新A-B工藝：市政污水處理從能源消耗到能源自給
目前，以活性污泥法為代表的傳統(tǒng)污水處理工藝仍是全球市政污水廠的主流技術(shù)。這些傳統(tǒng)工藝的核心在于通過生物好氧氧化將污染物去除，然而在污染治理的同時(shí)會(huì)帶來高能耗、高剩余污泥產(chǎn)量等問題。據(jù)估算，市政污水處理單位能耗約為0.47 kWh/m3，已成為國民經(jīng)濟(jì)能耗中不可忽略的一環(huán)。例如，在美國用于污水處理的電能已達(dá)國家年總能耗的3%。另一方面，市政污水廠雖然已通過污泥厭氧消化等進(jìn)行能源回收，但效率普遍偏低。例如，新加坡Jurong污水再生廠能源效率為35%，而北京高碑店污水處理廠能源效率僅為31%。另一方面，傳統(tǒng)活性污泥法每去除1g COD將產(chǎn)生0.3-0.5g 的污泥，因此在污水處理過程中會(huì)產(chǎn)生大量剩余污泥。據(jù)報(bào)道，2017-2018年中國、歐盟和美國的污泥產(chǎn)量已達(dá)5,500、4,400和3,800萬噸，如何妥善處置如此巨量的剩余污泥已愈發(fā)棘手。因此，亟需新的工藝?yán)砟钜龑?dǎo)新技術(shù)的研發(fā)以解決市政污水廠能源效率低、剩余污泥產(chǎn)量大的難題。
事實(shí)上，市政污水中的有機(jī)物富含大量化學(xué)能，據(jù)估算其潛在化學(xué)能可達(dá)傳統(tǒng)活性污泥法所需能耗的5倍之多。這表明市政污水處理具有能源自給的潛能，而實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵在于將傳統(tǒng)污水處理中“有機(jī)物生物好氧氧化并生成為剩余污泥”的理念轉(zhuǎn)變?yōu)?ldquo;將有機(jī)物直接用于產(chǎn)能回收”，其優(yōu)勢在于（1）增強(qiáng)能源回收；（2）降低因曝氣而產(chǎn)生的能耗；（3）減少剩余污泥產(chǎn)生。因此，本團(tuán)隊(duì)提出了新A-B工藝的理念以實(shí)現(xiàn)市政污水處理廠的高能源回收效率和環(huán)境可持續(xù)性發(fā)展。具體來說，此工藝中的A段將市政污水中的COD回收并直接用于甲烷生產(chǎn)以實(shí)現(xiàn)能源回收，而B段采用生物法、物化法等對(duì)營養(yǎng)物進(jìn)行低耗高效的去除及回收（圖1）。以下將從兩個(gè)具體的新A-B工藝（A-2B工藝和厭氧耦合單級(jí)主流厭氧氨氧化工藝）來闡述該理念下研發(fā)技術(shù)的可行性和先進(jìn)性。
在本團(tuán)隊(duì)研發(fā)的A-2B工藝(圖2示)中，A段采用厭氧固定床生物膜反應(yīng)器（AFBR）直接處理市政污水同步實(shí)現(xiàn)COD去除和甲烷生產(chǎn)，且污泥產(chǎn)量大幅降低。在B段，采用兩段式主流厭氧氨氧化工藝，B1段采用序批式反應(yīng)器（SBR）通過短程硝化（PN）將氨氮氧化為亞硝氮，B2段采用移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器（MBBR）實(shí)現(xiàn)厭氧氨氧化（anammox）。
運(yùn)行結(jié)果顯示，A段AFBR可將進(jìn)水COD從384 mg/L降至29 mg/L，而產(chǎn)泥僅為0.06 g/g CODremoved，為傳統(tǒng)活性污泥工藝產(chǎn)泥率（約0.4 g/g CODremoved）的15%。甲烷產(chǎn)率為0.27 L/g CODremoved。B1段的SBR以分步進(jìn)水、缺氧/好氧交替的模式運(yùn)行，將進(jìn)水氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝氮，并穩(wěn)定在15 mg NO2--N/L左右，而硝態(tài)氮一直處于較低的水平，這表明該運(yùn)行模式可有效地抑制亞硝酸鹽氧化菌（NOB），保證穩(wěn)定的短程硝化。經(jīng)Bypass 1的原水?dāng)y帶的COD可作為短程反硝化的碳源。B2段的MBBR進(jìn)水為含亞硝鹽的B1段SBR出水及含氨氮的厭氧出水， NO2--N/NH4+-N濃度比可保持在1.1左右，有助于實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的厭氧氨氧化脫氮。經(jīng)MBBR處理后氨氮出水濃度低于2 mg N/L，亞硝氮低于1 mg N/L。氮的物料平衡顯示，A-2B工藝的總氮去除達(dá)87%。
基于上述A-2B工藝，本團(tuán)隊(duì)將時(shí)間維度的連續(xù)缺氧/好氧交替轉(zhuǎn)換到空間維度，將厭氧氨氧化置于缺氧段，研發(fā)了單級(jí)主流厭氧氨氧化工藝并與厭氧工藝耦合。如圖3所示，分段式進(jìn)水反應(yīng)器間隔設(shè)置缺氧/好氧交替單元，原水經(jīng)厭氧反應(yīng)器（UAFBR）處理后以連續(xù)流模式分段進(jìn)入A1-A4缺氧池中。厭氧氨氧化菌固定于生物填料上并持留在缺氧池中，而懸浮污泥可在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)。
運(yùn)行結(jié)果顯示，原水中78.8%的COD經(jīng)厭氧處理后可直接轉(zhuǎn)化為甲烷，污泥產(chǎn)量與上述A-2B工藝相當(dāng)（0.05 g/g CODremoval），出水COD/N比僅為0.44。啟動(dòng)10天后，總氮去除即達(dá)60%。氮的物料平衡顯示，在系統(tǒng)穩(wěn)定后，氨氮去除率可高達(dá)96%。在好氧池O1-O4中，氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝氮的效率在64.3%到84.8%之間，表明該反應(yīng)器和操作模式可有效抑制NOB。經(jīng)衡算，在缺氧池中厭氧氨氧化對(duì)總氮去除的貢獻(xiàn)高達(dá)87%。
能源自給和環(huán)境可持續(xù)性發(fā)展是未來市政污水處理的必然趨勢。建立在新A-B工藝?yán)砟钌像詈衔鬯幚砑夹g(shù)具有較高的工程和經(jīng)濟(jì)可行性，將大力助推市政污水處理的能源自給和環(huán)境可持續(xù)性發(fā)展。
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它，
不僅僅是一個(gè)碼
顧俊，博士，南洋理工大學(xué)研究員。
2018年畢業(yè)于新加坡南洋理工大學(xué)獲博士學(xué)位。主要研究領(lǐng)域?yàn)槲磥砩钗鬯幚淼哪茉醋越o，涵蓋水資源和能源回收以及營養(yǎng)物的去除與回收。在Water Research、Journal of Cleaner Production等國際期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文10余篇。
聯(lián)系方式：gujun@ntu.edu.sg
