ANITA Mox工程化的十年：我們學(xué)到了什么?
由于疫情原因，原定于2020年在丹麥?zhǔn)锥几绫竟e辦的IWA世界水大會(huì)延遲到了2022年9月。在期盼線下世界水大會(huì)回歸的同時(shí)，IWA在今年5月組織了網(wǎng)絡(luò)版世界水大會(huì)。但無論是線上還是線下舉行，都不會(huì)影響世界各地的水業(yè)同行分享他們的知識(shí)。在網(wǎng)絡(luò)版世界水大會(huì)上，厭氧氨氧化依然是大家關(guān)注的焦點(diǎn)之一。來自瑞典隆德的Magnus Christensson先生分享了過去十年他的團(tuán)隊(duì)在側(cè)流厭氧氨氧化工程化過程中的經(jīng)驗(yàn)和心得體會(huì)。
背景介紹
2010年，Veolia公司第一個(gè)側(cè)流厭氧氨氧化工程案例落戶瑞典的Sjolunda污水處理廠，并為這個(gè)案例取名Biofarm。時(shí)至今日，已經(jīng)走過十多個(gè)年頭，累積超過30個(gè)案例。在這些案例中，Veolia的團(tuán)隊(duì)都遭遇了什么挑戰(zhàn)，又有什么新的認(rèn)知值得我們?nèi)W(xué)習(xí)呢？
側(cè)流厭氧氨氧化(side-stream anammox) 的工藝案例我們?cè)谝酝耐扑屠锒加羞^介紹，它用更少的能耗和碳源去除傳統(tǒng)厭氧消化后消化液中的氨氮。厭氧氨氧化菌生長(zhǎng)相對(duì)緩慢，為了避免氨氧化菌(AOB)和厭氧氨氧化菌的流失，很多反應(yīng)器都使用了生物膜系統(tǒng)。Veolia在這個(gè)設(shè)計(jì)理念下，基于移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器 (MBBR) ，開發(fā)了一套名為ANITA Mox的厭氧氨氧化脫氮系統(tǒng)。
圖. 厭氧氨氧化的生物膜脫氮原理 | 圖源：MDPI
ANITA Mox如今已經(jīng)應(yīng)用于傳統(tǒng)的厭氧消化液和經(jīng)熱水解前處理的厭氧消化液。同時(shí)也在MBBR和IFAS兩種工藝反應(yīng)構(gòu)造中得到實(shí)踐應(yīng)用。Magnus Christensson分享了他們?cè)谶@些應(yīng)用上的經(jīng)驗(yàn)和心得體會(huì)。
表. ANITA Mox處理傳統(tǒng)AD或者THP+AD的主要案例列表
處理傳統(tǒng)AD的教訓(xùn)
美國弗吉尼亞的James River污水廠是ANITA Mox在美國的第一個(gè)案例。項(xiàng)目始于2013年12月，預(yù)制調(diào)料比為10%(已經(jīng)長(zhǎng)好生物膜)，使用的是從瑞典Malmo的Biofarm運(yùn)來的填料。Christensson 表示，用已有填料接種能夠大大縮短啟動(dòng)時(shí)間。在接種3個(gè)月后，新的填料也開始顯示活性。而在接種4個(gè)月后，如下圖所示，氨氮去除率已經(jīng)超過85%。2014年5月的測(cè)試顯示，氨氮負(fù)荷可以高至375kgN/d，即設(shè)計(jì)負(fù)荷的150%，氨氮平均去除率為90%。出水氨氮約為100mgN/L。因?yàn)槭侵袦叵�，所以無需額外的加熱設(shè)備。
圖. James River污水廠的ANITA Mox測(cè)試結(jié)果 | 圖源：MDPI
芝加哥的Egan污水資源回收工廠是另一個(gè)案例，它位于伊利諾伊州的Schaumburg。在這個(gè)項(xiàng)目里，他們將4個(gè)閑置的DAF濃縮池改造成一個(gè)調(diào)節(jié)池+4個(gè)平行ANITAMox反應(yīng)器。該案例的接種比例也為10%。
圖. 所謂的老和新填料外觀對(duì)比 | 圖源：MDPI
該項(xiàng)目始于2016年，因?yàn)橹型窘?jīng)歷了污泥線的維修翻新工作，啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)10個(gè)月。如下圖所示，維修工作結(jié)束后，該系統(tǒng)在不到3個(gè)月的時(shí)間里達(dá)到了設(shè)計(jì)負(fù)荷的水平。在2018年為期90天的測(cè)試顯示，雖然由于調(diào)節(jié)池過小導(dǎo)致進(jìn)水負(fù)荷波動(dòng)，但實(shí)際負(fù)荷可以超過設(shè)計(jì)負(fù)荷的20%，氨氮和TIN的去除率分別為89%和81%，出水氨氮為140 mg-N/d。
圖. Egan污水廠的ANITA Mox測(cè)試結(jié)果 | 圖源：MDPI
目前ANITA Mox最大的案例位于科羅拉多州的丹佛Robert W. Hite再生水廠。如下圖所示，改造方案是將其中一個(gè)回流污泥再氧化池改為兩個(gè)平行的MBBR反應(yīng)器。
圖. 位于丹佛的改造案例 | 圖源：MDPI
盡管這個(gè)項(xiàng)目的接種比只有5%，但啟動(dòng)時(shí)間僅需要13周。此外，在這個(gè)案例里，工程團(tuán)隊(duì)遇到了實(shí)際負(fù)荷超過設(shè)計(jì)負(fù)荷、進(jìn)水流量波動(dòng)、聚合物殘留多、高TSS沖擊等影響。該污水廠的目標(biāo)負(fù)荷是設(shè)計(jì)負(fù)荷的120-150%，出水氨氮在200-300mgN/L之間，這使得氨氮的實(shí)際去除率僅為67-75%。但這是在沒有投加額外堿度的情況下完成的。ANITA Mox的出水則通過剩下的回流污泥曝氣池做進(jìn)一步處理。
圖. Denver污水廠的ANITA Mox啟動(dòng)時(shí)間 | 圖源：MDPI
處理THP+AD出水的經(jīng)驗(yàn)
