最近美國斯坦福大學Perry McCarty教授專門就這些問題在著名期刊《Environmental Science & Technology》上發(fā)表了題為《What is the Best Biological Process for Nitrogen Removal: When and Why?》的文章，并在2018年7月在由IWA國際水協(xié)會和PUB聯(lián)合舉辦的新加坡水周Water Convention上，受邀就該議題做了大會報告。在本期國際水協(xié)會的推送里，我們帶大家解讀這位污水處理界泰斗級教授的獨特見解。
談到污水脫氮，硝化/反硝化是最早的生物處理工藝，也是至今依舊最常用的脫氮工藝。后來出于社會對可持續(xù)性發(fā)展的考慮，尤其是降低能耗和化學品使用的需求，一些替代工藝應(yīng)運而生。其中包括SHARON工藝：氨氮僅被氧化成亞硝酸鹽，然后進行反硝化，這可能會降低反硝化對氧氣和有機碳的要求。此外，在20世紀90年代中期，人們發(fā)現(xiàn)了一種叫厭氧氨氧化的獨特細菌，在以亞硝酸鹽為電子受體的同時，在厭氧環(huán)境下將氨氮轉(zhuǎn)化為氮氣。
在這過程中，首先約50%的氨氮被常見的AOB菌氧化成亞硝酸鹽，然后在缺氧條件下厭氧氨氧化菌用亞硝酸鹽作為電子受體來氧化剩下的氨氮，生成氮氣。這工藝被稱為基于亞硝酸鹽的完全自養(yǎng)脫氮(Completely Autotrophic Nitrogen-removal Over Nitrite)，英文簡稱CANON。
基于anammox的CANON工藝除了提供跟硝化/反硝化和SHARON工藝類似的結(jié)果之外，它還有一個重要的優(yōu)勢。Third等人的研究顯示，與傳統(tǒng)脫氮工藝相比，CANON工藝可以節(jié)省63%的曝氣需求和100%的還原物。這也是CANON、Anammox工藝積極宣傳的賣點。但Glen Daigger教授等人的一篇著名綜述文章《Simultaneous Biological Nutrient Removal: A State-of-the-Art Review》中卻指出，如果氧化態(tài)的氮化物用于有機氧化的話，上述聲稱的優(yōu)點就不復(fù)存在。在通往未來污水處理廠的路上，我們需要搞清楚不同工藝的適用性和局限性，這樣才能因地制宜地確定最優(yōu)脫氮工藝，并找到正確的研究方向。
McCarty教授首先假設(shè)了一個典型的城市污水組分，對四類脫氮系統(tǒng)的物料平衡進行化學計量分析的比較（見下圖），并闡明每種工藝的優(yōu)缺點，如何更好地通過研究或替代方案來規(guī)避各自的局限。
系統(tǒng)A代表的是一系列的硝化/反硝化的傳統(tǒng)工藝，包括前置好氧有機氧化+硝化和后置缺氧反硝化。這里往往需要添加甲醇等碳源來為反硝化反應(yīng)提供電子供體。
系統(tǒng)B 代表正在探索中的主流厭氧氨氧化，COD的去除可以通過好氧和厭氧的方式去除。主流厭氧產(chǎn)甲烷和厭氧氨氧化工藝都尚未有工程化應(yīng)用案例，其潛在優(yōu)勢依然需要探索。
系統(tǒng)C和D代表的是常見的前置缺氧反硝化的主流生物脫氮工藝，通過將氧化態(tài)的氮化物回流到缺氧區(qū)來供給反硝化。系統(tǒng)D則還包含側(cè)流厭氧氨氧化工藝。
