主流厭氧氨氧化和200%能源自給？奧地利STRASS污水廠技術(shù)
采用傳統(tǒng)AB處理工藝的奧地利Strass污水廠，因在能源自給方面取得的成功而名聲大噪。早在20世紀(jì)90年代，Strass污水廠就開始關(guān)注如何能在滿足工廠運(yùn)行之外實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能。其合理性在于污水中蘊(yùn)含的能量遠(yuǎn)高于處理污水所需的能耗。典型的歐洲污水按人口當(dāng)量計(jì)算，理論上污水中蘊(yùn)含的能量為18W/person，而處理污水的能耗約為5-7W/person。
Strass污水廠始建于1988年，位于奧地利因斯布魯克市的StrassValley。后續(xù)經(jīng)過一系列的技術(shù)改造升級，其設(shè)計(jì)日處理規(guī)模為15萬人口當(dāng)量（60gBOD/PE），旅游高峰期時，日處理規(guī)�？蛇_(dá)25萬人口當(dāng)量，平均處理規(guī)模約為3萬立方米每天。Strass污水廠的總氮年去除率高于80%，出水TN的濃度小于5mg/L，NH4-N小于1.5mg/L，COD和BOD去除率大于90%。Strass污水廠在1996年已經(jīng)可以生產(chǎn)50%其運(yùn)行所需的能量；到2005年，工廠實(shí)現(xiàn)了能源自給和額外產(chǎn)能（108%能源自給率）。
有機(jī)質(zhì)產(chǎn)能利用最大化
Strass污水廠采取了一系列措施來實(shí)現(xiàn)能源自給，采用兩段生物系統(tǒng)的AB工藝就是其中之一。A段可以去除55%-65%的有機(jī)物負(fù)荷，污泥停留時間少于半天。B段的污泥停留時間約為10天，這樣可以去除80%的氮。在線的氨氮分析器控制著曝氣量和曝氣時間，并且如果需要，所有的活性污泥池都可以進(jìn)行有效曝氣。這種工藝可以保證有機(jī)質(zhì)最大程度地進(jìn)入污泥消化系統(tǒng)。Strass污水廠最終保證了污水中約35.4%的有機(jī)質(zhì)用于產(chǎn)生物沼氣。
▲COD負(fù)荷平衡圖（按每天每人口當(dāng)量COD120g計(jì)算）
DEMON厭氧氨氧化技術(shù)的應(yīng)用
（1）側(cè)流厭氧氨氧化
剩余污泥被濃縮，厭氧消化和脫水。通過這種方式產(chǎn)生的消化液和污泥脫水液通常都有很高的氮負(fù)荷。Strass污水廠的一個獨(dú)到之處在于其從2004年開始在測流中利用DEMON工藝去除氨氮。工藝還含有結(jié)合硝化和厭氧氨氧化過程的序批式反應(yīng)器（SBRs），在兩年半的時間內(nèi)，該工藝分三個階段被放大應(yīng)用。除了可以降低硝化反應(yīng)的能源需求，采用DEMON工藝的轉(zhuǎn)化過程能夠使大部分的進(jìn)水有機(jī)物負(fù)荷在消化器中被用于生成生物沼氣，而不是在反硝化作用中被消耗。并且和其前工藝相比，DEMON工藝的一大不同之處在于它不需要額外添加碳源。
▲側(cè)流厭氧氨氧化DEMON工藝運(yùn)行的氨氮負(fù)荷變化
從上圖可以看出，自2004年Strass污水廠引入側(cè)流DEMON技術(shù)后，無需再外加碳源即可進(jìn)行脫氮，脫氮的能耗也隨之降低近一半。自2016年初工廠還采用了最新的分離富集設(shè)備代替原先的旋流分離器，側(cè)流系統(tǒng)的氨氮負(fù)荷可提高至1.0KgN/m3/d以上，并穩(wěn)定運(yùn)行。
▲側(cè)流系統(tǒng)中采用的新型分離富集裝置
▲側(cè)流系統(tǒng)中的Anammox菌
值得一提的是，由于采用了新的分離裝置，側(cè)流DEMON可以在較高的氮負(fù)荷下穩(wěn)定運(yùn)行。Strass污水廠從周邊運(yùn)來垃圾滲濾液，直接投入側(cè)流系統(tǒng)中，不僅進(jìn)一步提高了氮負(fù)荷，同時為Strass帶來了新的收入來源。
（2）主流厭氧氨氧化
自2016年2月，污水廠主流DEMON系統(tǒng)也更新了Anammox富集分離設(shè)備。該設(shè)備專利權(quán)屬于美國的DCWater。此外，與主流DEMON系統(tǒng)配套的自控系統(tǒng)AvN也得到了應(yīng)用，AvN系統(tǒng)通過一系列的傳感器和控制系統(tǒng)，實(shí)時控制NH4-N和NOx-N的比例。此外，由于側(cè)流系統(tǒng)中Anammox菌的穩(wěn)定富集，在低溫和特殊運(yùn)行條件下，可以用于補(bǔ)給主流系統(tǒng)。這些綜合技術(shù)手段的有效運(yùn)用，有效保障了主流DEMON工藝的穩(wěn)定運(yùn)行。
