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本月IWA微信公眾號(hào)曾向大家介紹過丹麥污水廠如何通過全面的運(yùn)行優(yōu)化措施實(shí)現(xiàn)了能量自給。2016年底，國際著名科學(xué)期刊《新科學(xué)家 (New Scientist)》報(bào)道了Aarhus將成為世界上第一個(gè)用污水處理回收的能量來給市民提供自來水供給服務(wù)的城市。該市的Marselisborg 污水廠目前的產(chǎn)能能力估計(jì)在自身所需能耗的192%-230%的水平，能滿足周邊20萬居民的供水能耗需求。據(jù)稱這是全球首個(gè)單從污水中回收能量實(shí)現(xiàn)能量盈余的案例：他們沒有在污水廠內(nèi)蓋光伏太陽能板，也沒有建風(fēng)力發(fā)電機(jī)或從添加餐廚垃圾協(xié)同消化，只是通過中溫厭氧消化技術(shù)，從污水中回收沼氣，再通過熱電聯(lián)產(chǎn)回收能量。
今天的推送我們將從另外一個(gè)角度帶大家走近Marselisborg 污水廠，了解他們?cè)谥髁鲄捬醢毖趸系膰L試和經(jīng)驗(yàn)。
圖1. Marselisborg污水處理廠鳥瞰圖 | 圖源：BACWA.org
Marselisborg污水廠的升級(jí)工作早在2010年就開始了，經(jīng)過多年的努力終于打造成了全球水務(wù)行業(yè)的新標(biāo)桿。其升級(jí)內(nèi)容包括了碳捕捉、厭氧氨氧化、ORC廢氣能量回收等工藝技術(shù)和更先進(jìn)的控制系統(tǒng)。2015年3月，他們安裝了DEMON的側(cè)流厭氧氨氧化反應(yīng)器，來處理厭氧消化的高氨氮出水。同時(shí)，他們將DEMON的剩余污泥富集到主流中，企圖實(shí)現(xiàn)一定程度的主流厭氧氨氧化，以進(jìn)一步降低處理能耗。
圖2. Marselisborg污水處理廠工藝流程圖 | 圖源：janeschipma.bloggersdelight.dk
這是一項(xiàng)開創(chuàng)性的長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)，時(shí)間超過3年，研究團(tuán)隊(duì)想解答兩個(gè)疑問：
在沒有旋流分離器的情況下，厭氧氨氧化菌能否在留在主流里；
從30-35°C的DEMON反應(yīng)器出來的厭氧氨氧化細(xì)菌能否適應(yīng)丹麥污水廠的主流溫度（7-20°C）并保持活性。
為了評(píng)估這次長(zhǎng)期研究的效果，他們?cè)?018年8月進(jìn)行了兩次采樣，通過同位素示蹤技術(shù)（15N原位標(biāo)記），在10、20、30°C三個(gè)不同溫度下，測(cè)量DEMON和主流活性污泥的anammox和反硝化率，主要考察內(nèi)容包括：
（a）計(jì)算厭氧氨氧化和反硝化反應(yīng)的溫度依賴性；
（b）評(píng)估厭氧氨氧化菌對(duì)主流潛在低溫的適應(yīng)性；
（c）鑒定各反應(yīng)器中的厭氧氨氧化和反硝化作用的相對(duì)重要性。
他們也想通過研究發(fā)現(xiàn)主流的厭氧氨氧化或反硝化作用是否會(huì)跟短程生物脫氮 （SBNR）相結(jié)合，例如DEMON工藝中的硝化-厭氧氨氧化反應(yīng)。所以他們也就主流的DO、氨氮、硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮進(jìn)行原位測(cè)量，分析氮轉(zhuǎn)化的情況。
研究結(jié)果
溫度依賴性顯著
如下圖1所示，厭氧氨氧化和反硝化反應(yīng)顯示了溫度依賴性，在30°C時(shí)反應(yīng)速率最高，而且溫度對(duì)anammox菌影響更明顯——10°C的速率和30°C的速率相差近10倍
圖3. 左側(cè)是DEMON，右側(cè)是硝化/反硝化池的速率對(duì)比（灰色TSS, 黑色是VSS）。其中Anammox的速率是15N標(biāo)記的15NH4-N生成的29N2-N來計(jì)算的；反硝化使用15NO2-N生成的30N2-N
主流的Anammox速率超低
結(jié)果顯示，厭氧氨氧化是DEMON反應(yīng)器中主要的異化脫氮路徑，而反硝化是硝化/反硝化池中的主要脫氮路徑。在30°C的DEMON里，厭氧氨氧化速率是反硝化的30倍，但在10°C的硝化/反硝化池里（丹麥非夏季溫度），反硝化速率是厭氧氨氧化的115倍，在20°C的情況下（丹麥夏季溫度），這差值更是升至173倍。因此在此研究里，Marselisborg污水廠主流脫氮里的anammox可以說是可以忽略不計(jì)的。
