DC Water在主流脱氮工艺上的发现与思考--2018 IWA营养物去除与回收大会掠影
在IWA国际水协会2018年举办的营养物（氮和磷）去除与回收大会（IWA Nutrient Removal and Recovery Conference 2018）上，美国华盛顿水司(DC Water)研究项目经理Haydée De Clippeleir博士作为主旨发言嘉宾，分享了DC Water在主流脱氮工艺上的发现和思考。
DC Water运行着全球最大的深度污水处理厂——Blue Plains，日均处理量为140万吨，占地910亩。随着出水水质要求不断严格（TN<3.74mg/L，TP<0.18mg/L），污水厂体量不断增大以及深度处理生化段投加碳源成本的增加，Blue Plains污水厂面临着升级改造的巨大压力。Blue Plains污水厂（图1）已经建成世界上最大的侧流式厌氧氨氧化工艺（DEMON®），设计处理能力为每天2百万加仑（约7,700立方），设计氨氮负荷为10,000kgN/d，已于2017年9月投入试运行。厌氧消化液和压滤机的滤后液混合后进入DEMON®侧流式厌氧氨氧化系统，有效降低主流程中的总氮负荷。目前主流脱氮仍然是传统硝化反硝化工艺。侧流DEMON®工艺的启动（图2）是由第一个反应池接种Anammox（菌种来自奥地利Strass污水厂和荷兰Niewasser污水厂）和AOB（来自主流工艺的硝化反应池），待第一个DEMON®反应池的Anammox逐渐生长起来后，再接种到第二个DEMON®反应池，以此类推，直至5个反应池接种完毕。截至2018年7月，侧流氨氮去除率约85%-90%，氨氮负荷超过5,000 kg N/d。厌氧氨氧化是目前业界普遍认同的经济高效的污水处理技术，且PNA技术一直是多年来传统的研究重点，已实现在高氨氮工业废水中的工程化应用。侧流厌氧氨氧化“容易做”大家都知道，那么主流呢？Haydée博士通过“Potholes(凹坑)”和“Detours(迂回)”形象地展示了通往主流短程脱氮的两种不同路径和思考方式。首先是“凹坑”路线，字面意思就是这条道路或许很短，但是充满了挑战。要想实现主流PNA，最大挑战就是：（1）AOB和厌氧氨氧化菌在系统内的富集与截留（SRT分离）；以及（2）NOB的抑制和淘汰（避免与厌氧氨氧化菌竞争NO2）。由于主流进水氨氮浓度以及温度都较侧流低，且厌氧氨氧化菌生长缓慢，因此需要更长的SRT来保证系统内营养物质的去除。如果能将厌氧氨氧化菌截留在系统内，与其他微生物的SRT得以分离，则很大程度上“无限”延长了厌氧氨氧化菌的SRT。Haydée博士在报告中提到可以利用水力悬液分离器（Hydrocyclone）或者筛网（screen）实现厌氧氨氧化菌的富集和分离。AOB的生长与截留可以（1）从侧流向主流工艺中补充强化AOB；（2）通过颗粒污泥（Paques ANAMMOX®）或者生物膜附着生长（Veolia ANITATMMox）的方式，使厌氧氨氧化菌附着于载体填料的最内层，而AOB附着在外层。如图3所示，颗粒污泥（左上）以及基于MBBR的生物膜系统（右上）是单SRT系统，而以DEMON®工艺为代表的SBR系统（左下）和IFAS系统（右下）可以实现SRT的分离——DEMON®工艺通过外置选择器分离富集厌氧氨氧化菌；IFAS通过外置沉淀池回流污泥实现SRT的分离。针对NOB的抑制，Haydée博士提到了以下几方面的调控手段，并总结了不同调控策略对AOB、NOB以及厌氧氨氧化菌的影响（图4）：A. 