所涉及的生物工藝的物料平衡通過氧化還原半反應(yīng)和生物反應(yīng)化學計量獲得，不在此詳述。而分析中使用的典型城市污水的基礎(chǔ)假設(shè)見下表1。各工藝的處理效率是通過每個工藝的轉(zhuǎn)化率，例如初沉池和二沉池的懸浮固體和BOD去除情況來估算，而不使用過程動力學。另外他假設(shè)進水流量=4000m³/d，BOD=400mg/L。假設(shè)一級轉(zhuǎn)化率為0.23d-1，對應(yīng)的BOD5為273mg/L；TN=50mg / L，BOD / N比=8.0。
表1. 污水特征、生物反應(yīng)、微生物體生長速率參數(shù)和生物處理效率的基礎(chǔ)假設(shè)。注：A.生物質(zhì)的經(jīng)驗化學式是C5H7O2N； B.初沉池除去65％的VSS和35％的BOD；C.假定的VSS可生物降解部分為0.35*400/（0.65*1.42*200）= 75.8％；D.不同生物反應(yīng)的操作標準如下:
fs – 底物-細胞最大轉(zhuǎn)化率；fs-net – 該部分實際減少值(視乎SRT)；b-假設(shè)微生物死亡率
對比分析的主要考察點包括了總氮去除效率、出水氮濃度、脫氮和除碳的需氧量、剩余消化污泥的產(chǎn)量、甲烷產(chǎn)量、反硝化所需的碳源添加量。另外還有甲烷燃燒的能量和曝氣能耗的比值(兩者的單位能耗分別為9.92kWh/m³ (STP) 和1.00 kWh/kg)。下表2是通過初級池去除65％和100％的VSS兩種情況的計算結(jié)果。
表2. 65%和100%初沉懸浮固體去除率的結(jié)果對比
A、C和 D是硝化作用的結(jié)果（包括硝化和亞硝化），B系統(tǒng)是好氧和厭氧主流有機氧化和厭氧氨氧化結(jié)合的結(jié)果。BOD去除率都超過了98%，其計算值因此沒有列出。
結(jié)果顯示，在A系統(tǒng)里，前置硝化+后置反硝化是最不環(huán)保的，耗費大量的外加碳源、消耗最多的氧氣、產(chǎn)生最多的消化污泥。A1系統(tǒng)的唯一優(yōu)點是總氮去除率是最高的。盡管貌似更容易運行，高運行成本和高環(huán)境成本使A系統(tǒng)成為最不受歡迎的選擇。
A1和B1系統(tǒng)的對比也證明了anammox工藝常常聲稱的優(yōu)勢：無須外加碳源，總需氧量減少25-40%，消化污泥產(chǎn)量減少8-19%，但與這些優(yōu)勢相對的是其劣勢，包括甲烷產(chǎn)量的減少（6-13%）和TN去除率的降低。
最環(huán)保的是B2系統(tǒng)---主流厭氧去除有機物+厭氧氨氧化。需氧量只有B1的38-46%，消化污泥只有其65-74%，甲烷產(chǎn)量則是B/C/D各種系統(tǒng)的兩倍多。但另一方面，這工藝尚未在溫帶氣候條件下得到驗證，但看上去似乎也沒有什么不可逾越的障礙。
盡管厭氧工藝處理城市污水已經(jīng)在熱帶地區(qū)得到應(yīng)用，但BOD去除率一般只有60-80%，這需要后處理。厭氧MBR這種更高效的主流厭氧工藝正在中試探索階段，運行溫度甚至低至10℃。厭氧氨氧化工藝也在類似的實驗階段。更少的曝氣和污泥產(chǎn)量以及增加的甲烷產(chǎn)量應(yīng)該都會幫助降低運行成本，而用厭氧取代好氧工藝、以及MBR取代二沉池和后續(xù)過濾，都會大大減小系統(tǒng)的占地面積需求，繼而降低建造成本。但這兩個系統(tǒng)都需要進一步的優(yōu)化研究，來提高其可靠性和繼續(xù)降低成本。
厭氧膜生物工藝的其他一些問題還包括如何實現(xiàn)低能耗的膜污染控制、提高膜通量和對出水的溶解甲烷的管理。對于低進水COD（250mg/L）的情況下，溶解甲烷可能占了甲烷總產(chǎn)量的40-60%。進水COD的濃度和溫度越高的話，溶解的甲烷會更少。甲烷的溫室氣體強度是二氧化碳的25倍，因此有必要為溶解甲烷找到經(jīng)濟又低能耗的去除方案。畢竟甲烷的溶解性其實并不高，也有幾種可能的去除方法，但還需要確定哪一種最環(huán)境友好。
