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――美國環(huán)保署EPA撥款，資助開(kāi)展一項關(guān)于主流厭氧氨氧化工藝的研究。

2023年實(shí)現主流厭氧氨氧化？

脫氮除磷是污水處理的重要環(huán)節。目前的脫氮技術(shù)包括了三種方法，其中最傳統的方法當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)。

傳統的硝化/反硝化雖然是一個(gè)較為穩定的工藝技術(shù)，但是成本卻相對較高，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有主流的硝化/反硝化脫氮工藝，將大大減少污水廠(chǎng)的運行成本。

過(guò)去十多年的研究，世界各地的科研團隊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，美國環(huán)保署EPA給美國水研究基金會(huì )(WRF)、哥倫比亞大學(xué)、華盛頓水司(DC Water)、弗吉尼亞州的HRSD衛生局(Hampton Roads Sanitation Department)、喬治華盛頓大學(xué)、西北大學(xué)的聯(lián)合團隊撥款999670美元，目標是在污水主流線(xiàn)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？因為這個(gè)聯(lián)合團隊稱(chēng)有一種新策略，它能更好地實(shí)現主流厭氧氨氧化。在過(guò)去，為了確保脫氮系統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)合團隊將選擇部分反硝化的方法來(lái)為脫氮系統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呢？請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化成氮氣之外，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道，但這些系統出水的總無(wú)機氮 (TIN)都無(wú)法做到低于5mg/L。主流厭氧氨氧化要實(shí)現工程化，必須滿(mǎn)足各地的出水標準，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(chǎng)的原因之一。

由于這些剩余的總無(wú)機氮主要為硝酸，如何去除這些硝態(tài)氮呢？聯(lián)合團隊想到了這么一個(gè)辦法：他們根據化學(xué)計量的數據，投加合適的外加碳源，將硝酸鹽轉化為亞硝態(tài)氮，然后再結合等量的剩余氨氮，通過(guò)anammox菌將兩者轉化成氮氣。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。

技術(shù)難點(diǎn)

他們把這項工藝稱(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(zhù)。但從經(jīng)濟角度考慮，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的技術(shù)細節之一。

試驗地點(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(chǎng)、美國華盛頓的Blue Plains污水廠(chǎng)和HRSD公共衛生局運營(yíng)的Chesapeake-Elizabeth污水處理廠(chǎng)進(jìn)行測試，其效果也得到了初步驗證。

到了2019年，他們在另一座污水廠(chǎng)――約克河污水廠(chǎng)進(jìn)行測試，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)床生物膜反應器工藝的PdN/A反應系統。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，并取得了成功的結果，因此HRSD計劃將此工藝技術(shù)納入即將在詹姆斯河污水廠(chǎng)(James River WWTP)開(kāi)展的脫氮除磷升級改造工程中。這次百萬(wàn)美元的研究項目就是要解決PdN/A工藝在設計和運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PdN/A和主流生物脫氮除磷的結合應用進(jìn)行了考察，包括了前置和后置的缺氧區兩種設計理念。這個(gè)項目會(huì )將此前的設計理念快速放大到工程應用的規模，并且會(huì )評估短程脫氮和生物除磷結合的可行性。

污水處理與藻華控制

美國環(huán)保署之所以愿意撥款進(jìn)行這次研究，是因為他們看好這項技術(shù)更廣泛的應用前景，他們期待在3年期限結束后，向美國其他有害藻華(HABs)地區以及其他州的污水處理廠(chǎng)進(jìn)行技術(shù)轉移。

因此這個(gè)項目有一個(gè)公用事業(yè)局的咨詢(xún)委員會(huì ) (UAC)，聘請了8家公共事業(yè)局的技術(shù)代表，其中包括五大湖、中西部和佛羅里達州等地的單位。他們計劃優(yōu)化PdN/A的生物工藝模型，大幅降低處理成本，實(shí)現可持續發(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)現改良碳氮比的過(guò)程還伴隨硝化反應從生物膜轉移到懸浮液相中。這一個(gè)個(gè)的小發(fā)現都會(huì )幫助研究人員加深對PdN/A工藝關(guān)鍵控制和潛在機制的理解。

這個(gè)項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(chǎng)呢？一起靜靜等待吧。