全硝化占優(yōu)勢(shì)
調(diào)查很大程度上排除了短程脫氮在該污水廠硝化/反硝化池存在的可能性。如下圖2所示，曝氣池里的氨氮大多氧化成硝態(tài)氮。他們認(rèn)為亞硝態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化非常之快，所以很難捕捉，而且此進(jìn)程可以在胞內(nèi)完成（例如通過可以一步硝化的comammox菌）。
圖4. 四種物質(zhì)在硝化/反硝化池的濃度的時(shí)間序列。左、右兩圖的水深分別為1.5m和3-4m；a/b/c分別指靠近、位于和遠(yuǎn)離曝氣區(qū)的情況。
圖5. 硝化/反硝化池不同深度的氨氮凈消耗速率和硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮的生成速率情況。a/b/c分別指靠近、位于和遠(yuǎn)離曝氣區(qū)的情況
結(jié)果討論
側(cè)流厭氧氨氧化已在Marselisborg污水廠成功實(shí)施。因此他們想借此順便測(cè)試主流厭氧氨氧化的可能性。之所以選擇直接連續(xù)式的進(jìn)料方式，是因?yàn)檫@樣可以充分利用已有的設(shè)施，無需對(duì)工藝和反應(yīng)池進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。盡管這次嘗試非常具有開創(chuàng)性，應(yīng)該是唯一一個(gè)在正常運(yùn)行的污水廠里將anammox菌引入主流線的長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)，但結(jié)果顯示主流線中的厭氧氨氧化的反應(yīng)速率只有反硝化的約1%。
研究團(tuán)隊(duì)在報(bào)告討論部分對(duì)這個(gè)結(jié)果進(jìn)行探討。他們認(rèn)為隨著這些細(xì)菌存在溫度依賴性，而且丹麥的氣溫偏低，這會(huì)影響厭氧氨氧化進(jìn)程對(duì)低溫的適應(yīng)，但他們覺得這些不是唯一的原因。他們認(rèn)為厭氧氨氧化菌的低豐度是乍眼看去一個(gè)信服的解釋——在側(cè)流DEMON里，旋流分離器幫助厭氧氨氧化顆粒的富集，其污泥顆粒比達(dá)22%。但在這次試驗(yàn)里，他們沒有在主流里做顆粒截留富集的措施，也沒有控制顆粒從DEMON到硝化/反硝化的轉(zhuǎn)移。
另外，Marselisborg污水廠的SRT為6-12天，作者認(rèn)為SRT不夠長(zhǎng)也可能影響了anammox菌的生長(zhǎng)。因此他們認(rèn)為可以嘗試通過延長(zhǎng)SRT來增加細(xì)菌的截留率，例如將SRT和HRT進(jìn)行分離，但這需要重新設(shè)計(jì)工藝，以及提高A段初始污泥的提取率，讓主流工藝變得更像DEMON，只是溫度更低，而C含量更高而已。他們提議的另一個(gè)可能就是安裝旋流分離器這樣的設(shè)備或者生物膜載體，因?yàn)橛邢嚓P(guān)文獻(xiàn)顯示了可行性。
然而，作者也指出，上述的猜測(cè)可能只是亞硝態(tài)氮濃度低的結(jié)果，所以后者才是更深層次的原因。這么一來，如何強(qiáng)化亞硝化反應(yīng)將成為關(guān)鍵，但這就需要為富集AOB菌和抑制NOB菌創(chuàng)造條件。丹麥天氣的限制因素決定了不能通過提高溫度來促進(jìn)AOB菌的生長(zhǎng)。但是他們認(rèn)為調(diào)節(jié)pH可能是一個(gè)可行途徑，因?yàn)镹OB菌生長(zhǎng)的最佳pH在7.2-7.6之間，而anammox不受低pH影響（6.7-8.3），因?yàn)閷H調(diào)至7.0左右來為AOB生長(zhǎng)創(chuàng)造優(yōu)勢(shì)。
小結(jié)
需要提醒的是，丹麥人這次主流厭氧氨氧化實(shí)驗(yàn)的結(jié)果并不能說明主流厭氧氨氧化行不通，畢竟它只解答了兩個(gè)疑問，而且有很多限制條件。雖然這次研究本身顯示的結(jié)果并不成功，但也為我們帶來寶貴的數(shù)據(jù)，同時(shí)也說明如果只是簡(jiǎn)單地引入anammox菌，不對(duì)主流工藝進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和控制的話，是不能順利實(shí)現(xiàn)主流厭氧氨氧化的。