澳大利亞昆士蘭大學(xué)袁志國(guó)院士團(tuán)隊(duì)最近在Water Research上發(fā)表了該團(tuán)隊(duì)用游離亞硝酸增強(qiáng)厭氧污泥發(fā)酵的最新研究成果：

1. 游離亞硝酸（FNA）對(duì)剩余污泥進(jìn)行預(yù)處理可以使厭氧污泥消化池HRT降低至7.5天。

2. 和對(duì)照組污泥厭氧消化反應(yīng)器（HRT＝15天）比，污泥厭氧消化系統(tǒng)在較低HRT（12天和7.5天）條件下仍能取得更高的VS去除率和甲烷產(chǎn)率（>30%）；

3. 由于氨釋放量增加，F(xiàn)NA預(yù)處理并未引起厭氧消化池酸化。

這一研究為污泥厭氧消化池升級(jí)改造開辟了一條新途徑，尤其是對(duì)于用地緊張地區(qū)。 

剩余活性污泥（WAS）是污水生物處理工藝的主要副產(chǎn)物，其處理處置過程會(huì)極大地增加污水處理廠的處理成本。厭氧消化（AD）工藝，由于其相對(duì)較高且低成本的揮發(fā)性固體（VS）去除率，已被廣泛應(yīng)用于剩余污泥穩(wěn)定化處理。然而，剩余污泥較難以被水解，常常是厭氧消化過程的限速步驟。為了達(dá)到滿意的VS去除率和沼氣產(chǎn)率，污泥厭氧消化過程通常需要約15至20天，甚至更長(zhǎng)的水力停留時(shí)間（HRT）。因此，如何強(qiáng)化污泥水解、縮短HRT成為厭氧消化工藝應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵因素。

圖1. FNA預(yù)處理技術(shù)提高污泥厭氧消化概念圖(Lodomat工藝)

昆士蘭大學(xué)高級(jí)水管理中心（AWMC）袁志國(guó)院士團(tuán)隊(duì)自2010年以來，在游離亞硝酸（FNA，ppm水平）污泥預(yù)處理提高厭氧消化方面開展了系統(tǒng)性的研究。該技術(shù)利用側(cè)流污水對(duì)進(jìn)入?yún)捬醴磻?yīng)器的剩余污泥進(jìn)行預(yù)處理，促進(jìn)污泥的水解，以增強(qiáng)厭氧消化的效果（圖1技術(shù)概念圖）。在前期連續(xù)流厭氧生物反應(yīng)器（HRT=15d）對(duì)比試驗(yàn)中（連續(xù)運(yùn)行超過半年），采用濃度為1.8 mgN/L FNA預(yù)處理（NO2-N = 250 mg/L, pH = 5.5, T =25 oC）的污泥厭氧消化系統(tǒng)的VS去除率和污泥脫水性相比對(duì)照系統(tǒng)，分別改善了17%和14%（Wei et al., 2018）。

基于上述背景，AWMC團(tuán)隊(duì)最新研究驗(yàn)證了FNA預(yù)處理技術(shù)改善污泥水解及降低污泥厭氧消化工藝HRT的可行性。這項(xiàng)研究成果將為現(xiàn)有污水廠污泥厭氧消化系統(tǒng)的升級(jí)改造提供一條新途徑，尤其是用地緊張地區(qū)。

采用兩套連續(xù)流厭氧污泥消化池（對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組）處理取于實(shí)際污水處理廠的濃縮剩余活性污泥，兩套系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行6個(gè)月，期間分為3個(gè)階段。實(shí)驗(yàn)組在第二，第三段采用濃度為6.1 mgN/L的FNA（NO2-N = 250 mg/L, pH = 5.0, T =25 oC）對(duì)污泥預(yù)處理24h，3個(gè)運(yùn)行階段HRT分別為15d、12d和7.5d。通過測(cè)定VS去除率、甲烷產(chǎn)率、氨氮釋放、pH、堿度、脫水性等指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)兩套系統(tǒng)的處理性能�？紤]到剩余活性污泥厭氧消化通常需要15-20d，對(duì)照組在3個(gè)階段則保持固定的HRT=15d。