系統(tǒng)C 和D代表了現(xiàn)在最廣泛使用的脫氮工藝。其中C1和D1是常見的完全硝化（生成硝態(tài)氮），C2和D2則是生成亞硝態(tài)氮。這些系統(tǒng)的脫氮效率可以用回流率的函數(shù)來表示，回流率越高，去除效率越高。但是回流需要能耗，也將曝氣池的溶解氧帶回反硝化的缺氧區(qū)，減少了本可用于反硝化的COD。
南非開普敦大學George Ekama教授和Mark Wentzel 在經(jīng)典教科書《Biological Wastewater Treatment》的脫氮一章中曾經(jīng)對這些限制進行了討論，并建議最優(yōu)回流率為5，所以McCarty教授其文章里也采用了此數(shù)值。但Kartal等人在2010年的《Science》上則提出了另一種方法來減少與循環(huán)回流相關(guān)的能耗需求，也就是使用好氧/缺氧的SBR反應(yīng)器，這種方法容易形成顆粒污泥沉淀，這就是我們現(xiàn)在熟知的好氧顆粒污泥工藝，后者如今已有工程應(yīng)用。
https://iwaponline.com/ebooks/book/59
將B1和C、D的系統(tǒng)做比較的話，大家能看出主流厭氧氨氧化的好處并沒有相關(guān)文獻說得那么多。B1系統(tǒng)的曝氣量可以減少12-17%，但消化污泥、甲烷產(chǎn)量或者外加碳源上都沒有明顯的優(yōu)勢。雖然B1確實有更高的總氮去除率（93%），但它自身問題多多，例如anammox菌生長速率慢，對高亞硝酸鹽濃度和其他環(huán)境條件的敏感型等。它對DO控制要求也很高——氧氣少了，氨氮轉(zhuǎn)化成了限制因素，氧氣多了又會生成硝態(tài)氮影響最終去除效果。污水廠進水氨氮的日變化很大，很難恰如其分地調(diào)節(jié)氧氣傳遞率來適應(yīng)其變化。而現(xiàn)在有回流循環(huán)的硝化/反硝化工藝就沒有這個問題。
C和D系統(tǒng)的普通和強化沉淀去除VSS比較結(jié)果可以看出強化沉淀和側(cè)流厭氧氨氧化結(jié)合的潛在優(yōu)勢。如果將所有的VSS都轉(zhuǎn)去厭氧消化，曝氣量可以減少18-20%，消化污泥減量6-7%，甲烷產(chǎn)量增加28-30%。不過盡管側(cè)流anammox使總氮去除率提高5-6%，但與其他硝化工藝相比，污泥和甲烷產(chǎn)量以及曝氣量的變化不顯著。
表2中還有一點值得注意：與短程反硝化和厭氧氨氧化相關(guān)工藝的出水都含有亞硝酸鹽。亞硝酸鹽很不穩(wěn)定，會產(chǎn)生副產(chǎn)物一氧化二氮，一種極強的溫室氣體，所以使用這些工藝的時候，這部分因素要考慮在內(nèi)。
上述都是BOD/N值為8.0的分析結(jié)果。McCarty教授指出anammox在進水BOD/N低于這個值的時候優(yōu)勢才更為凸顯。但多低才算低呢？McCarty教授承認這個問題尚未有標準答案。Glen Daigger教授認為完全硝化的理論值為3.4-4.0，亞硝化則為2.0-2.5，anammox則為0.5。這些數(shù)值很有參考價值，但是污水成分和生物處理系統(tǒng)都非常復(fù)雜，例如具體應(yīng)該使用什么比例？側(cè)流anammox對此有何影響？另外，除了氨氮，污水往往還含有其他氮化物，尤其是有機氮，這些氮只有很少一部分可用于生物轉(zhuǎn)化，這些因素都增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度。
