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早在2008年，荷蘭應(yīng)用水研究基金會(STOWA)就提出了未來污水廠的新概念——NEWs。NEWs是Nutrient(營養(yǎng)物)+Energy(能量)+Water(水) factories的縮寫，旨在打造回收營養(yǎng)物、能源和再生水的新一代污水廠，實(shí)現(xiàn)污水處理廠的可持續(xù)發(fā)展。STOWA還制定了2030污水處理路線圖，目標(biāo)是讓荷蘭污水廠在2030年前以NEWs為框架完成升級改造。荷蘭各地的水委會因地制宜，按此計(jì)劃探索適合旗下污水廠的改造方案。
　　
　　圖1.截至2019年2月荷蘭污水能量工廠的分布圖 | 圖源：EEGF
　　荷蘭De Dommel水委會負(fù)責(zé)荷蘭東南部8座污水廠的運(yùn)營，人口當(dāng)量達(dá)150萬(1人口當(dāng)量相當(dāng)于150g COD)。他們也對STOWA的NEWs方針積極響應(yīng)：2017年10月，蒂爾堡再生水和資源回收工廠(Tilburg WRRF)在蒂爾堡污水廠正式投產(chǎn)運(yùn)營。De Dommel水委會運(yùn)營的8座污水廠的污泥都集中到這里來進(jìn)行處理，包括初始污泥和剩余污泥。項(xiàng)目初衷是要降低污泥處理的運(yùn)營成本，盡可能地回收沼氣和磷。這個項(xiàng)目主要有四部分組成：
　　污泥熱水解設(shè)備– Cambi THP, 165°C，29500 噸干污泥/年
　　厭氧消化– 3個4400m3反應(yīng)器，25500噸干污泥/年
　　污泥脫水設(shè)備– 離心脫水
　　側(cè)流處理線– Phospaq+Anammox，1850kgNH4-N/天 &240kg P/天
　　升級改造項(xiàng)目在2017年底全面投產(chǎn)運(yùn)行。所謂的側(cè)流處理是對污泥脫水后產(chǎn)生的廢液做進(jìn)一步處置。熱水解+中溫厭氧消化后會產(chǎn)生污泥，這些污泥經(jīng)脫水后的廢液會回流進(jìn)入污水廠的主流處理線。這些回流液是否對主流線的微生物有抑制作用？這是當(dāng)時運(yùn)行團(tuán)隊(duì)不確定的一個點(diǎn)。為了降低回流液的氨氮負(fù)荷，運(yùn)行團(tuán)隊(duì)增加了側(cè)流處理線來使回流總氮負(fù)荷低于450kgTN/天。他們對側(cè)流處理線進(jìn)行長達(dá)22個月的觀察研究，研究結(jié)果發(fā)表在IWA期刊《Water Practice & Technology》上。
　　側(cè)流處理方法
　　如下圖所示，側(cè)流處理線位于廠區(qū)的中間位置，由一個500m3的PHOSPAQ鳥糞石反應(yīng)器和1100m3的Anammox厭氧氨氧化反應(yīng)器組成。這套結(jié)合了PHOSPAQ和Anammox工藝的最早案例是荷蘭的Olburgen污水廠，建于2006年，用于處理其中溫厭氧消化產(chǎn)生的消化液和工業(yè)廢水。該方案由Waterstromen公司設(shè)計(jì)運(yùn)營。
　　
　　圖2. Tilburg污水廠鳥瞰圖及測流處理線在Tilburg污水廠的位置圖
　　PHOSPAQ是荷蘭Paques公司開發(fā)的技術(shù)，概括地說它是一個可以同時去除BOD和磷的曝氣系統(tǒng)。通過收集產(chǎn)生的磷酸銨鎂沉淀(鳥糞石)實(shí)現(xiàn)磷回收。曝氣過程在使鳥糞石晶體懸浮的同時，也氧化了BOD。系統(tǒng)選用中粗孔的曝氣器，目的是實(shí)現(xiàn)最大程度的攪拌，但又將結(jié)垢程度最小化。反應(yīng)器底部的鳥糞石先采用旋流器進(jìn)行分離，再用螺桿壓濾機(jī)脫水，然后裝入鳥糞石容器中。如果BOD過載，Phospaq反應(yīng)器可充當(dāng)調(diào)峰裝置，減輕對下游工藝的不利影響。目前一共有11個PHOSPAQ反應(yīng)器案例，總處理量為4940 kg P/天。
