分散式污水处理新技术 | 厌氧消化 厌氧氨氧化--德国中试案例分析
分散式污水处理装置是原位处理生活污水的重要途径之一，它既能减小长距离输水的成本，还能降低相应的维修费用。分散型污水处理装置的设计理念是占地紧凑、不产生异味、便于使用和管理。
厌氧消化工艺是用于分散式污水处理装置的典型工艺，它具有占地小、低能耗、低污泥产量、产生沼气等特点。在不同的操作工况之下，有机物去除率可达25%~90%之间。氮是生活污水的重要成分之一，在厌氧消化工艺之后必须设置对应的脱氮环节以降解污水中的氮，厌氧氨氧化工艺（Anammox）是脱氮领域的新技术，在针对污泥消化液脱氮处理中已有工程应用。
现有研究表明，应用厌氧消化和脱氮工艺联合处理高浓度污水，具有较好的处理效果，但对于处理浓度相对较低的生活污水，仍然是个不小的挑战。
为了研发对低浓度生活污水的处理效果，德国埃尔朗根-纽伦堡大学（Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg）流体力学研究所搭建了一个“厌氧消化工艺+厌氧氨氧化工艺”的中试装置，用于将回收的生活污水处理后用作家庭再生水。相比饮用水而言，家庭再生水没有明确的水质要求，所以本案例中出水水质标准的设定参照德国污水规范（AbwV 2016）和巴伐利亚洗浴用水规范（BayBadeGewV 2008），出水氨氮、总氮、磷、COD的限值分别为10mg/L、13mg/L、1mg/L和75mg/L，大肠杆菌和肠球菌不应超过900 CFU /100ml和330 CFU/100毫升。
中试装置搭建于德国埃尔兰根污水处理厂，包括三个反应器R1、R2和R3（图2）。其中，R1和R2用于厌氧消化工艺，R3用于厌氧氨氧化工艺，总处理能力为2吨/天。R1和R3为间歇式搅拌反应器，反应器进水保持轴向流态。R2为固定床反应器（FBR），生物载体来自德国Seekbelwerke公司的Bio-NET®块状填料（图2）。R1和R2的微生物接种自德国Obermichelsbach污水处理厂厌氧消化池，R3的微生物接种自德国FuldaGläserzell污水处理厂的DEMON反应器。
▲ 图1 Erlangen污水处理厂
在R1和R2厌氧消化反应器之前设有一个带加热装置的缓冲罐，用来预热进水，以满足中温厌氧消化工艺对温度的要求。在R3反应器之后，设有两个砂滤罐和一个活性炭吸附罐，进一步去除悬浮物、有机物等，以提高最终出水水质。
当R1、R2、R3三个反应器全部运行起来之后，整个中试装置持续运行200天。
▲图2 中试装置
▲ 图3 Bio-NET®块状填料
为使不同微生物适应反应器环境，设置三个反应器分别启动，进水从合成废水逐步替换为市政污水。厌氧消化工艺的停留时间为24小时，COD处理效果如图4所示。最终出水COD大约为112mg/L，COD去除率保持在62%左右，出水COD已经接近排放指标要求的75mg/L。
▲ 图4 厌氧消化工艺段COD处理效果（启动过程分三步进行：1.微生物适应阶段 2.R1和R2逐步调整进水阶段 3.R2进水全部来自R1出水的全运行阶段）
厌氧氨氧化工艺的停留时间为6小时，氨氮处理效果如图5所示。第三阶段至第五阶段氨氮去除率的降低可能是因为水中亚硝酸盐氮和氨氮的比例失调。最终实验确定亚硝氮和氨氮的最佳比例为1.14。R3反应器在运行4周之后成功启动，温度控制在28~35℃，pH为7.1~8.2，氨氮去除率可达92%。
▲ 图5 厌氧氨氧化工艺段氨氮处理效果（启动过程分六步进行，分别对应调整进水的六个阶段，详见 Water Practice & Technology 原文）
图6分别反应了中试装置运行200天的COD和氨氮处理工况。厌氧消化工艺的出水COD为85mg/L，厌氧氨氧化工艺的出水COD为39mg/L。结果表明，如果单独运行厌氧消化工艺，出水COD无法达到75mg/L的排放标准，但加上厌氧氨氧化工艺之后，出水COD完全可以达标。
对氨氮而言，厌氧消化工艺段的出水氨氮浓度为50mg/L。氨氮浓度不降反升的原因是在厌氧消化过程中，水中蛋白质的水解导致氨氮浓度升高。经过厌氧氨氧化工艺段，出水氨氮浓度为1mg/L，完全可以达到10mg/L的排放标准。
▲ 图6 200天工况下COD、氨氮处理效果
分散式污水处理是未来污水处理的发展趋势之一，埃尔朗根-纽伦堡大学的研究是针对分散式污水处理领域的一种全新研发思路，极好的结合了厌氧消化工艺和厌氧氨氧化工艺占地紧凑、能耗低的特点，是符合可持续发展的新型技术路线。
该研究将厌氧工艺在高浓度污水处理中的应用延伸到低浓度生活污水处理，为厌氧工艺处理生活污水进行了成功示范。在有机物降解和脱氮作用下，出水COD和氨氮完全可以分别达到75mg/L和10mg/L的排放标准。
中试装置的启动是整个系统成功的关键，每个反应器在启动时采用不同组分的合成废水，再按照一定比例逐渐替换为市政废水是启动成功的核心。该研究对分散式污水处理装置处理低浓度生活污水提供了全新的思路。
参考资料
L. Fröba, M.Vega, F. Groß and A. Delgado, Start-up of a decentralized pilot plant for the anaerobic treatment of domestic wastewater, Water Practice & Technology, Vol 12, NO 1, 386-395, DOI:10.2166/wpt.2017.045