無機碳不影響A、B系統(tǒng)的脫氮，只對C和D系統(tǒng)有影響。為了檢驗這些系統(tǒng)的BOD/N極限值，進水TN維持在50mg/L，而進水BOD就一直調(diào)低直到系統(tǒng)受限為止。同時我們也假設(shè)VSS/BOD和有機氮/VSS的值分別維持在0.5和0.1的水平，這樣當BOD/N值表現(xiàn)的時候，氨態(tài)氮相應(yīng)增加。分析結(jié)果如下表所示。完全硝化的BOD/N比值高于亞硝化，但都比Glen Daigger教授的建議值高出50%，原因是在McCarty教授的計算里初沉池去除的有機物更多——初沉池去除的VSS越多，BOD/N最小值可以越大。若增加了側(cè)流anammox后，各工藝對應(yīng)的BOD/N值都有所降低。
McCarty教授認為：“從環(huán)保角度考慮，主流厭氧工藝+主流anammox是最佳選項。”但它目前還沒有完整的工程應(yīng)用案例，只是用厭氧MBR成功展示了厭氧除COD的中試研究。所以還需要進一步的研發(fā)來解決溶解甲烷、膜優(yōu)化和出水硫化氫等問題。所以就目前而言，雖然效率較差，但常見且可行的化學強化沉淀或者高速活性污泥是可以考慮的替代方案。這些系統(tǒng)如果還配上主流厭氧氨氧化，會變得更高效，雖然可靠的主流厭氧氨氧化工藝還沒得到全面驗證。
然后McCarty教授說進水BOD/N可以成為工藝選擇的重要參數(shù)，在這里，如果將側(cè)流anammox與完全硝化結(jié)合使用的話，BOD/N可低至6.0。如果比這還低，那么適合采用好氧除碳+主流anammox。
C和D系統(tǒng)的另一個重要優(yōu)點在于經(jīng)過改良可成功實現(xiàn)同步除磷。這是目前主流厭氧氨氧化還沒能做到的?；瘜W強化沉淀也可以達到除磷的目的。又或者通過改良四段式的Bardepho工藝，在初始硝化后添加反硝化和好氧反應(yīng)也可提高脫氮效率，而且比此處展示的值更高，還減少了回流率。
最后McCarty教授表示無論使用何種系統(tǒng)，生物脫氮都是一個能源密集型工藝過程。如果有機會的話，污水處理后用于農(nóng)業(yè)灌溉，并將氮保持在氨氮的形式是一個更好的選擇。美國加州的Monterey就是他一直推崇的理念，那里用富含氨氮的出水安全可靠地灌溉蔬菜。他說全球7%的天然氣用于生產(chǎn)氮料（1990年的數(shù)據(jù)）。現(xiàn)在污水廠花大力氣將進水的氨氮轉(zhuǎn)化為氮氣送回大氣似乎是很浪費資源的做法。他希望科研界最終找到能夠更好利用這種寶貴資源的方法。
參考資料
What is the Best Biological Process for Nitrogen Removal: When and Why? Perry L. McCarty, Environ. Sci. Technol. 2018, 52, 3835−3841
IWA微信已開通了原創(chuàng)保護功能，其他公眾號轉(zhuǎn)載不得修改其中的任何文字、圖片和排版，未經(jīng)授權(quán)不得擅自摘抄復(fù)制微信內(nèi)容
國際水協(xié)會（IWA）官網(wǎng) www.iwa-network.org
了解更多水行業(yè)前沿信息，敬請搜索關(guān)注國際水協(xié)會微信公眾號“IWA國際水協(xié)會”
也可長按下方二維碼，在彈出對話框中選擇“識別圖中二維碼”來關(guān)注我們。
Towards a Water Wise World
