Lodomat工藝: FNA游離亞硝酸增強厭氧消化工程化應用獲新進展
澳大利亞昆士蘭大學袁志國院士團隊最近在Water Research上發表了該團隊用游離亞硝酸增強厭氧污泥發酵的最新研究成果：
1. 游離亞硝酸（FNA）對剩余污泥進行預處理可以使厭氧污泥消化池HRT降低至7.5天。
2. 和對照組污泥厭氧消化反應器（HRT＝15天）比，污泥厭氧消化系統在較低HRT（12天和7.5天）條件下仍能取得更高的VS去除率和甲烷產率（>30%）；
3. 由于氨釋放量增加，FNA預處理并未引起厭氧消化池酸化。
這一研究為污泥厭氧消化池升級改造開辟了一條新途徑，尤其是對于用地緊張地區。
剩余活性污泥（WAS）是污水生物處理工藝的主要副產物，其處理處置過程會極大地增加污水處理廠的處理成本。厭氧消化（AD）工藝，由于其相對較高且低成本的揮發性固體（VS）去除率，已被廣泛應用于剩余污泥穩定化處理。然而，剩余污泥較難以被水解，常常是厭氧消化過程的限速步驟。為了達到滿意的VS去除率和沼氣產率，污泥厭氧消化過程通常需要約15至20天，甚至更長的水力停留時間（HRT）。因此，如何強化污泥水解、縮短HRT成為厭氧消化工藝應用的一個關鍵因素。
圖1. FNA預處理技術提高污泥厭氧消化概念圖(Lodomat工藝)
昆士蘭大學高級水管理中心（AWMC）袁志國院士團隊自2010年以來，在游離亞硝酸（FNA，ppm水平）污泥預處理提高厭氧消化方面開展了系統性的研究。該技術利用側流污水對進入厭氧反應器的剩余污泥進行預處理，促進污泥的水解，以增強厭氧消化的效果（圖1技術概念圖）。在前期連續流厭氧生物反應器（HRT=15d）對比試驗中（連續運行超過半年），采用濃度為1.8 mgN/L FNA預處理（NO2-N = 250 mg/L, pH = 5.5, T =25 oC）的污泥厭氧消化系統的VS去除率和污泥脫水性相比對照系統，分別改善了17%和14%（Wei et al., 2018）。
基于上述背景，AWMC團隊最新研究驗證了FNA預處理技術改善污泥水解及降低污泥厭氧消化工藝HRT的可行性。這項研究成果將為現有污水廠污泥厭氧消化系統的升級改造提供一條新途徑，尤其是用地緊張地區。
采用兩套連續流厭氧污泥消化池（對照組和實驗組）處理取于實際污水處理廠的濃縮剩余活性污泥，兩套系統連續運行6個月，期間分為3個階段。實驗組在第二，第三段采用濃度為6.1 mgN/L的FNA（NO2-N = 250 mg/L, pH = 5.0, T =25 oC）對污泥預處理24h，3個運行階段HRT分別為15d、12d和7.5d。通過測定VS去除率、甲烷產率、氨氮釋放、pH、堿度、脫水性等指標綜合評價兩套系統的處理性能�？紤]到剩余活性污泥厭氧消化通常需要15-20d，對照組在3個階段則保持固定的HRT=15d。
如下圖所示，與對照組相比，經FNA預處理的實驗組在第2階段和第3階段VS去除率分別改善了39%和30%。與此相應，實驗組在第2階段和第3階段甲烷產率（單位進泥產甲烷量）增加了31-35%，而產甲烷速率（單位時間產甲烷量）分別增加了64%和165%。產甲烷速率的大幅增加是由負荷增加和甲烷產率增加的疊加造成的。
圖2. 兩個厭氧反應器三個階段內VS去除率和甲烷產率。第一階段為基線段（實驗組和對照組AD反應器運行條件相同，即無FNA預處理）
在第2階段初期，由于降低HRT和FNA預處理的協同作用導致了短暫的過負荷，此過程對產甲烷菌活性產生了一定的影響，同時也發現了VFA的累積（圖3B），經過約2周左右產甲烷菌逐步恢復活性，實驗組反應器的VFA累積也逐步消失并最終達到穩定狀態。在第3階段再度降低HRT至7.5d時，產甲烷菌僅經過5天過渡期就達到了穩定的高效產甲烷活性（圖2B），此時，VFA濃度有所增加（圖3B），說明經過FNA預處理后顯著改善了污泥水解酸化效率，污泥水解已不是厭氧消化過程的限速步驟，FNA預處理作用得到充分顯現。
