wei W., Wang, Q., Zhang,L., Laloo, A., Duan, H., Batstone, D. J. and Yuan, Z. (2018) Free nitrous acidpre-treatment of waste activated sludge enhances volatile solids destructionand improves sludge dewaterability in continuous anaerobic digestion. WaterResearch, 130: 13-19.