日本污水处理新概念--基于厌氧MBR与厌氧氨氧化的低碳设计
在今年5月份的IWA-LET水处理前沿技术大会上，日本国立东北大学的李玉友教授作为“分散式污水处理”分会场的发言嘉宾之一，介绍了日本分散式污水处理的发展历程，并结合其团队的研究，提出了一种可以高效回收能量，而且具有经济效益的新型处理工艺。本期IWA微信公众号将为大家分享这一日本污水处理的最新研究进展成果。
日本污水处理概况
为了更高效地开展生活污水治理，日本坚持结合地区的特点进行生活污水处理设施的建设。根据对象地区的人口密度，来建设不同类型的生活污水处理设施。在人口密度高的城市地区或在居住比较密集的农村地区，主要建设下水道和农业村落排水设施这样的集中式处理设施，而在人口密度低的城郊、农村、山区，则以安装以净化槽为代表的分散式处理设施。
净化槽（Johkasou）技术包括处理以家庭为单位的生活污水的小型家用净化槽、处理楼房和学校、医院、超市等排放的生活污水的大中型净化槽，现在使用中的净化槽绝大部分都是小型家用净化槽。数据显示目前在日本净化槽的服务人口超过900万。日本的净化槽技术应用范围很广，可以处理楼房住宅、医院、超市等生活污水，一般由厌氧滤池、接触曝气池和消毒池组成，而且能适应不同情况的出水要求。
日本主要生活污水处理系统的概况
由此可见，分散式的污水处理理念在日本已经有一定的时间，而日本对污泥处理也十分重视，厌氧发酵回收沼气、焚烧和堆肥都是常见的处理手段。尽管如此，日本的水处理研究者依然在不断地寻找能耗更低、成本更实惠的解决方案。
在这样的背景下，李玉友教授提出了一种可以回收能源，并且具有经济效益的新型污水处理方案--基于厌氧MBR (AnMBR)和厌氧氨氧化两种新兴工艺的低碳设计。他表示学术圈对AnMBR和Anammox两种工艺已经分开研究了很长的时间，但对于其结合应用的研究却很少。
基于AnMBR和Anammox的有机废水处理新概念
厌氧膜生物反应器AnMBR
日本早在2000年就有了第一个AnMBR的工程应用，研究也从早期的产氢发展到如今处理市政污水。关于AnMBR的研究，李玉友教授团队主要关注六个方面的内容，即HRT和温度的影响、悬浮固体和表面活性剂的降解情况、溶解性微生物产物(SMP)和胞外聚合物(EPS)对膜污染的影响以及中试应用。
HRT
AnMBR的出水COD可以低于40mg/L，BOD和COD的去除效率均高于90%。由于膜过滤的作用悬浮固体得到绝对的截留。随着HRT缩短，AnMBR的沼气产量会相应增加，而沼气的甲烷含量可以稳定维持在80%的水平（常温），并且其污泥产量（0.06-0.09 gMLSS/gCOD）远低于传统活性污泥的对应值（0.25-0.4 gMLSS/gCOD）。这些数据显示了AnMBR能同时实现高效厌氧消化以及优质出水。
温度
当温度低于15℃的时候，AnMBR的甲烷产量和COD去除率都受到显著影响。温度的降低一方面导致SMP和EPS释出量的增加，导致膜污染情况恶化，一方面也增加了甲烷的溶解度。
悬浮固体的降解
厕纸是生活污水的主要不溶性COD组分。但是厕纸在AnMBR里可以得到完全溶解，而且不会在混合液和滤饼层积聚。生成的甲烷有26%来自厕纸的降解。悬浮固体中的纤维素在HRT长于12小时的时候影响不显著，但在HRT降至6小时会发现污泥里的纤维素积聚现象。
表面活性剂的降解
研究团队分别选取了聚氧乙烯醚（alcohol ethoxylates-AE）和直链烷基苯磺酸钠( Linear Alkylbenzene Sulfonates -LAS)作为代表性的非离子和离子表面活性剂进行实验。结果显示，AE得到有效降解并转化为甲烷。而且系统完成对AE的长期自适应后，污泥的产甲烷活性得到进一步提高。但是如果AE含量过高（F/M比>1）则可能破坏细胞结构，降低产甲烷活性。而LAS则明显抑制了产甲烷活性，它的去除主要通过吸附而不是降解来进行。与产酸菌相比，LAS在污泥中的积聚对产甲烷菌产生更大的负面作用。
中试对比
研究团队还对AnMBR进行了中试实验，并且与传统的活性污泥法工艺系统进行对比。结果显示，通过使用AnMBR，可以获得良好出水水质，甲烷产量大大增加，污泥产量比活性污泥法少2/3。
厌氧氨氧化Anammox
研究团队在2011年开始对anammox展开了研究。最初先研究反应器的启动和颗粒化，随后两年开始研究抑制机制和恢复方法，然后就开始了厌氧氨氧化附着膜膨胀床反应器（Anammox attached film expended bed -AAFEB），同时开发对单阶工艺使用的人工载体和微颗粒进行优化。
团队开发的AAFEB厌氧氨氧化工艺通过pH的控制和人工和自然形成的anammox颗粒高效地处理高氨氮浓度的废水。研究团队为期220多天的跟踪研究发现，曝气率和溶解氧是影响脱氮表现的关键参数，HRT可以低至2小时，出水TN值在8-18mg/L之间，去除率为74±15%。
AnMBR+Anammox
团队搭建的小规模实验系统由一个运行体积为20L的AnMBR和一个含有悬浮载体的7L单阶厌氧氨氧化反应器组成。这个新概念系统在日本仙台的Senen污水处理厂已经运行了200多天。AnMBR的HRT已成功缩短至6小时，而单阶厌氧氨氧化反应器的HRT成功缩短至2小时，载体填充率为20%，曝气率为1L/分钟。
结合AnMBR+单级anammox的反应器系统
李玉友教授表示该研究项目从2017年开始，将进行3年，目前仍在各种测试以及数据收集和分析阶段，据透露他们目前正在搭建一个规模为20m³/d处理设施。
对于这个AAFEB工艺感兴趣的读者，可以参考李教授团队发表在Bioresource Technology第253期的一篇相关文章Stoichiometric variation and loading capacity of a high-loading anammox attached film expanded bed (AAEEB) reactor。
小结
与传统的活性污泥法相比，AnMBR具有可处理高COD浓度废水、工序简单、甲烷回收率高等优点，但依然要解决出水氨氮高的问题。李玉友教授及其研究团队因为在AnMBR和anammox两方面都有研究，因此想到了用anammox作为AnMBR后续处理工艺，通过使用AAFEB流化床反应器和投加人工载体的设计，实现了厌氧氨氧化主流脱氮和AnMBR的耦合。如果这个新概念能在进一步的长期实验中得到验证，这将是污水处理技术的又一重大突破。
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