低碳氮比进水下的主流脱氮案例分享--澳大利亚和美国案例

Pusker Regmi博士是美国Brown and Caldwell公司的工艺工程师，作为2019年IWA营养物回收与去除大会的主旨发言嘉宾，向同行们分享了几个比较典型的低碳氮比进水下的主流脱氮案例。在他的报告中开始部分就提到，很多污水厂在曝气池氧化了太多的进水COD，使得COD利用率低下，无益于生物脱氮，浪费能耗；也没有通过碳捕捉产生更多的生物沼气；氧化COD的同时还产生了很多的污泥，以上种种都不利于污水厂的可持续发展。所以Pusker博士分享的案例主要侧重于曝气控制来实现有效碳利用下的营养物去除。

他将分享的案例按照曝气类型分为了两类：间歇曝气和持续曝气。间歇曝气是通过在同一反应池中交替进行曝气和不曝气来实现的，从而在曝气反应池中产生瞬时缺氧。这一操作实际上是在同一反应池中创建了不同的生化环境，而非在单独的曝气和缺氧反应池中创建不同的生化环境。其中，间歇曝气案例有美国的HRSD中试以及澳大利亚的墨尔本水务局（Melbourne Water）中试；持续曝气的案例有美国的圣彼得堡全规模试验厂以及普韦布洛全规模试验厂。

HRSD主流短程脱氮中试案例（C:N≈9）

HRSD中试系统采用的是AB工艺：A段为高速除碳工艺（high-rate carbon removal process），HRT为30分钟，SRT为6小时；B段为AvN调控的Nitrite-shunt工艺耦合AnAOB MBBR工艺AvN，这种组合工艺称为“AvN+“工艺。Nitrite-shunt工艺是由AvN调控的4个等尺寸曝气池组成，HRT为3小时，SRT为4-6天。AnAOB MBBR反应器体积为450L，接种了10L来自Strass污水厂水力旋流分离器富集的测流厌氧氨氧化颗粒污泥。反应器内一半为K3填料用来富集AnAOB。该中试研究的主要目的包括：（1）优化碳源利用从而实现前端碳转移用于能源回收，并减小工艺占地；（2）开发抑制主流NOB活性的策略；（3）耦合厌氧氨氧化技术实现主流短程脱氮。

系统一共运行385天，可分为三个阶段：起始阶段（Start-up），阶段一（Phase I）和阶段二（Phase II）。起始阶段运行时间为0-78天，阶段一为79-253天，阶段二为286-385天。其中254-285天期间，AnAOB MBBR反应器没有进料。起始阶段和阶段一运行期间，AnAOB MBBR进水来自前端的AvN Nitrite Shunt系统出水，其总COD平均浓度为55.1±19.4 mg/L，NH₄⁺平均浓度为5.5±2.2 mg N/L，NO₂^-平均浓度为0.7±0.6 mg N/L，NO₃^-平均浓度为2.9±1.1 mg N/L；阶段二由于AvN系统升级改造，因此AnAOB MBBR进水来自污水厂HRAS工艺出水，NH₄⁺平均浓度为26±2.45 mg N/L，NO₃^-平均浓度为0.34±0.22 mg N/L，NO₂^-通过额外递增投加的方式来进行补充。运行136-385天期间，每周测试一次AnAOB最大活性。

图.  HRSD中试工艺流程图

图.  AnAOB MBBR反应器各阶段进水浓度

1. “AvN”调控——间歇曝气

AvN调控的主要目的就是平衡硝化和反硝化过程，即仅氧化部分氨氮，且生成的硝酸盐可以在给定的碳源条件下实现反硝化从而达到脱氮目的。在阶段一，AvN反应器的α设定值为1，即[NH₄-N]:[NO_x-N]=1。AvN调控其实包括两个独立的PID（proportional-integral-derivative）控制回路：（1）第一个PID控制取决于系统出水传感器读取的NH₄与NO_x浓度比，以控制电磁阀来确定好氧区（曝气时间）。当空气流通时，第二个回路控制电动阀以实现曝气时反应器内液体DO浓度控制在1.8 mg/L。一个循环为20分钟，包括曝气和非曝气时间。如果出水AvN比值α大于1，系统将会增加曝气时间（一个循环内最短2分钟，最长18分钟）；如果α小于1，系统则会减少曝气时间。

