ANITA Mox工程化的十年：我們學到了什么?
由于疫情原因，原定于2020年在丹麥首都哥本哈根舉辦的IWA世界水大會延遲到了2022年9月。在期盼線下世界水大會回歸的同時，IWA在今年5月組織了網絡版世界水大會。但無論是線上還是線下舉行，都不會影響世界各地的水業同行分享他們的知識。在網絡版世界水大會上，厭氧氨氧化依然是大家關注的焦點之一。來自瑞典隆德的Magnus Christensson先生分享了過去十年他的團隊在側流厭氧氨氧化工程化過程中的經驗和心得體會。
背景介紹
2010年，Veolia公司第一個側流厭氧氨氧化工程案例落戶瑞典的Sjolunda污水處理廠，并為這個案例取名Biofarm。時至今日，已經走過十多個年頭，累積超過30個案例。在這些案例中，Veolia的團隊都遭遇了什么挑戰，又有什么新的認知值得我們去學習呢？
側流厭氧氨氧化(side-stream anammox) 的工藝案例我們在以往的推送里都有過介紹，它用更少的能耗和碳源去除傳統厭氧消化后消化液中的氨氮。厭氧氨氧化菌生長相對緩慢，為了避免氨氧化菌(AOB)和厭氧氨氧化菌的流失，很多反應器都使用了生物膜系統。Veolia在這個設計理念下，基于移動床生物膜反應器 (MBBR) ，開發了一套名為ANITA Mox的厭氧氨氧化脫氮系統。
圖. 厭氧氨氧化的生物膜脫氮原理 | 圖源：MDPI
ANITA Mox如今已經應用于傳統的厭氧消化液和經熱水解前處理的厭氧消化液。同時也在MBBR和IFAS兩種工藝反應構造中得到實踐應用。Magnus Christensson分享了他們在這些應用上的經驗和心得體會。
表. ANITA Mox處理傳統AD或者THP+AD的主要案例列表
處理傳統AD的教訓
美國弗吉尼亞的James River污水廠是ANITA Mox在美國的第一個案例。項目始于2013年12月，預制調料比為10%(已經長好生物膜)，使用的是從瑞典Malmo的Biofarm運來的填料。Christensson 表示，用已有填料接種能夠大大縮短啟動時間。在接種3個月后，新的填料也開始顯示活性。而在接種4個月后，如下圖所示，氨氮去除率已經超過85%。2014年5月的測試顯示，氨氮負荷可以高至375kgN/d，即設計負荷的150%，氨氮平均去除率為90%。出水氨氮約為100mgN/L。因為是中溫消化，所以無需額外的加熱設備。
圖. James River污水廠的ANITA Mox測試結果 | 圖源：MDPI
芝加哥的Egan污水資源回收工廠是另一個案例，它位于伊利諾伊州的Schaumburg。在這個項目里，他們將4個閑置的DAF濃縮池改造成一個調節池+4個平行ANITAMox反應器。該案例的接種比例也為10%。
圖. 所謂的老和新填料外觀對比 | 圖源：MDPI
該項目始于2016年，因為中途經歷了污泥線的維修翻新工作，啟動時間長達10個月。如下圖所示，維修工作結束后，該系統在不到3個月的時間里達到了設計負荷的水平。在2018年為期90天的測試顯示，雖然由于調節池過小導致進水負荷波動，但實際負荷可以超過設計負荷的20%，氨氮和TIN的去除率分別為89%和81%，出水氨氮為140 mg-N/d。
圖. Egan污水廠的ANITA Mox測試結果 | 圖源：MDPI
目前ANITA Mox最大的案例位于科羅拉多州的丹佛Robert W. Hite再生水廠。如下圖所示，改造方案是將其中一個回流污泥再氧化池改為兩個平行的MBBR反應器。
圖. 位于丹佛的改造案例 | 圖源：MDPI
盡管這個項目的接種比只有5%，但啟動時間僅需要13周。此外，在這個案例里，工程團隊遇到了實際負荷超過設計負荷、進水流量波動、聚合物殘留多、高TSS沖擊等影響。該污水廠的目標負荷是設計負荷的120-150%，出水氨氮在200-300mgN/L之間，這使得氨氮的實際去除率僅為67-75%。但這是在沒有投加額外堿度的情況下完成的。ANITA Mox的出水則通過剩下的回流污泥曝氣池做進一步處理。
圖. Denver污水廠的ANITA Mox啟動時間 | 圖源：MDPI
處理THP+AD出水的經驗