若對(duì)厭氧消化進(jìn)行熱水解的前處理，不僅會(huì)提高進(jìn)料的氨氮和溶解性COD水平，同時(shí)也會(huì)增加一些有害的中間化合物。對(duì)此，Veolia團(tuán)隊(duì)進(jìn)料進(jìn)行了稀釋。稀釋比在1:1-1.5:1之間。此外，對(duì)于使用THP的客戶，他們改用IFAS工藝來取代MBBR，原因是在IFAS工藝中，MLSS中的異養(yǎng)菌和AOB有更好的緩沖能力，使得Anammox菌更好地保留在反應(yīng)系統(tǒng)里。據(jù)悉，IFAS系統(tǒng)的脫氮率一般為2-3kg N/m³·d （MBBR則大于1kg N/m³·d）
圖. IFAS工藝的構(gòu)造示意圖 | 圖源：MDPI
圖. MBBR和IFAS的氧濃度對(duì)比 | 圖源：VEOLIA
目前ANITA Mox有7個(gè)處理THP+AD的案例。其中第一個(gè)IFAS ANITA Mox案例位于英國Wrexham的FiveFords污水廠。這個(gè)項(xiàng)目最初的計(jì)劃是先用傳統(tǒng)消化液作為啟動(dòng)進(jìn)料，不過因?yàn)槭┕び?jì)劃的改變，這個(gè)系統(tǒng)在調(diào)試期間就要接收來自經(jīng)過THP處理的消化液，所以系統(tǒng)進(jìn)行了兩次接種，第一次的接種比為10%，第二次升至25%。
圖. 位于英國Wrexham的IFAS ANITA Mox案例 | 圖源：MDPI
他們?cè)谡{(diào)試過程中，首先對(duì)IFAS的運(yùn)行做了一些調(diào)整，以使懸浮液中的AOB活性和載體中的anammox活性得到平衡。然而在此過程中，他們發(fā)現(xiàn)進(jìn)料的堿度也是個(gè)限制因素。他們就對(duì)出水的氨氮濃度進(jìn)行控制，措施是將原來的離子選擇性電極(ISE)傳感器改為一個(gè)過濾后的分析儀器(HACH的FILTRAX和AMTAX單元)，以此提高測(cè)量的精準(zhǔn)度。基于測(cè)得的出水氨氮值，調(diào)節(jié)曝氣量。
圖. Wrexham案例的進(jìn)水和出水氨氮水平
盡管啟動(dòng)時(shí)間和狀況超出預(yù)期水平，但最終，FiveFords污水廠還是順利地進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行期，成功地對(duì)經(jīng)過THP處理的消化液進(jìn)行處理。他們還將載體樣本送到法國和瑞典的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行qPCR分析，結(jié)果顯示，anammox菌的情況一直保持在正常的范圍內(nèi)。
運(yùn)行控制的經(jīng)驗(yàn)
該團(tuán)隊(duì)指出，要想順利穩(wěn)定地運(yùn)行anammox系統(tǒng)，不能指望運(yùn)行人員一直盯著運(yùn)行狀況，所以一定要依靠精準(zhǔn)的在線傳感器來制定運(yùn)行控制策略。優(yōu)勢(shì)是可以實(shí)現(xiàn)全天24h的遠(yuǎn)程控制。
圖. Veolia自家開發(fā)的工藝控制及優(yōu)化系統(tǒng)
小結(jié)
在Christensson先生看來，ANITA Mox的成功離不開反應(yīng)器的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，其中包括了曝氣、攪拌、載體、anammox菌截留器、泡沫控制等。五部分的對(duì)應(yīng)設(shè)備如下圖所示。
他特別提到了載體和截留篩筒的作用，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，如果在理想條件下，使用生物膜厚度為400μm的載體，加上有足夠的氨氮和亞硝態(tài)氮，載體面積的氨氮去除率可達(dá)27g/㎡/d，是實(shí)際單位去除效率的5倍多。當(dāng)然在現(xiàn)實(shí)中這是不可能的，因?yàn)闊o法提供這么多的亞硝態(tài)氮。但另一方面，這說明現(xiàn)在的載體處理能力已經(jīng)是過剩的，這意味著在未來，他們會(huì)嘗試減少載體的比例，提供更多的空間用以AOB轉(zhuǎn)化氨氮。
圖. 理論和實(shí)際的載體單位面積去除率
最后，他表示，10年的側(cè)流厭氧氨氧化的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)肯定能為日后的主流厭氧氨氧化的實(shí)現(xiàn)提供更多的參考。我們也為各位讀者準(zhǔn)備了Christensson先生的報(bào)告原片，感興趣的朋友可以點(diǎn)擊以下視頻進(jìn)行回看。
參考資料
https://www.mdpi.com/2227-9717/9/5/863/pdf
https://iwaponline.com/wst/article-abstract/67/12/2677/17495/Experience-from-start-ups-of-the-first-ANITA-Mox?redirectedFrom=fulltext
https://www.youtube.com/watch?v=8dlxu9i65js&t=1785s
https://conferences.aquaenviro.co.uk/wp-content/uploads/sites/7/2015/06/Romain-Lemaire-Veolia-Water.pdf
https://www.anoxkaldnes.com/en/technologies/z-mbbr
https://core.ac.uk/download/pdf/289949338.pdf