图  中试系统AvN段曝气调控下的DO水平（Regmi et al., 2014）

关于间歇曝气可以增强NOB抑制的原因主要有以下几点理论：

• AvN调控可以维持出水氨氮浓度，同时可以避免过度曝气以及降低碳源被氧化的几率；

•  酶促滞后（enzymatic lag）：缩短曝气时间，以便AOB能够在NOB氧化亚硝酸盐之前利用可用的氧气来氧化氨氮（AOB对氧气的亲和力更高）；

• 底物可利用性：AOB氧化氨氮产生的亚硝酸盐在缺氧区被异养微生物消耗，那么NOB在好氧区则没有亚硝酸盐可利用（Chandran＆Smets, 2000）；

间歇曝气的关键是具体的曝气持续时间和曝气期间的DO浓度。近期研究表明，曝气时DO浓度大于1.5 mg/L也能实现NOB抑制。这就表明AOB与NOB对氧气的K_O值可能不像之前认为的那样。最近大量研究表明，Nitrospira是废水生物脱氮过程中的NOB主要菌种，而非之前认为的Nitrobacter（Juretschko et al., 1998；Dytczak，Londry和Oleszkiewicz，2008）。Nitrobacter已显示出比AOB更高的K_O值（Dytczak et al., 2008），因此，如果Nitrospira和Nitrobacter的K_O值相差很大，那么系统内NOB主要菌种的确定可能会严重影响抑制NOB所需的DO浓度。在Nitrospira主导的中试系统中，通过Monod动力学建模确定AOB的K_O值为1.14 mg/L，NOB的K_O值为0.16 mg/L，如下图所示（Regmi et al., 2014）。该中试系统的研究证明，使用高溶解氧控制间歇曝气可以成功抑制NOB，从而验证了该中试系统中主要的NOB菌种为Nitrospira。

图.  Monod动力学模拟的AOB与NOB活性（Regmi et al., 2014）

2. AnAOB MBBR运行状况及AnAOB活性

起始阶段和阶段一运行期间，AnAOB MBBR进水亚硝酸盐浓度平均在0.7 mg N/L，去除率可达100%；而进水氨氮浓度近6 mg N/L，因此该阶段TIN去除率主要受限于进水亚硝酸盐浓度。

尽管AnAOB MBBR在254-285天期间没有进料，但是在阶段二开始期间仍然可以观察到AnAOB的活性，说明通过阶段一已经在生物膜载体上富集了AnAOB。阶段二进水亚硝酸盐的投加量随着天数不断增加，AnAOB MBBR的TIN去除率也明显提高。阶段一和二期间的AnAOB MBBR系统TIN去除率均小于同期测定的AnAOB最大活性，且此期间系统的生物质密度维持在3.2±0.2 gTSS/m²；但是AnAOB最大活性却由阶段一的平均0.21 gN/gTSS/d增加至阶段二的平均0.33 gN/gTSS/d，说明系统有选择性地富集AnAOB。

图.  AnAOB MBBR各阶段TIN去除率以及AnAOB最大活性对比

图.  AnAOB MBBR各阶段NH₄-N、NO₂-N、NO₃-N以及COD去除率

3. 硝酸盐去除和AnAOB贡献

该中试系统运行期间有两个主要发现：（1）在起始阶段和阶段一，硝酸盐不但没有积累（因为厌氧氨氧化反应会生成NO₃^-）反而得到了去除（net removal）；（2）亚硝酸盐去除率与氨氮去除率的比值（NO₂-N_rem rate：NH₄-N_rem rate）低于AnAOB反应的化学计量数1.32，也从侧面呼应了AnAOB MBBR系统内硝酸盐的去除。所以导致氨氮去除率高于亚硝酸盐去除率的可能原因有：（1）进水硝酸盐被还原成亚硝酸盐，再被AnAOB或者异养微生物所利用；（2）反硝化过程中反硝化细菌对氨氮的吸收同化作用。

由于不考虑反硝化过程中的氮素同化作用以及微生物衰败释放出的氮素对整个系统氮去除的影响，所以AnAOB和异养微生物对TIN去除率的贡献可以计算出来。

图.  AnAOB MBBR系统内AnAOB和异养微生物对TIN去除率的贡献

COD去除率在起始阶段、阶段一和阶段二分别为0.22±0.37 g/m²/d、0.58±0.52 g/m²/d以及0.29±0.16 g/m²/d。也证实了系统内可能存在异养微生物进行反硝化过程。

