迈向主流厌氧氨氧化– 荷兰Dokhaven污水厂中试的经验总结

在过去十多年里，厌氧氨氧化工艺已被证实可以在相对温暖的温度条件下处理高浓度氨氮废水（30-35℃，>1000 NH4-N/L）。同时，世界各地的污水厂和研究机构也在探索将该工艺应用于低温低氨氮浓度市政污水处理的可能性。

荷兰是最早开始主流厌氧氨氧化的国家之一。为研究低成本低温主流厌氧氨氧化技术的可行性，早在2012年，他们就在荷兰鹿特丹的Dokhaven污水厂进行了小试，并得到初步验证。2013-2016年，在欧盟Life+的资助下，荷兰水应用研究基金会STOWA、水处理公司Paques和荷兰水委会Waterschap Hollandse Delta联合开展了一个名为CENIRELTA的中试示范项目。该项目的名称为低温厌氧氨氧化菌的低成本污水脱氮处理（Cost-Effective Nitrogen Removal from wastewater by Low-Temperature Anammox），CENIRELTA是其英文缩写。

图1. 荷兰主流厌氧氨氧化中试研究的主要参与方

Dokhaven污水厂概况

AB法是在欧洲的常用工艺之一，A段用于去除BOD，B段用于硝化，出水的硝态氮通过回流到A段实现反硝化。Dokhaven地下污水厂位于鹿特丹市中心新马斯河畔（NieuwMaas），距离中心火车站只有4公里，其采用的就是AB法工艺。主流段产生的污泥输送到600米外的Sluisjesdijk污泥处理厂进行厌氧消化，生成的沼气用于热电联产（CHP），消化液采用了Paques公司的SHARON+ANAMMOX工艺进行自养脱氮。污水厂的处理能力约为560,000人口当量，A段HRT 1小时, SRT0.3天，B段HRT3小时,SRT 7天，通过化学方法除磷（FeCl3）。

图2. Dokhaven污水厂地上部分的景观 | 图源：STOWA

尽管该污水厂一直对脱氮工艺进行优化，它甚至被认为是世界首个侧流Anammox的工程应用案例。但由于自身的限制（包括AB的回流特性），总氮去除率一直在60%左右徘徊，出水总氮的年平均值为15-20mg/L，高于荷兰标准10mg/L。水委会Hollandse Delta的内部评估显示，由于该污水厂的空间限制（地下式污水厂），传统的技术无法满足日后的出水标准。在这样的背景之下，污水厂选择了主流厌氧氨氧化作为重点的考察对象。

主流脱氮原理

厌氧氨氧化的进程主要分为两大步。第一步是部分亚硝化(Partial Nitritation)，在这步中只有大约55%的氨氮需要转化为亚硝态氮；第二步是厌氧氨氧化(Anammox)，氨氮在厌氧条件下，被亚硝态氮作为电子受体，氧化成氮气。因此它又被称作PN/A工艺。

在这过程中，约89%的无机氮转化成氮气，剩下11%转化为硝态氮。与传统硝化反硝化工艺相比，Anammox工艺有许多技术优势，包括：

  • 曝气能耗只需传统工艺的55-60%，而且可以回收更多的沼气或者生产生物塑料；

  • PN/A工艺的本质是生物膜，这大大提高了单位处理能力；

  • 几乎无需碳源，若要去除硝酸盐才需投加碳源，而且投加量与传统工艺相比也降低90%；

  • 可以减少45%碱度使用量；

  • 污泥产量也远低于传统脱氮工艺，显著降低剩余污泥的处理成本。

图3. 厌氧氨氧化的反应原理图 | 图源：STOWA

市政污水的氨氮浓度约为15-50mg/L，水温为8-25℃。面对这样的条件，anammox菌的活性一般会下降。在主流污水处理系统中为anammox菌创造合适的生存条件是目前需要解决的挑战，包括了anammox和AOB菌的富集，以及NOB菌的抑制等。这也是他们在Dokhaven污水厂的中试要研究的内容。

运行简介

CENIRELTA项目组在Dokhaven污水厂里搭建了一个4m³的中式反应器，进料是该污水厂的A段出水。这套反应系统的关键在于那些所谓的颗粒活性污泥，它们里边富含AOB菌和Anammox菌，两者共同作用实现污水脱氮。这种平行对照的方式可以更好地和现有工艺作对比。整个系统总运行时间为3年半。工艺流程和参数设置参考下图和下表1。

