本月IWA微信公眾號曾向大家介紹過丹麥污水廠如何通過全面的運行優(yōu)化措施實現(xiàn)了能量自給。2016年底，國際著名科學期刊《新科學家 (New Scientist)》報道了Aarhus將成為世界上第一個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)稱這是全球首個單從污水中回收能量實現(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，也沒有建風力發(fā)電機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角度帶大家走近Marselisborg 污水廠，了解他們在主流厭氧氨氧化上的嘗試和經(jīng)驗。
　　
　　圖1. Marselisborg污水處理廠鳥瞰圖 | 圖源：BACWA.org
　　Marselisborg污水廠的升級工作早在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)的新標桿。其升級內(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，他們將DEMON的剩余污泥富集到主流中，企圖實現(xiàn)一定程度的主流厭氧氨氧化，以進一步降低處理能耗。
　　
　　圖2. Marselisborg污水處理廠工藝流程圖 | 圖源：janeschipma.bloggersdelight.dk
　　這是一項開創(chuàng)性的長期實驗，時間超過3年，研究團隊想解答兩個疑問：
　　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。
　　為了評估這次長期研究的效果，他們在2018年8月進行了兩次采樣，通過同位素示蹤技術(shù)（15N原位標記），在10、20、30°C三個不同溫度下，測量DEMON和主流活性污泥的anammox和反硝化率，主要考察內(nèi)容包括：
　?。╝）計算厭氧氨氧化和反硝化反應(yīng)的溫度依賴性；
　?。╞）評估厭氧氨氧化菌對主流潛在低溫的適應(yīng)性；
　?。╟）鑒定各反應(yīng)器中的厭氧氨氧化和反硝化作用的相對重要性。
　　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)氮進行原位測量，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時反應(yīng)速率最高，而且溫度對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/反硝化池的速率對比（灰色TSS, 黑色是VSS）。其中Anammox的速率是15N標記的15NH4-N生成的29N2-N來計算的；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的。
　　全硝化占優(yōu)勢
　　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污水廠成功實施。因此他們想借此順便測試主流厭氧氨氧化的可能性。之所以選擇直接連續(xù)式的進料方式，是因為這樣可以充分利用已有的設(shè)施，無需對工藝和反應(yīng)池進行重新設(shè)計。盡管這次嘗試非常具有開創(chuàng)性，應(yīng)該是唯一一個在正常運行的污水廠里將anammox菌引入主流線的長期實驗，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%。
　　研究團隊在報告討論部分對這個結(jié)果進行探討。他們認為隨著這些細菌存在溫度依賴性，而且丹麥的氣溫偏低，這會影響厭氧氨氧化進程對低溫的適應(yīng)，但他們覺得這些不是唯一的原因。他們認為厭氧氨氧化菌的低豐度是乍眼看去一個信服的解釋——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22%。但在這次試驗里，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，作者認為SRT不夠長也可能影響了anammox菌的生長。因此他們認為可以嘗試通過延長SRT來增加細菌的截留率，例如將SRT和HRT進行分離，但這需要重新設(shè)計工藝，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，因為有相關(guān)文獻顯示了可行性。
　　然而，作者也指出，上述的猜測可能只是亞硝態(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AOB菌的生長。但是他們認為調(diào)節(jié)pH可能是一個可行途徑，因為NOB菌生長的最佳pH在7.2-7.6之間，而anammox不受低pH影響（6.7-8.3），因為將pH調(diào)至7.0左右來為AOB生長創(chuàng)造優(yōu)勢。
　　小結(jié)
　　需要提醒的是，丹麥人這次主流厭氧氨氧化實驗的結(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)，同時也說明如果只是簡單地引入anammox菌，不對主流工藝進行重新設(shè)計和控制的話，是不能順利實現(xiàn)主流厭氧氨氧化的。