新A-B工藝：市政污水處理從能源消耗到能源自給 原創(chuàng)： 顧俊 環(huán)境縱橫 8月22日 “能源自給是市政污水處理的熱點和難點，新A-B工藝的理念可為市政污水處理廠的能源自給和環(huán)境可持續(xù)性發(fā)展帶來新的機遇。

事實上，市政污水中的有機物富含大量化學(xué)能，據(jù)估算其潛在化學(xué)能可達傳統(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，而實現(xiàn)這一目標的關(guān)鍵在于將傳統(tǒng)污水處理中“有機物生物好氧氧化并生成為剩余污泥”的理念轉(zhuǎn)變?yōu)?ldquo;將有機物直接用于產(chǎn)能回收”，其優(yōu)勢在于（1）增強能源回收；（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，本團隊提出了新A-B工藝的理念以實現(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)以實現(xiàn)能源回收，而B段采用生物法、物化法等對營養(yǎng)物進行低耗高效的去除及回收（圖1）。以下將從兩個具體的新A-B工藝（A-2B工藝和厭氧耦合單級主流厭氧氨氧化工藝）來闡述該理念下研發(fā)技術(shù)的可行性和先進性。

在本團隊研發(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段采用移動床生物膜反應(yīng)器（MBBR）實現(xiàn)厭氧氨氧化（anammox）。

運行結(jié)果顯示，A段AFBR可將進水COD從384 mg/L降至29 mg/L，而產(chǎn)泥僅為0.06 g/g COD_removed，為傳統(tǒng)活性污泥工藝產(chǎn)泥率（約0.4 g/g COD_removed）的15%。甲烷產(chǎn)率為0.27 L/g COD_removed。B1段的SBR以分步進水、缺氧/好氧交替的模式運行，將進水氨氮轉(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的原水攜帶的COD可作為短程反硝化的碳源。B2段的MBBR進水為含亞硝鹽的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87%。

基于上述A-2B工藝，本團隊將時間維度的連續(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)。

圖3 厭氧耦合單級主流厭氧氨氧化工藝示意圖

（來源：Gu et al., 2019）

運行結(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（0.05 g/g COD_removal），出水COD/N比僅為0.44。啟動10天后，總氮去除即達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總氮去除的貢獻高達87%。

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能耗分析

 

 

對厭氧耦合單級主流厭氧氨氧化工藝的能耗分析表明大部分有機物經(jīng)厭氧處理后直接轉(zhuǎn)化為甲烷，從而使污泥產(chǎn)量大幅降低，因而污泥處置所需能耗顯著降低（表1）。除此之外，與傳統(tǒng)污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)能工藝相比，污水直接厭氧處理可將能源回收效率提高一倍以上。由于COD經(jīng)厭氧去除，而氮經(jīng)短程硝化-厭氧氨氧化去除，曝氣能耗由0.23 kWh/m³顯著降至0.03 kWh/m³。總體而言，本團隊研發(fā)的厭氧耦合單級主流厭氧氨氧化工藝有望改變污水廠能耗高、剩余污泥多的現(xiàn)狀，達到市政污水處理的能源自給，甚至實現(xiàn)能源輸出。

表1 傳統(tǒng)活性污泥工藝與A-B工藝能耗對比分析

a: 數(shù)據(jù)來源：Cao YS, 2011. Mass Flow and Energy Efficiency of Municipal Wastewater Treatment Plants. IWA Publishing.

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未來展望

 

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工藝理念上耦合污水處理技術(shù)具有較高的工程和經(jīng)濟可行性，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。

 

參考文獻：

• Junfeng Wan, Jun Gu, Qian Zhao, and Yu Liu, (2016). COD capture: a feasible option towards energy self-sufficient domestic wastewater treatment. Scientific Reports 6, 25054.

• Jun Gu, Qin Yang, and Yu Liu, (2018). Mainstream anammox in a novel A-2B process for energy-efficient municipal wastewater treatment with minimized sludge production. Water Research 138, 1-6.

• Jun Gu, Meng Zhang, Siyu Wang, and Yu Liu, (2019). Integrated upflow anaerobic fixed-bed and single-stage step-feed process for mainstream deammonification: A step further towards sustainable municipal wastewater reclamation. Science of the Total Environment 678, 559-564.

• Xiaoyuan Zhang, Meng Zhang, Hang Liu, Jun Gu, and Yu Liu. (2019) Environmental sustainability: a pressing challenge to biological sewage treatment processes. Current Opinion in Environmental Science & Health 12, 1-5

 

END

 

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不僅僅是一個碼

 

 

作者簡介

 

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)域為未來生活污水處理的能源自給，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