新A-B工藝：市政污水處理從能源消耗到能源自給
目前，以活性污泥法為代表的傳統污水處理工藝仍是全球市政污水廠的主流技術。這些傳統工藝的核心在于通過生物好氧氧化將污染物去除，然而在污染治理的同時會帶來高能耗、高剩余污泥產量等問題。據估算，市政污水處理單位能耗約為0.47 kWh/m3，已成為國民經濟能耗中不可忽略的一環。例如，在美國用于污水處理的電能已達國家年總能耗的3%。另一方面，市政污水廠雖然已通過污泥厭氧消化等進行能源回收，但效率普遍偏低。例如，新加坡Jurong污水再生廠能源效率為35%，而北京高碑店污水處理廠能源效率僅為31%。另一方面，傳統活性污泥法每去除1g COD將產生0.3-0.5g 的污泥，因此在污水處理過程中會產生大量剩余污泥。據報道，2017-2018年中國、歐盟和美國的污泥產量已達5,500、4,400和3,800萬噸，如何妥善處置如此巨量的剩余污泥已愈發棘手。因此，亟需新的工藝理念引導新技術的研發以解決市政污水廠能源效率低、剩余污泥產量大的難題。
事實上，市政污水中的有機物富含大量化學能，據估算其潛在化學能可達傳統活性污泥法所需能耗的5倍之多。這表明市政污水處理具有能源自給的潛能，而實現這一目標的關鍵在于將傳統污水處理中“有機物生物好氧氧化并生成為剩余污泥”的理念轉變為“將有機物直接用于產能回收”，其優勢在于（1）增強能源回收；（2）降低因曝氣而產生的能耗；（3）減少剩余污泥產生。因此，本團隊提出了新A-B工藝的理念以實現市政污水處理廠的高能源回收效率和環境可持續性發展。具體來說，此工藝中的A段將市政污水中的COD回收并直接用于甲烷生產以實現能源回收，而B段采用生物法、物化法等對營養物進行低耗高效的去除及回收（圖1）。以下將從兩個具體的新A-B工藝（A-2B工藝和厭氧耦合單級主流厭氧氨氧化工藝）來闡述該理念下研發技術的可行性和先進性。
在本團隊研發的A-2B工藝(圖2示)中，A段采用厭氧固定床生物膜反應器（AFBR）直接處理市政污水同步實現COD去除和甲烷生產，且污泥產量大幅降低。在B段，采用兩段式主流厭氧氨氧化工藝，B1段采用序批式反應器（SBR）通過短程硝化（PN）將氨氮氧化為亞硝氮，B2段采用移動床生物膜反應器（MBBR）實現厭氧氨氧化（anammox）。
運行結果顯示，A段AFBR可將進水COD從384 mg/L降至29 mg/L，而產泥僅為0.06 g/g CODremoved，為傳統活性污泥工藝產泥率（約0.4 g/g CODremoved）的15%。甲烷產率為0.27 L/g CODremoved。B1段的SBR以分步進水、缺氧/好氧交替的模式運行，將進水氨氮轉化為亞硝氮，并穩定在15 mg NO2--N/L左右，而硝態氮一直處于較低的水平，這表明該運行模式可有效地抑制亞硝酸鹽氧化菌（NOB），保證穩定的短程硝化。經Bypass 1的原水攜帶的COD可作為短程反硝化的碳源。B2段的MBBR進水為含亞硝鹽的B1段SBR出水及含氨氮的厭氧出水， NO2--N/NH4+-N濃度比可保持在1.1左右，有助于實現穩定的厭氧氨氧化脫氮。經MBBR處理后氨氮出水濃度低于2 mg N/L，亞硝氮低于1 mg N/L。氮的物料平衡顯示，A-2B工藝的總氮去除達87%。
基于上述A-2B工藝，本團隊將時間維度的連續缺氧/好氧交替轉換到空間維度，將厭氧氨氧化置于缺氧段，研發了單級主流厭氧氨氧化工藝并與厭氧工藝耦合。如圖3所示，分段式進水反應器間隔設置缺氧/好氧交替單元，原水經厭氧反應器（UAFBR）處理后以連續流模式分段進入A1-A4缺氧池中。厭氧氨氧化菌固定于生物填料上并持留在缺氧池中，而懸浮污泥可在系統內循環。
運行結果顯示，原水中78.8%的COD經厭氧處理后可直接轉化為甲烷，污泥產量與上述A-2B工藝相當（0.05 g/g CODremoval），出水COD/N比僅為0.44。啟動10天后，總氮去除即達60%。氮的物料平衡顯示，在系統穩定后，氨氮去除率可高達96%。在好氧池O1-O4中，氨氮轉化為亞硝氮的效率在64.3%到84.8%之間，表明該反應器和操作模式可有效抑制NOB。經衡算，在缺氧池中厭氧氨氧化對總氮去除的貢獻高達87%。
能源自給和環境可持續性發展是未來市政污水處理的必然趨勢。建立在新A-B工藝理念上耦合污水處理技術具有較高的工程和經濟可行性，將大力助推市政污水處理的能源自給和環境可持續性發展。
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Xiaoyuan Zhang, Meng Zhang, Hang Liu, Jun Gu, and Yu Liu. (2019) Environmental sustainability: a pressing challenge to biological sewage treatment processes. Current Opinion in Environmental Science & Health 12, 1-5
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不僅僅是一個碼
顧俊，博士，南洋理工大學研究員。
2018年畢業于新加坡南洋理工大學獲博士學位。主要研究領域為未來生活污水處理的能源自給，涵蓋水資源和能源回收以及營養物的去除與回收。在Water Research、Journal of Cleaner Production等國際期刊發表學術論文10余篇。
聯系方式：gujun@ntu.edu.sg