出水氨氮浓度控制：在底物浓度较低时，NOB的生长速率要高于AOB的生长速率；维持出水氨氮浓度在2mg/L以上有助于AOB的生长速率超过NOB；B. DO调控：AOB对氧的半饱和系数高于NOB。当DO浓度高于1mg/L时明显对抑制NOB非常有效；C. 减少NOB亚硝酸盐的可用性：（1）增大厌氧生物膜的体量（例如增加度生物膜载体的比表面积）（2）间歇曝气，瞬时缺氧；D. SRT调控：当系统温度较高时，通过严格调控污泥停留时间可以有效将NOB从系统中淘汰；但是研究表明，当温度低于17℃时，NOB的生长速率开始超过AOB的生长速率，单一的 SRT调控手段很难抑制NOB的生长，必须配合其他的调控方式来实现目的。图4 不同调控策略对AOB、NOB以及厌氧氨氧化菌的影响
除了上述理论调控策略以外，Haydée博士还分享了通过AvN（NH4+ vs.NOx-）调控的相关经验。AvN是一项污水处理过程控制及优化的专利技术（图5），具有极大的灵活性。主要特点包括（1）涵盖了NOB抑制调控手段的因素；（2）平衡氨氮的氧化和氮氧化物的还原（主要是NO2- 和NO3-）。可以实现：（1）在给定的碳源条件下高效脱氮；（2）优化曝气；（3） 合理的碱度管理。
美国汉普顿路卫生局（HRSD）管辖的Boat Harbor污水厂最先于2015年夏实施AvN调控体系。该污水处理厂的占地面积十分有限，日处理量为94,600m3/d。AvN调控技术的应用使得该污水处理厂在无需扩建构筑物的基础上，能够达到出水总氮10mg/L 的排放标准，并同时减少了碱度的投加。由此可见，主流PNA虽好，但是需要控制的因素很多，对于实际工程应用挑战很大。因此，Haydée博士又从另一角度提出了可能的路径——“迂回”路线。如果抑制NOB那么麻烦的话，那干脆就不要抑制好了，反正反硝化过程中也会产生NO2- ，再耦合厌氧氨氧化作用实现脱氮作用。这种基于短程反硝化（Partial denitrification,简称“PdN”）耦合厌氧氨氧化（Anammox）作用的过程就被称之为PdA（=PdN+Anammox） (图7)。根据文献，控制短程反硝化（PdN）的主要因素有：COD/N，SRT，碱度，碳源等。DC Water的实验数据表明，在不同的碳氮比条件下，如果保持反应池内的NO3-浓度大于2mgN/L，那么短程反硝化率将会维持在90%及以上。因此，出水NO3- 是控制PdN路径的主要因素。其实早在1996 年就提出了相关的机理：当NO3-浓度受限时才会有大量的电子传递给Cytochrome C（细胞色素还原酶），从而实现亚硝酸盐还原为氮气的过程。DC Water也测试了不同的碳源（甲醇、乙酸、丙三醇）对PdN路径的影响，并总结了不同的机理过程。
因此，根据获得实验数据，DC Water也提出了PdN路径的调控策略：（1）保持反应池中出水NO3->2mg/L可以实现80%以上的PdN；（2）直接控制外源COD投加量，而非控制COD/N。DCWater目前正在进行主流厌氧氨氧化的中试，反应池总体积为360L，前200L主要通过AvN调控实现出水氨氮和硝酸盐氮的设定比（此过程含部分PNA），后160L主要进行PdN过程，为保证出水，最后会有少量完全反硝化作用（Full Denitrification, FDN）。
DC Water还对两条路径做了工艺性能和经济效益（图12）的比较。PdN耦合厌氧氨氧化相较于PNA在经济成本（能耗和药剂）上会有所增加，但是从过程调控层面来说，要更容易实现。
短程反硝化（PdN）虽然不是新内容，但是耦合厌氧氨氧化（PdA） 却是污水主流脱氮工艺可以 考虑的新途径，在长期运行过程相较于PNA 也更加稳定，具有很大的应用前景和研究价值。