第3階段VFA積累并未引起AD反應器的酸化。實際上，實驗組反應器pH（7.29±0.01）高于對照組反應器pH（7.25±0.01）。這主要是因為而氨氮濃度在第2階段和第3階段均明顯高于對照組（圖3A），其穩定階段分別增加了47%和38%。氨氮濃度的增加對于實驗組厭氧反應器的穩定運行起到了重要的輔助作用。
圖3. 兩個厭氧反應器三個階段內氨氮和tVFA濃度變化
綜上所述，本研究表明與未經FNA預處理的對照組相比，經FNA預處理的污泥厭氧消化池可以在HRT下降50%的情況下取得更高的VS去除率和甲烷產率（>30%）。這項研究給目前由于用地緊張而處于瓶頸期的污泥厭氧消化池升級改造打開了新的一扇窗。目前，課題組正在進行中試研究，我們期待進一步的中試項目試驗結果。
參考資料
Zhang, L., Duan, H., Ye, L., Liu, L.,Batstone, D. J., Yuan, Z. (2018) Increasing capacity of an anaerobic sludgedigester through FNA pre-treatment of thickened waste activated sludge, WaterResearch, https://doi.org/10.1016/j.watres.2018.11.008
Wei W., Wang, Q., Zhang,L., Laloo, A., Duan, H., Batstone, D. J. and Yuan, Z. (2018) Free nitrous acidpre-treatment of waste activated sludge enhances volatile solids destructionand improves sludge dewaterability in continuous anaerobic digestion. WaterResearch, 130: 13-19.
短期“千人計劃”教授袁志國做客環境論壇 談污水處理能量回收的新技術
5月23日上午，環境學院短期“千人計劃”特聘教授，澳大利亞工程院院士、昆士蘭大學高等水研究中心的袁志國教授做客環境論壇第87講，作了題為《Lodomat－一種污水處理能量完全自給及實現回收的新技術》（Lodomat-An innovative technology to enable energy neutral/positive sewage treatment）的學術報告。本次環境論壇由水環境保護所的黃霞教授主持，40余名師生聽取了報告。
袁志國教授首先介紹了澳大利亞城市污水處理的工藝特點，隨后圍繞近年污水處理工藝技術的在資源/能源回收方面的最新發展情況，重點介紹了Lodomat這一創新性的污水處理新工藝技術路線的研究發現和進展情況。研究發現，通過在污水處理工藝技術路線中巧妙引入游離亞硝酸（FNA）的作用，通過FNA在工藝過程中的原位制備和應用，一方面可以顯著提升污泥厭氧消化過程中的甲烷產量，同時還可以穩定實現主流工藝低氨氮污水的亞硝化過程的定量調控，解決了主流厭氧氨氧化工藝中針對低氨氮廢水亞硝化過程的穩定定量調控難以實現的難題。報告還介紹了DAMO技術在主流厭氧氨氧化工藝中的應用�；谶@一創新性理念的Lodomat工藝可以實現超低標準出水氮排放的同時，還可以實現污水處理的能源自給及能源回收，目前該技術已經成功在實驗室實現，并即將開展中試示范。講座過程中袁志國教授還介紹了游離亞硝酸（FNA）在管網惡臭、腐蝕控制方面的研究和應用。講座結束后，袁志國教授與到場的師生進行了深入的溝通與交流。
袁志國教授在排水管道腐蝕和臭味控制、反硝化厭氧甲烷氧化的碳氮循環、污水與污泥無害化和資源化等領域多有建樹，共發表論文300余篇， H影響因子52。同時他是國際水協會（IWA）Fellow，曾獲IWA全球項目創新獎、澳大利亞工程院CLUNIES ROSS獎。
原標題:短期“千人計劃”教授袁志國做客環境論壇第87講 談污水處理能量回收的新技術