　　
　　圖3. Anammox和PHOSPAQ反應(yīng)器外觀
　　這套系統(tǒng)中的Anammox反應(yīng)器采用的是單階部分亞硝化/厭氧氨氧化顆粒污泥工藝，由于反應(yīng)器內(nèi)設(shè)有內(nèi)部截留區(qū)，所以anammox顆粒不會輕易流失，確保系統(tǒng)可以在很高的MLSS下運(yùn)行。
　　消化污泥脫水后的廢液的微量營養(yǎng)素是足夠的，但在熱水解工藝產(chǎn)生的富里酸和胡敏酸類有機(jī)質(zhì)往往會和金屬離子鍵合，這會降低微量元素的生物利用率。為了確保最佳的生物活性和顆粒污泥的生長，將微量營養(yǎng)素（痕量金屬）添加到Anammox反應(yīng)器中。
　　下圖是整個側(cè)流系統(tǒng)的工藝流程圖，所謂的濃縮廢水(centrate)由兩部分組成，其中80%是經(jīng)過污泥經(jīng)熱水解+厭氧消化+脫水后的廢液，剩下20%是熱水解前的廢液。設(shè)計(jì)允許加入稀釋進(jìn)水，目的是減輕因熱水解和中溫硝化生成的抑制物產(chǎn)生的抑制作用。這些稀釋用水在進(jìn)入反應(yīng)器之前會先被加熱，熱源來自熱水解的熱交換器。側(cè)流系統(tǒng)的運(yùn)行溫度在30-35°C之間，平均為32°C。穩(wěn)定狀態(tài)下，anammox反應(yīng)器的pH值為6.8±0.2。
　　
　　圖4. Tilburg側(cè)流處理線工藝流程圖
　　結(jié)果討論
　　在啟動階段，他們遇到了不少運(yùn)行問題，例如固體和COD過載，脫水聚合物過量、泡沫和管道結(jié)垢等。在一些極端條件下，進(jìn)水濃縮液的TSS可高達(dá)5g/L。通過對污泥離心機(jī)和脫水聚合物的優(yōu)化，TSS負(fù)荷下調(diào)回1g/L以下，而且大多是膠體性質(zhì)的細(xì)小顆粒。
　　泡沫問題，一般與固體和聚合物過多有關(guān)。通過優(yōu)化脫水運(yùn)行條件、調(diào)整聚合物類型以及投加抑泡劑，泡沫過多的問題得以解決。由于側(cè)流處理區(qū)和污泥脫水區(qū)有一定距離（>100m），輸送管道出現(xiàn)結(jié)垢現(xiàn)象，添加抑泡劑解決了這個問題。
　　濃縮液的日進(jìn)水量在200-1200m3/天之間，最初的稀釋比是1:1，而在試驗(yàn)最后8個月，稀釋比已經(jīng)降為1:0.5，而且沒有發(fā)現(xiàn)明顯的抑制作用。
　　下圖5和6是側(cè)流廢液的COD、BOD5、氨氮和磷酸的濃度。隨著熱水解工藝處理能力的穩(wěn)定提升，我們可以看到這四個參數(shù)的數(shù)值也在逐步增加。到了第300天，THP工藝需要關(guān)停維護(hù)，在300-400天這段低負(fù)荷時期，這四個參數(shù)也相應(yīng)減少。隨后在THP增加了污泥負(fù)荷之后，這些參數(shù)又恢復(fù)到和之前的水平。
　　
　　圖5. BOD5和總COD的濃度
　　
　　圖6. 脫水廢液的氨氮和磷酸濃度
　　在熱水解設(shè)備正常運(yùn)行時，進(jìn)入側(cè)流的COD負(fù)荷為4000-5000kg/天，而處理后的COD為1500-2100 kg/天。但BOD的去除效果很好，盡管進(jìn)水的BOD5波動很大（200-1000kg/天，最高達(dá)1910kg/天），但出水的BOD5值能維持在100kg/天以內(nèi)。正如上述提到的，很大一部分是在PHOSPAQ反應(yīng)器里去除的。
