弯路变捷径！美国首个主流anammox污水厂2023年面世？
水星漫谈 Vol. 33
在本期的水星漫谈专栏里，小编想分享一则去年9月发布的旧闻——美国环保署EPA拨款，资助开展一项关于主流厌氧氨氧化工艺的研究。
约克河污水厂 | 图源：worldwaterworks
作者：瓦村农夫
2023年实现主流厌氧氨氧化？
脱氮除磷是污水处理的重要环节。目前的脱氮技术包括了三种方法，其中最传统的方法当然是大家熟悉的硝化/反硝化(Nitrification-Denitrification)，另外还有亚硝化/反亚硝化(Nitritation-Denitritation)以及部分亚硝化/厌氧氨氧化(Partial Nitritation-Anammox)。
传统的硝化/反硝化虽然是一个较为稳定的工艺技术，但是成本却相对较高，原因是它需要足够的碱度投加量、曝气量以及反硝化中所需要的外加碳源。与传统的脱氮过程相比，亚硝化/反亚硝化能够降低25%的曝气，减少约40%的外加碳源，最终的污泥量也减少约40%。而部分亚硝化/厌氧氨氧化工艺的能耗和污泥产量比亚硝化/反亚硝化还要低。如果能用部分亚硝化/厌氧氨氧化工艺取代现有主流的硝化/反硝化脱氮工艺，将大大减少污水厂的运行成本。
DEMON工艺原理(部分亚硝化/厌氧氨氧化)
图源：Cody James Campolong /瓦村农夫汉化
过去十多年的研究，世界各地的科研团队都在研究主流短程脱氮工艺工程化的可能性。2020年9月1日，美国环保署EPA给美国水研究基金会(WRF)、哥伦比亚大学、华盛顿水司(DC Water)、弗吉尼亚州的HRSD卫生局(Hampton Roads Sanitation Department)、乔治华盛顿大学、西北大学的联合团队拨款999670美元，目标是在污水主流线中，为厌氧氨氧化菌提供更多的亚硝酸盐，为快速短程脱氮工艺的全面应用铺平道路。
部分反硝化/厌氧氨氧化
为什么EPA愿意要拨款百万美元做这次研究？因为这个联合团队称有一种新策略，它能更好地实现主流厌氧氨氧化。在过去，为了确保脱氮系统有充足的亚硝酸盐产量，抑制亚硝化盐氧化菌(NOB)是常见操作，但在这次研究中，联合团队将选择部分反硝化的方法来为脱氮系统提供更可靠的亚硝酸盐产量。
为什么要选择进行部分反硝化的反应呢？请大家先再看一眼上边的图片：部分亚硝化/厌氧氨氧化(Partial Nitritation-Anammox)除了能将亚硝酸盐和氨氮转化成氮气之外，还不可避免地生成硝酸盐。
其实此前已经有一些主流厌氧氨氧化的成功中试报道，但这些系统出水的总无机氮 (TIN)都无法做到低于5mg/L。主流厌氧氨氧化要实现工程化，必须满足各地的出水标准，这也是我们至今没有看到真正意义的主流厌氧氨氧化污水厂的原因之一。
由于这些剩余的总无机氮主要为硝酸，如何去除这些硝态氮呢？联合团队想到了这么一个办法：他们根据化学计量的数据，投加合适的外加碳源，将硝酸盐转化为亚硝态氮，然后再结合等量的剩余氨氮，通过anammox菌将两者转化成氮气。虽然这个过程依旧会生产新的硝酸盐，总量已经大大降低，而且这些新生成的硝酸盐最终也可以进入反硝化反应。
部分反硝化/厌氧氨氧化(PdN/A)原理图
图源：Cody James Campolong /瓦村农夫汉化
技术难点
他们把这项工艺称作部分反硝化/厌氧氨氧化，英文简称PdN/A。乍看上去这个思路很好很正确，但在实际操作中，仍存在两大难题，第一是如何保持anammox菌的活性，第二是如何限制完全反硝化或反亚硝化。
三种常用碳源包括了甲醇、甘油和乙酸盐。
有研究显示，三种碳源都能诱发亚硝酸盐的积累，后两种碳源的效果更显著。但从经济角度考虑，甲醇是更常用的碳源，但为了PdN/A的处理效果，甘油和乙酸盐是更好的碳源。这也是这次研究需要确认的技术细节之一。
图源：维基百科 /瓦村农夫设计
试验地点