有研究表明有一类AnAOB（Ca. “Brocadia fulgida”）能够利用硝酸盐作为电子受体来氧化一些短链脂肪酸，且无同化作用导致污泥产量低（Kartal et al., 2008）。但由于该中试研究中没有添加额外的碳源（如乙酸盐），且进水VFA含量很低，所以该系统内还否存在Ca.“Brocadia fulgida”还有待商榷。qPCR测定结果也显示大多数AnAOB并非Ca. “Brocadia fulgida”。因此，该研究结果还是倾向于异养微生物在有限的碳源条件下将进水硝酸盐还原成亚硝酸盐，再被AnAOB利用进行厌氧氨氧化反应。不考虑具体的途径，该中试研究其实证实了在低碳氮比进水条件下，利用主流缺氧AnAOB MBBR工艺可以实现氨氮、亚硝酸盐和硝酸盐的同时去除。

4. 小结

作为脱氮工艺最后一步，AnAOB MBBR接收低碳氮比的进水，因此异养微生物很难与AnAOB竞争亚硝酸盐。AnAOB的富集回流通常也是主流厌氧氨氧化工艺的难点所在，而MBBR系统通过提供生物膜载体从而很好地解决了这一难题。系统的稳定性也通过阶段二得到了验证：进水投加的亚硝酸盐浓度不断增加， 但其去除率却不受影响。系统TIN去除率主要受限于进水亚硝酸盐和氨氮氨氮浓度比，而非AnAOB的在系统内的维持和富集。

该中试研究主要验证了：

• 三级生物脱氮工艺（A段高速除碳+B段AvN间歇曝气池+AnAOB MBBR）可以有效进行脱氮；

• 通过AvN调控的间歇曝气为AvN段出水保留了氨氮，利于后续厌氧氨氧化的进行；同时通过调控好氧SRT可以有效抑制NOB；

• AnAOB MBBR最为最后一步工艺，通过厌氧氨氧化耦合部分反硝化展现了较为稳定的脱氮系统。

图.  AnAOB MBBR系统内可能的氮转移途径以及阶段二AnAOB种类含量

墨尔本水务局短程脱氮中试案例（C:N≈6）

墨尔本水务运营的Western 污水处理厂（以下简称WTP）日处理量为53万吨，超过墨尔本市50%的污水量。其所在地位于墨尔本西南部的威勒比郊区（Werribee），是澳大利亚最重要的水禽湿地之一，已加入国际《拉姆萨尔公约》，并支持5,000公顷的现场农业生产。

1. WTP现状和面临的挑战

WTP由占地2,000公顷的厌氧池、曝气池、兼性池和熟化池组成，形成了五个泻湖系统。所有进入WTP的污水首先要经过两个加盖的厌氧泻湖池——提供初级处理并捕获进水中的碳源产生富含甲烷的沼气用于现场发电。之后，约有2/3的污水进入到两个活性污泥厂进行处理后在进入熟化池；剩下的1/3污水则在曝气池和兼性池中处理。产生的污泥在泻湖系统中稳定后在进行干化。整个处理过程能耗较少，一年平均下来，WTP接近能源中和。

图.  Western 污水处理厂

预计在未来几十年中， WTP的处理量和污染物负荷将显着增长。为了降低能耗（WTP能耗中很大一部分来自机械曝气）和处理成本，采用节能创新的处理工艺（例如短程脱氮）对于缓解不断增长的能源需求至关重要。因此，WTP启动了主流短程脱氮工艺升级的计划，预计在2020年得以实施。所面临的挑战还包括在进水碳氮比低于7的情况下实现出水总氮低于10 mg N/L。

2. WTP中试研究

中试厂日处理量为160立方米，主要处理工艺为A/O，曝气池通过间歇曝气来调控抑制NOB活性。该研究主要验证：

• 主流NOB的抑制；

• 低碳氮比下的脱氮效果

图.  WTP中试厂主要处理流程图

下表为中试运行期间的各项指标。其中baseline 1与2运行期间，进水温度存在差异，其他指标类似，且均未出现明显的NOB抑制。该期间，进水碳氮比（COD/TKN）在7左右，总氮去除率约80%，出水总氮明显超过排放标准要求的10 mg N/L。而Period IV(a)期间，进水温度和碳氮比均较低，但是通过有效的间歇曝气控制出现了明显的NOB抑制，具体可提现在NOB与AOB活性比仅为0.22，且亚硝酸盐积累率（NAR）也达到了0.26；总氮去除率高达90%，平均出水总氮能维持在10 mg N/L以下。此外，该期间COD相对去除率（COD_rem/TN_rem）也较低，符合进水低碳氮比条件下的高效脱氮。

表.  中试厂运行不同阶段效果汇总

从下图可以看出，进水碳氮比在3.1-6之间，系统仍能维持较高的总氮去除率，约90%。此外，研究人员还对系统的生物除磷性能做了对比，发现当进水碳氮比（COD/TKN）高于6时且系统内NOB与AOB活性平均比为0.24 的时候，会伴随生物除磷的发生。

