全康環(huán)保:在本期的水星漫談專(zhuān)欄里，小編想分享一則去年9月發(fā)布的舊聞――美國(guó)環(huán)保署EPA撥款，資助開(kāi)展一項(xiàng)關(guān)于主流厭氧氨氧化工藝的研究。

2023年實(shí)現(xiàn)主流厭氧氨氧化？

脫氮除磷是污水處理的重要環(huán)節(jié)。目前的脫氮技術(shù)包括了三種方法，其中最傳統(tǒng)的方法當(dāng)然是大家熟悉的硝化/反硝化(Nitrification-Denitrification)，另外還有亞硝化/反亞硝化(Nitritation-Denitritation)以及部分亞硝化/厭氧氨氧化(Partial Nitritation-Anammox)。

傳統(tǒng)的硝化/反硝化雖然是一個(gè)較為穩(wěn)定的工藝技術(shù)，但是成本卻相對(duì)較高，原因是它需要足夠的堿度投加量、曝氣量以及反硝化中所需要的外加碳源。與傳統(tǒng)的脫氮過(guò)程相比，亞硝化/反亞硝化能夠降低25%的曝氣，減少約40%的外加碳源，最終的污泥量也減少約40%。而部分亞硝化/厭氧氨氧化工藝的能耗和污泥產(chǎn)量比亞硝化/反亞硝化還要低。如果能用部分亞硝化/厭氧氨氧化工藝取代現(xiàn)有主流的硝化/反硝化脫氮工藝，將大大減少污水廠的運(yùn)行成本。

過(guò)去十多年的研究，世界各地的科研團(tuán)隊(duì)都在研究主流短程脫氮工藝工程化的可能性。2020年9月1日，美國(guó)環(huán)保署EPA給美國(guó)水研究基金會(huì)(WRF)、哥倫比亞大學(xué)、華盛頓水司(DC Water)、弗吉尼亞州的HRSD衛(wèi)生局(Hampton Roads Sanitation Department)、喬治華盛頓大學(xué)、西北大學(xué)的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)撥款999670美元，目標(biāo)是在污水主流線中，為厭氧氨氧化菌提供更多的亞硝酸鹽，為快速短程脫氮工藝的全面應(yīng)用鋪平道路。

部分反硝化/厭氧氨氧化

為什么EPA愿意要撥款百萬(wàn)美元做這次研究？因?yàn)檫@個(gè)聯(lián)合團(tuán)隊(duì)稱(chēng)有一種新策略，它能更好地實(shí)現(xiàn)主流厭氧氨氧化。在過(guò)去，為了確保脫氮系統(tǒng)有充足的亞硝酸鹽產(chǎn)量，抑制亞硝化鹽氧化菌(NOB)是常見(jiàn)操作，但在這次研究中，聯(lián)合團(tuán)隊(duì)將選擇部分反硝化的方法來(lái)為脫氮系統(tǒng)提供更可靠的亞硝酸鹽產(chǎn)量。

為什么要選擇進(jìn)行部分反硝化的反應(yīng)呢？請(qǐng)大家先再看一眼上邊的圖片：部分亞硝化/厭氧氨氧化(Partial Nitritation-Anammox)除了能將亞硝酸鹽和氨氮轉(zhuǎn)化成氮?dú)庵?，還不可避免地生成硝酸鹽。

其實(shí)此前已經(jīng)有一些主流厭氧氨氧化的成功中試報(bào)道，但這些系統(tǒng)出水的總無(wú)機(jī)氮 (TIN)都無(wú)法做到低于5mg/L。主流厭氧氨氧化要實(shí)現(xiàn)工程化，必須滿(mǎn)足各地的出水標(biāo)準(zhǔn)，這也是我們至今沒(méi)有看到真正意義的主流厭氧氨氧化污水廠的原因之一。

由于這些剩余的總無(wú)機(jī)氮主要為硝酸，如何去除這些硝態(tài)氮呢？聯(lián)合團(tuán)隊(duì)想到了這么一個(gè)辦法：他們根據(jù)化學(xué)計(jì)量的數(shù)據(jù)，投加合適的外加碳源，將硝酸鹽轉(zhuǎn)化為亞硝態(tài)氮，然后再結(jié)合等量的剩余氨氮，通過(guò)anammox菌將兩者轉(zhuǎn)化成氮?dú)?。雖然這個(gè)過(guò)程依舊會(huì)生產(chǎn)新的硝酸鹽，總量已經(jīng)大大降低，而且這些新生成的硝酸鹽最終也可以進(jìn)入反硝化反應(yīng)。

技術(shù)難點(diǎn)