　　至于磷回收表現(xiàn)，則低于預(yù)期。主要原因是進(jìn)水的磷酸濃度低。直到第500天，進(jìn)水磷酸濃度還只有43mg/L，相當(dāng)于40kg/天的負(fù)荷，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值240kg/天。到了第550天之后在逐漸上升到100-120kg/天的水平。他們找到的其中一個原因是厭氧消化器里的氯化鐵(FeCl3)。在反應(yīng)器里，這些三價鐵還原成二價鐵，然后會跟磷酸一氫根離子反應(yīng)生成藍(lán)鐵礦（vivianite - Fe3(PO4)2·8(H2O)）。他們從消化器去除的沉積物的主要成分也是藍(lán)鐵礦。當(dāng)然，還有一個原因就是污水廠主流處理線用化學(xué)方法除磷了，這意味著大部分磷轉(zhuǎn)移到污泥中了。
　　Anammox反應(yīng)器的接種污泥來自幾個不同的厭氧氨氧化反應(yīng)器的污泥顆粒。它們用于處理工業(yè)廢水和污泥脫水廢液。如下圖所示，這些接種污泥的粒徑和顏色有所區(qū)別。但在150天運(yùn)行之后，反應(yīng)器開始形成新的污泥，并最終穩(wěn)定在2-4mm的大小，外觀如下圖最右側(cè)的小圖所示。
　　
　　圖7. 三種用于接種的顆粒污泥和經(jīng)過1年運(yùn)行后形成的anammox顆粒污泥
　　對于脫氮表現(xiàn)，研究團(tuán)隊(duì)考察了兩個指標(biāo)，一個是氨氮去除率，一個是出水的氨氮濃度。氨氮去除率在熱水解設(shè)備維護(hù)期前后的都能維持在85%的水平，而出水的氨氮濃度一直為之在140mg/L的水平，這意味著回流到主流的氨氮負(fù)荷在150-250kg/天，遠(yuǎn)低于400kg/天的閾值目標(biāo)。
　　
　　圖8. 側(cè)流進(jìn)水和出水的氨氮負(fù)荷
　　
　　圖9.側(cè)流進(jìn)水和出水的氨氮濃度
　　其實(shí)在第一年的運(yùn)行期間，氨氮的去除率并不理想。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)原因是進(jìn)水的堿度不夠。厭氧氨氧化反應(yīng)會生成氫離子，pH會下降。進(jìn)水中的堿度能充當(dāng)緩沖作用，“吸收”這些氫離子，確保pH的穩(wěn)定。理論計(jì)算顯示，每去除一份氨氮，會產(chǎn)生1.1份氫離子，但第一年堿度/氨氮比值只有0.65，這說明堿度不夠。他們還發(fā)現(xiàn)投加到消化器的氯化鐵，不僅降低了側(cè)流進(jìn)水的磷酸濃度，也是導(dǎo)致堿度不足的主要原因。考慮到出水的氨氮負(fù)荷已經(jīng)滿足目標(biāo)要求，De Dommel水委會因此決定停止投加氯化鐵來改善堿度。這決定使得在第400天之后，氨氮的去除率升至超過90%。有趣的是，如下圖10所示，他們發(fā)現(xiàn)在目前的氨氮負(fù)荷范圍內(nèi)，進(jìn)水氨氮的增加并不會影響出水的濃度和去除率，但進(jìn)水濃度和去除率呈正相關(guān)。
　　
　　圖10.氨氮負(fù)荷和去除率的相關(guān)性
　　最后他們考察了硝態(tài)氮的濃度。目前的理論認(rèn)為anammox反應(yīng)會產(chǎn)生10%的硝態(tài)氮，超過這個值說明亞硝酸氧化菌(NOB)活躍。在整個實(shí)驗(yàn)階段，出水硝酸鹽的濃度平均值僅為42mg/L，NH4-NO3轉(zhuǎn)化率只有在啟動階段超過10%（12%），隨后很快維持在低于5%的水平，這說明NOB菌得到有效抑制。
　　小結(jié)
　　加入熱水解的厭氧消化雖然能提高沼氣產(chǎn)率，但也會帶來一些的潛在問題，例如其副產(chǎn)物對后續(xù)處理的抑制作用。為期22個月的研究結(jié)果顯示，PHOSPAQ-ANAMMOX工藝處理消化污泥脫水產(chǎn)生的廢液的可行性。研究過程中發(fā)現(xiàn)的問題和解決措施對其他側(cè)流厭氧氨氧化系統(tǒng)很有參考價值。更重要的是，這套綜合系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行有望助力DeDommel水委會在2025前實(shí)現(xiàn)污水廠能量中和的目標(biāo)。