▲主流厭氧氨氧化的污泥
▲AvN自控系統(tǒng)
另外，由于主流系統(tǒng)中Anammox菌及污泥的顆�；�，顯著提高了污泥的沉降性能。Strass廠原有的三個二沉池，在筆者參觀時，停用了其中一個。只需要兩個二沉池就能保障出水水質(zhì)。這是新型分離富集裝置使用后的額外效果。
（3）氮平衡
奧地利國家標(biāo)準(zhǔn)中要求污水廠的年總氮去除率需高于80%。Strass污水廠進(jìn)水總氮負(fù)荷為每人口當(dāng)量(PE)每天11gN（TN濃度約為55mg/L）。下圖為氮平衡圖。側(cè)流厭氧氨氧化去除約20%-25%的總氮，主流厭氧氨氧化去除約45%的氨氮，剩余20%排放（TN排放年均濃度小于5mg/L）。
能耗自給
Strass污水廠有兩個2500立方米的厭氧消化罐。在熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)單元中采用全新發(fā)動機(jī)可以提高使用效率和電機(jī)效率，這也是是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能的重要因素。新機(jī)組可以達(dá)到40%的天然氣-電能轉(zhuǎn)化率。一系列的工藝組合大大地提高了能源自給的比例。
為了能提高生物沼氣的發(fā)電量，Strass污水廠從2008年開始采取了共同消化的方式。下圖為2003-2009年工廠產(chǎn)能和耗能的情況，里面的數(shù)據(jù)顯示了產(chǎn)能和耗能之間的比例。當(dāng)產(chǎn)能大于耗能時（如2005年2月，啟動側(cè)流DEMON工藝后），污水處理廠達(dá)到了能源自給自足（108%）。
▲2003-2009年的耗能與產(chǎn)能變化趨勢
在2008年之后，通過外加有機(jī)質(zhì)，工廠的能源生產(chǎn)量超過了消耗量，實(shí)現(xiàn)了額外產(chǎn)能。如在2014年，Strass污水廠每日沼氣發(fā)電量約為14,120Kwh。目前，通過污水有機(jī)質(zhì)最大化利用、厭氧氨氧化DEMON以及共消化等一系列綜合技術(shù)手段，Strass污水廠已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了200%的能源自給率。
共消化的最優(yōu)化
由于后續(xù)污泥處置費(fèi)用相對較高，每噸脫水污泥（含水率30%計(jì)算）送去焚燒廠處理的費(fèi)用為75-80歐元。Strass污水廠在如何最優(yōu)化污泥與廚余共消化上做了很多細(xì)致的研究。一方面希望產(chǎn)沼氣最大化，一方面希望剩余污泥最小化。
實(shí)際的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，添加餐廚并不一定導(dǎo)致剩余污泥量增加。當(dāng)添加餐廚的量在10%（按有機(jī)負(fù)荷計(jì)算），產(chǎn)沼氣量提高了20%，但共消化后剩余污泥量不升反降，約為原來的92%。這點(diǎn)表明適當(dāng)?shù)奶砑訌N余，可有效促進(jìn)了污泥的消化。但繼續(xù)添加更多的廚余后，剩余污泥量會有相應(yīng)的增加。當(dāng)廚余增加到1/3，沼氣產(chǎn)率提高60%，側(cè)流系統(tǒng)中總氮負(fù)荷提高25%，而剩余污泥量只增加了16%。
Strass污水廠的成功不僅僅歸功于對技術(shù)的應(yīng)用。在項(xiàng)目設(shè)立之初，相關(guān)負(fù)責(zé)人就對最終的運(yùn)營有著嚴(yán)格和全面的規(guī)劃。此外，污水廠還和當(dāng)?shù)氐腁RRConsult技術(shù)咨詢公司，比利時因斯布魯克大學(xué)以及美國兩家水務(wù)公司DCWater和HRSD保持著緊密的合作關(guān)系。同時，處理廠擁有出色的專業(yè)工作團(tuán)隊(duì)，其員工不但能用自己領(lǐng)域的知識技能完成監(jiān)督維護(hù)的工作，還活躍在社會公共領(lǐng)域。
原標(biāo)題:奧地利STRASS污水廠的技術(shù)最新進(jìn)展：主流厭氧氨氧化和200%能源自給