他們把這項(xiàng)工藝稱(chēng)作部分反硝化/厭氧氨氧化，英文簡(jiǎn)稱(chēng)PdN/A。乍看上去這個(gè)思路很好很正確，但在實(shí)際操作中，仍存在兩大難題，第一是如何保持anammox菌的活性，第二是如何限制完全反硝化或反亞硝化。

找到最優(yōu)的碳源添加量是其中的關(guān)鍵。已經(jīng)有研究顯示，在COD/NO3-比例≤1的時(shí)候，會(huì)導(dǎo)致亞硝酸鹽還原酶(nitrite reductase)的電子短缺，使反硝化停留在亞硝酸鹽階段。另外，碳源的類(lèi)型能篩選那些只還原NO3-而不會(huì)兼顧還原NO3-或 NO2-的反硝化菌種。

三種常用碳源包括了甲醇、甘油和乙酸鹽。

有研究顯示，三種碳源都能誘發(fā)亞硝酸鹽的積累，后兩種碳源的效果更顯著。但從經(jīng)濟(jì)角度考慮，甲醇是更常用的碳源，但為了PdN/A的處理效果，甘油和乙酸鹽是更好的碳源。這也是這次研究需要確認(rèn)的技術(shù)細(xì)節(jié)之一。

試驗(yàn)地點(diǎn)

早在10年前，PdN/A的工藝已經(jīng)分別在奧地利的Strass污水廠、美國(guó)華盛頓的Blue Plains污水廠和HRSD公共衛(wèi)生局運(yùn)營(yíng)的Chesapeake-Elizabeth污水處理廠進(jìn)行測(cè)試，其效果也得到了初步驗(yàn)證。

到了2019年，他們?cè)诹硪蛔鬯畯S――約克河污水廠進(jìn)行測(cè)試，將它的一個(gè)后置反硝化濾池改造成一個(gè)基于MBBR移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器工藝的PdN/A反應(yīng)系統(tǒng)。在他們看來(lái)，這算是第一個(gè)完成主流anammox菌氧化進(jìn)水氨氮的案例，并取得了成功的結(jié)果，因此HRSD計(jì)劃將此工藝技術(shù)納入即將在詹姆斯河污水廠(James River WWTP)開(kāi)展的脫氮除磷升級(jí)改造工程中。這次百萬(wàn)美元的研究項(xiàng)目就是要解決PdN/A工藝在設(shè)計(jì)和運(yùn)行方面剩下的一些未知問(wèn)題。

在此之前，DC Water和哥倫比亞大學(xué)的研究人員已經(jīng)對(duì)PdN/A和主流生物脫氮除磷的結(jié)合應(yīng)用進(jìn)行了考察，包括了前置和后置的缺氧區(qū)兩種設(shè)計(jì)理念。這個(gè)項(xiàng)目會(huì)將此前的設(shè)計(jì)理念快速放大到工程應(yīng)用的規(guī)模，并且會(huì)評(píng)估短程脫氮和生物除磷結(jié)合的可行性。

污水處理與藻華控制

美國(guó)環(huán)保署之所以愿意撥款進(jìn)行這次研究，是因?yàn)樗麄兛春眠@項(xiàng)技術(shù)更廣泛的應(yīng)用前景，他們期待在3年期限結(jié)束后，向美國(guó)其他有害藻華(HABs)地區(qū)以及其他州的污水處理廠進(jìn)行技術(shù)轉(zhuǎn)移。

因此這個(gè)項(xiàng)目有一個(gè)公用事業(yè)局的咨詢(xún)委員會(huì) (UAC)，聘請(qǐng)了8家公共事業(yè)局的技術(shù)代表，其中包括五大湖、中西部和佛羅里達(dá)州等地的單位。他們計(jì)劃優(yōu)化PdN/A的生物工藝模型，大幅降低處理成本，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的生物脫氮，最終減少HABs的產(chǎn)生，創(chuàng)造巨大的環(huán)境利益。

目前他們已經(jīng)有一些發(fā)表的論文成果，例如下邊這篇文章，他們發(fā)現(xiàn)改良碳氮比的過(guò)程還伴隨硝化反應(yīng)從生物膜轉(zhuǎn)移到懸浮液相中。這一個(gè)個(gè)的小發(fā)現(xiàn)都會(huì)幫助研究人員加深對(duì)PdN/A工藝關(guān)鍵控制和潛在機(jī)制的理解。

這個(gè)項(xiàng)目的概況就先介紹到此。

3年之后，我們能否如期看到第一個(gè)真正的主流厭氧氨氧化脫氮污水廠呢？一起靜靜等待吧。