如下圖所示，與對(duì)照組相比，經(jīng)FNA預(yù)處理的實(shí)驗(yàn)組在第2階段和第3階段VS去除率分別改善了39%和30%。與此相應(yīng)，實(shí)驗(yàn)組在第2階段和第3階段甲烷產(chǎn)率（單位進(jìn)泥產(chǎn)甲烷量）增加了31-35%，而產(chǎn)甲烷速率（單位時(shí)間產(chǎn)甲烷量）分別增加了64%和165%。產(chǎn)甲烷速率的大幅增加是由負(fù)荷增加和甲烷產(chǎn)率增加的疊加造成的。

圖2. 兩個(gè)厭氧反應(yīng)器三個(gè)階段內(nèi)VS去除率和甲烷產(chǎn)率。第一階段為基線段（實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組AD反應(yīng)器運(yùn)行條件相同，即無FNA預(yù)處理）

在第2階段初期，由于降低HRT和FNA預(yù)處理的協(xié)同作用導(dǎo)致了短暫的過負(fù)荷，此過程對(duì)產(chǎn)甲烷菌活性產(chǎn)生了一定的影響，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了VFA的累積（圖3B），經(jīng)過約2周左右產(chǎn)甲烷菌逐步恢復(fù)活性，實(shí)驗(yàn)組反應(yīng)器的VFA累積也逐步消失并最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。在第3階段再度降低HRT至7.5d時(shí)，產(chǎn)甲烷菌僅經(jīng)過5天過渡期就達(dá)到了穩(wěn)定的高效產(chǎn)甲烷活性（圖2B），此時(shí)，VFA濃度有所增加（圖3B），說明經(jīng)過FNA預(yù)處理后顯著改善了污泥水解酸化效率，污泥水解已不是厭氧消化過程的限速步驟，F(xiàn)NA預(yù)處理作用得到充分顯現(xiàn)。

第3階段VFA積累并未引起AD反應(yīng)器的酸化。實(shí)際上，實(shí)驗(yàn)組反應(yīng)器pH（7.29±0.01）高于對(duì)照組反應(yīng)器pH（7.25±0.01）。這主要是因?yàn)槎�氨氮濃度在�?階段和第3階段均明顯高于對(duì)照組（圖3A），其穩(wěn)定階段分別增加了47%和38%。氨氮濃度的增加對(duì)于實(shí)驗(yàn)組厭氧反應(yīng)器的穩(wěn)定運(yùn)行起到了重要的輔助作用。

圖3. 兩個(gè)厭氧反應(yīng)器三個(gè)階段內(nèi)氨氮和tVFA濃度變化

綜上所述，本研究表明與未經(jīng)FNA預(yù)處理的對(duì)照組相比，經(jīng)FNA預(yù)處理的污泥厭氧消化池可以在HRT下降50%的情況下取得更高的VS去除率和甲烷產(chǎn)率（>30%）。這項(xiàng)研究給目前由于用地緊張而處于瓶頸期的污泥厭氧消化池升級(jí)改造打開了新的一扇窗。目前，課題組正在進(jìn)行中試研究，我們期待進(jìn)一步的中試項(xiàng)目試驗(yàn)結(jié)果。

參考資料

Zhang, L., Duan, H., Ye, L., Liu, L.,Batstone, D. J., Yuan, Z. (2018) Increasing capacity of an anaerobic sludgedigester through FNA pre-treatment of thickened waste activated sludge,  WaterResearch, https://doi.org/10.1016/j.watres.2018.11.008

Wei W., Wang, Q., Zhang,L., Laloo, A., Duan, H., Batstone, D. J. and Yuan, Z. (2018) Free nitrous acidpre-treatment of waste activated sludge enhances volatile solids destructionand improves sludge dewaterability in continuous anaerobic digestion. WaterResearch, 130: 13-19.