若對厭氧消化進行熱水解的前處理，不僅會提高進料的氨氮和溶解性COD水平，同時也會增加一些有害的中間化合物。對此，Veolia團隊進料進行了稀釋。稀釋比在1:1-1.5:1之間。此外，對于使用THP的客戶，他們改用IFAS工藝來取代MBBR，原因是在IFAS工藝中，MLSS中的異養菌和AOB有更好的緩沖能力，使得Anammox菌更好地保留在反應系統里。據悉，IFAS系統的脫氮率一般為2-3kg N/m³·d （MBBR則大于1kg N/m³·d）
圖. IFAS工藝的構造示意圖 | 圖源：MDPI
圖. MBBR和IFAS的氧濃度對比 | 圖源：VEOLIA
目前ANITA Mox有7個處理THP+AD的案例。其中第一個IFAS ANITA Mox案例位于英國Wrexham的FiveFords污水廠。這個項目最初的計劃是先用傳統消化液作為啟動進料，不過因為施工計劃的改變，這個系統在調試期間就要接收來自經過THP處理的消化液，所以系統進行了兩次接種，第一次的接種比為10%，第二次升至25%。
圖. 位于英國Wrexham的IFAS ANITA Mox案例 | 圖源：MDPI
他們在調試過程中，首先對IFAS的運行做了一些調整，以使懸浮液中的AOB活性和載體中的anammox活性得到平衡。然而在此過程中，他們發現進料的堿度也是個限制因素。他們就對出水的氨氮濃度進行控制，措施是將原來的離子選擇性電極(ISE)傳感器改為一個過濾后的分析儀器(HACH的FILTRAX和AMTAX單元)，以此提高測量的精準度。基于測得的出水氨氮值，調節曝氣量。
圖. Wrexham案例的進水和出水氨氮水平
盡管啟動時間和狀況超出預期水平，但最終，FiveFords污水廠還是順利地進入穩定運行期，成功地對經過THP處理的消化液進行處理。他們還將載體樣本送到法國和瑞典的實驗室進行qPCR分析，結果顯示，anammox菌的情況一直保持在正常的范圍內。
運行控制的經驗
該團隊指出，要想順利穩定地運行anammox系統，不能指望運行人員一直盯著運行狀況，所以一定要依靠精準的在線傳感器來制定運行控制策略。優勢是可以實現全天24h的遠程控制。
圖. Veolia自家開發的工藝控制及優化系統
小結
在Christensson先生看來，ANITA Mox的成功離不開反應器的細節設計，其中包括了曝氣、攪拌、載體、anammox菌截留器、泡沫控制等。五部分的對應設備如下圖所示。
他特別提到了載體和截留篩筒的作用，實驗數據顯示，如果在理想條件下，使用生物膜厚度為400μm的載體，加上有足夠的氨氮和亞硝態氮，載體面積的氨氮去除率可達27g/㎡/d，是實際單位去除效率的5倍多。當然在現實中這是不可能的，因為無法提供這么多的亞硝態氮。但另一方面，這說明現在的載體處理能力已經是過剩的，這意味著在未來，他們會嘗試減少載體的比例，提供更多的空間用以AOB轉化氨氮。
圖. 理論和實際的載體單位面積去除率
最后，他表示，10年的側流厭氧氨氧化的運行經驗肯定能為日后的主流厭氧氨氧化的實現提供更多的參考。我們也為各位讀者準備了Christensson先生的報告原片，感興趣的朋友可以點擊以下視頻進行回看。
參考資料
https://www.mdpi.com/2227-9717/9/5/863/pdf
https://iwaponline.com/wst/article-abstract/67/12/2677/17495/Experience-from-start-ups-of-the-first-ANITA-Mox?redirectedFrom=fulltext
https://www.youtube.com/watch?v=8dlxu9i65js&t=1785s
https://conferences.aquaenviro.co.uk/wp-content/uploads/sites/7/2015/06/Romain-Lemaire-Veolia-Water.pdf
https://www.anoxkaldnes.com/en/technologies/z-mbbr
https://core.ac.uk/download/pdf/289949338.pdf