图.  WTP中试厂运行期间进水碳氮比和TIN去除率

3. 研究小结：

• 进水低碳氮比及低温条件下可以实现主流NOB的抑制；

• 间歇曝气调控有利于NOB抑制；

• 主流短程脱氮所需碳源少（3.1-4.2 kg COD/kg TIN_rem）；

• 在进水碳氮比（COD/TKN）小于6（3.1-6）的条件下，间歇曝气A/O工艺可以实现出水总氮低于10 mg N/L；

圣彼得堡全规模试验厂案例（C:N≈7）

美国佛罗里达州的圣彼得堡西南污水厂（Southwest WRF，以下简称SWRF）日处理量为7.6万立方米，处理工艺为简单的A/O工艺，没有初沉池。生物处理段HRT为6小时；总SRT为5天，其中好氧SRT为3.5天。全年最低温度为22℃，最高温度为30℃。要求出水需满足总氮低于10 mg/L，总磷低于1.0 mg/L。

图.  SWRF传统处理工艺流程图

传统处理工艺主要目的是生物除磷，并没有考虑脱氮。曝气池的DO浓度在2 mg/L以上。现面对出水总氮要求，SWRF将生物段进行了改进，对曝气进行优化调控，实现同步脱氮除磷，以满足出水要求。前端为厌氧池，DO浓度为0.02±0.01 mg/L，好氧池曝气逐步递减，可根据DO浓度分为三个区域，第一曝气区DO浓度为0.22±0.15 mg/L，第二曝气区DO浓度为0.12±0.08 mg/L，第三曝气区DO浓度为0.08±0.05 mg/L。经过一段时间运行发现，出水硝态氮和亚硝态氮浓度很低，能保持在0.5 mg/L左右，氨氮浓度在0.5-3.5 mg/L。好氧池的低DO使得同步硝化-反硝化（SND）成为了可能，这也解释了为什么出水硝酸盐和亚硝酸盐浓度低的原因。

此外，研究人员还对系统内的AOB和NOB做了最大活性测试，发现AOB活性明显大于NOB，说明好氧池内的NOB得到了很好的抑制，很有可能反硝化过程中异养微生物与NOB竞争亚硝酸盐导致。

图.  SWRF出水营养物浓度

系统运行期间，出水总氮能维持在10 mg/L，总磷也能维持在    1 mg/L以下，满足出水要求。从该示范研究中可以得知：

• 简单的A/O工艺也可以实现高效脱氮除磷；

• 异养反亚硝化可能是抑制NOB的关键；

• 低浓度DO条件下可以实现除磷，且大大降低了曝气成本。

普韦布洛全规模试验厂案例（C:N≈6）

普韦布洛污水厂（以下简称PWWTP）日处理量为6万吨，采用的主要工艺为Johannesburg（以下简称JHB）。JHB工艺就是针对碳源不足而提出的改良A2/O工艺。JHB工艺在传统A2/O工艺前设置预缺氧池，回流污泥经过预缺氧池后出水与主流进水一同进入后续的厌氧池。该工艺同样有利于除磷。

该厂JHB工艺段总SRT为10-12天，其中好氧SRT为7-8天。厌氧区占约14%，缺氧区占18%。要求出水总氮年均低于15 mg/L，总磷年均低于1 mg/L。

JHB工艺段好氧池连续曝气，通过AvN控制DO浓度为0.4 mg/L左右，可节省超过30%的曝气能耗。运行期间并没有发现DO浓度低给硝化反应带来的负面影响，并且发现污泥有颗粒化的趋势。此外，低DO对于系统除磷也无影响。

最大活性检测实验表明，AOB已经适应了低DO条件：在DO浓度为0.2 mg/L时测定的最大活性为DO浓度为4 mg/L时测定的75%。同时，由于污泥颗粒化，AOB活性在低DO条件下并不受其K_O值的影响（系统DO浓度低于K_O值）。该厂还通过8个水力旋流分离器（10m³/h）来捕捉好氧颗粒污泥回流至系统内，污泥SVI指标由原来的200 ml/g降低至75 ml/g。此外，系统还发现缺氧池内出现吸磷现象。

小结

Pusker博士在报告的最后提到，中国城镇污水厂主要面临着主流进水低碳氮比和严格出水标准（营养物）的双重压力。就污水厂处理而言，他建议：（1）通过实时在线曝气调控来有效控制生物途径，可以实现低碳氮比条件下的生物脱氮；（2）对工艺的深入理解和研究以及通过曝气控制对碳源进行管理是成功的关键。