早在10年前，PdN/A的工艺已经分别在奥地利的Strass污水厂、美国华盛顿的Blue Plains污水厂和HRSD公共卫生局运营的Chesapeake-Elizabeth污水处理厂进行测试，其效果也得到了初步验证。
HRSD管理的Chesapeake-Elizabeth污水厂 | 图源：rkk
早在2014年就启动的Anammox-MBBR中试 | 来源：Vimeo
到了2019年，他们在另一座污水厂——约克河污水厂进行测试，将它的一个后置反硝化滤池改造成一个基于MBBR移动床生物膜反应器工艺的PdN/A反应系统。在他们看来，这算是第一个完成主流anammox菌氧化进水氨氮的案例，并取得了成功的结果，因此HRSD计划将此工艺技术纳入即将在詹姆斯河污水厂(James River WWTP)开展的脱氮除磷升级改造工程中。这次百万美元的研究项目就是要解决PdN/A工艺在设计和运行方面剩下的一些未知问题。
完整的主流脱氮除磷流程图
图源：Cody James Campolong /瓦村农夫汉化
在此之前，DC Water和哥伦比亚大学的研究人员已经对PdN/A和主流生物脱氮除磷的结合应用进行了考察，包括了前置和后置的缺氧区两种设计理念。这个项目会将此前的设计理念快速放大到工程应用的规模，并且会评估短程脱氮和生物除磷结合的可行性。
James River污水厂 | 图源：hdrinc
污水处理与藻华控制
美国环保署之所以愿意拨款进行这次研究，是因为他们看好这项技术更广泛的应用前景，他们期待在3年期限结束后，向美国其他有害藻华(HABs)地区以及其他州的污水处理厂进行技术转移。
因此这个项目有一个公用事业局的咨询委员会 (UAC)，聘请了8家公共事业局的技术代表，其中包括五大湖、中西部和佛罗里达州等地的单位。他们计划优化PdN/A的生物工艺模型，大幅降低处理成本，实现可持续发展的生物脱氮，最终减少HABs的产生，创造巨大的环境利益。
目前他们已经有一些发表的论文成果，例如下边这篇文章，他们发现改良碳氮比的过程还伴随硝化反应从生物膜转移到悬浮液相中。这一个个的小发现都会帮助研究人员加深对PdN/A工艺关键控制和潜在机制的理解。
这个项目的概况就先介绍到此。
3年之后，我们能否如期看到第一个真正的主流厌氧氨氧化脱氮污水厂呢？一起静静等待吧。
参考资料
1.https://cfpub.epa.gov/ncer_abstracts/index.cfm/fuseaction/display.abstractDetail/abstract_id/11098
2.https://vtechworks.lib.vt.edu/bitstream/handle/10919/99964/Campolong_CJ_T_2019.pdf?sequence=1&isAllowed=y
3.https://vimeo.com/92084803
4.https://www.youtube.com/watch?v=rh8fK-fAWc8
5.https://www.researchgate.net/figure/Schematic-figure-of-microbial-principles-in-some-of-the-new-biological-nitrogen-removal_fig2_232710702
6.https://www.worldwaterworks.com/wp-content/uploads/2015/05/WWW-HRSD-DEMON-1.pdf
7.https://www.hdrinc.com/portfolio/james-river-treatment-plant-swift-improvements
8.https://www.rkk.com/our-work/portfolio/chesapeake-elizabeth-interceptor-system-diversion-improvements/
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