图4. 主流anammox工艺流程图

表1. 不同时期的工艺参数概况

结果评估

在三年半的运行时间里，反应器一共经历了4种不同的进水情况和温度。稳定运行期间，在夏天的温度下(23.2 ± 1.3°C)，总氮去除率为0.223 ± 0.029 kg-N/(m³·d)，冬天温度条件下(13.4 ± 1.1°C)则为 0.097 ± 0.016 kg-N/(m³·d)。颗粒污泥平均尺寸为1.2± 0.4 mm. 硝态氮的平均浓度为1.1 ± 1.0 mgNO2-N/L。

图5. 温度对总氮去除率的影响：A为第三阶段，B为第四阶段，平均BOD/N分别为1.2±0.4和2.5±1.8

中试的第三和第四阶段的温度都曾降至15℃以下，其中第三阶段是冬季自然温度的下降，第四阶段是人为的降温。如上图5所示，在第三阶段，温度的自然下降没有造成负面影响；而在第四阶段却有负面趋势。下图6则显示了DO对氨氮转化的影响，在高DO值的情况下，反应器完全硝化了，而在低DO的时候，anammox又重新活跃起来。这说明AOB活性是反应的限制因素，主要受DO影响。

图6. DO对氨氮转化的影响. 蓝线是DO 变化曲线，橙色是进水氨氮，灰色是出水氨氮，黄色是出水硝态氮

FISH荧光原位杂交分析显示颗粒核心（图7-A左下角）由anammox菌组成，然后是一层AOB菌，最外层的细菌他们猜测是一些异养菌。图7-B则显示NOB藏在一些AOB菌的内层。FISH分析的另一个发现就是异养菌的SRT和自养菌是分开的。

图7.荧光原位杂交分析结果

讨论

三年半的运行显示，CENIRELTA在脱氮、能耗和成本上都显示了优势，他们总结了一下经验：

1. 调节NH4:DO比可以成功抑制NOB菌

这主要通过控制DO值来实现。生物膜的一般模拟显示AOB偏向长在颗粒的外部，而NOB菌会在更深层。该研究的FISH分析结果显示与模拟吻合。这意味着NOB比AOB更难获得接触氧气的机会，因此也反过来说明DO是抑制NOB的更快速的相应参数。

2. 反应器的设计

这次中试的反应器设计选择了完全混合池加连续气体搅拌的模式。这种设计的优点在于其简易性，但不利于对出水水质的优化。所以他们建议在日后的全尺寸应用中选择推流式或者序批式的反应器。

因为PN/A工艺的进水底物浓度，而氨氮转化率到，所以HRT一般都很低（几小时），但在冬天，SRT需要保持足够长来留住自养菌（100天）以保持80%的脱氮率。要实现一个较低的HRT/SRT比，需要有效地从出水中分离出颗粒污泥。例如旋流分离器和斜板沉淀池都有过报道的截留方式，但在大规模应用的效果仍有待考证。

3. BOD的影响

这里主要指A段出水水质的干扰性。这也是团队在这次中试中得到的最大教训。他们发现A段的BOD大多被异养菌消耗。这些异养菌大多长在颗粒污泥的最外层，影响了传质作用，限制了AOB对氧气的获取，并可能最终改变生物膜的分层，增加了抑制NOB的难度。

A段的不稳定性往往与天气状况（雨天）有关。因为研究团队认为雨污分离是保证主流厌氧氨氧化得以实现的一大前提。还有一种解决方法是采用推流失的反应器设计——当进水BOD增大时，可以增加前端曝气量消耗BOD。另外，低温其实对A段的BOD去除效果影响更大，他们建议引入膜、格栅或者沙滤来截留BOD。无论如何，A段的优化是主流厌氧氨氧化成功的关键所在。

展望与结论

CENIRELTA在三年半的中试结果显示：目前低温主流厌氧氨氧化无法展示出长期运行足够的稳定性，因此研究团队在短期不会将该工艺技术应用到Dokhaven污水厂。尚待进一步研究的问题包括如何降低A段出水水质的干扰，鉴定异养菌种的影响，以及反应器的设计等。

荷兰Paques公司仍计划在未来几年在其欧洲以外的地区继续该技术的研发工作。在获得更多经验之后，他们希望能重回欧洲开展新的项目，因为目前主流厌氧氨氧化似乎在温暖地区更容易实现，而且进水也最好不要受到强烈降雨的影响（稀释），因此一些雨污分流的地区是理想的选择。

参考资料

Towards mainstream anammox: lessons learned from pilot-scale research at WWTP Dokhaven, Maaike Hoekstra, Stefan P. Geilvoet, Tim L. G. Hendrickx, Charlotte S. van Erp Taalman Kip, Robbert Kleerebezem & Mark C. M. van Loosdrecht (2018) , Environmental Technology,

DOI: 10.1080/09593330.2018.1470204

国际水协会（IWA）官网 www.iwa-network.org

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