Lodomat工艺: FNA游离亚硝酸增强厌氧消化工程化应用获新进展
澳大利亚昆士兰大学袁志国院士团队最近在Water Research上发表了该团队用游离亚硝酸增强厌氧污泥发酵的最新研究成果：
1. 游离亚硝酸（FNA）对剩余污泥进行预处理可以使厌氧污泥消化池HRT降低至7.5天。
2. 和对照组污泥厌氧消化反应器（HRT＝15天）比，污泥厌氧消化系统在较低HRT（12天和7.5天）条件下仍能取得更高的VS去除率和甲烷产率（>30%）；
3. 由于氨释放量增加，FNA预处理并未引起厌氧消化池酸化。
这一研究为污泥厌氧消化池升级改造开辟了一条新途径，尤其是对于用地紧张地区。
剩余活性污泥（WAS）是污水生物处理工艺的主要副产物，其处理处置过程会极大地增加污水处理厂的处理成本。厌氧消化（AD）工艺，由于其相对较高且低成本的挥发性固体（VS）去除率，已被广泛应用于剩余污泥稳定化处理。然而，剩余污泥较难以被水解，常常是厌氧消化过程的限速步骤。为了达到满意的VS去除率和沼气产率，污泥厌氧消化过程通常需要约15至20天，甚至更长的水力停留时间（HRT）。因此，如何强化污泥水解、缩短HRT成为厌氧消化工艺应用的一个关键因素。
图1. FNA预处理技术提高污泥厌氧消化概念图(Lodomat工艺)
昆士兰大学高级水管理中心（AWMC）袁志国院士团队自2010年以来，在游离亚硝酸（FNA，ppm水平）污泥预处理提高厌氧消化方面开展了系统性的研究。该技术利用侧流污水对进入厌氧反应器的剩余污泥进行预处理，促进污泥的水解，以增强厌氧消化的效果（图1技术概念图）。在前期连续流厌氧生物反应器（HRT=15d）对比试验中（连续运行超过半年），采用浓度为1.8 mgN/L FNA预处理（NO2-N = 250 mg/L, pH = 5.5, T =25 oC）的污泥厌氧消化系统的VS去除率和污泥脱水性相比对照系统，分别改善了17%和14%（Wei et al., 2018）。
基于上述背景，AWMC团队最新研究验证了FNA预处理技术改善污泥水解及降低污泥厌氧消化工艺HRT的可行性。这项研究成果将为现有污水厂污泥厌氧消化系统的升级改造提供一条新途径，尤其是用地紧张地区。
采用两套连续流厌氧污泥消化池（对照组和实验组）处理取于实际污水处理厂的浓缩剩余活性污泥，两套系统连续运行6个月，期间分为3个阶段。实验组在第二，第三段采用浓度为6.1 mgN/L的FNA（NO2-N = 250 mg/L, pH = 5.0, T =25 oC）对污泥预处理24h，3个运行阶段HRT分别为15d、12d和7.5d。通过测定VS去除率、甲烷产率、氨氮释放、pH、碱度、脱水性等指标综合评价两套系统的处理性能。考虑到剩余活性污泥厌氧消化通常需要15-20d，对照组在3个阶段则保持固定的HRT=15d。
如下图所示，与对照组相比，经FNA预处理的实验组在第2阶段和第3阶段VS去除率分别改善了39%和30%。与此相应，实验组在第2阶段和第3阶段甲烷产率（单位进泥产甲烷量）增加了31-35%，而产甲烷速率（单位时间产甲烷量）分别增加了64%和165%。产甲烷速率的大幅增加是由负荷增加和甲烷产率增加的叠加造成的。
图2. 两个厌氧反应器三个阶段内VS去除率和甲烷产率。第一阶段为基线段（实验组和对照组AD反应器运行条件相同，即无FNA预处理）
在第2阶段初期，由于降低HRT和FNA预处理的协同作用导致了短暂的过负荷，此过程对产甲烷菌活性产生了一定的影响，同时也发现了VFA的累积（图3B），经过约2周左右产甲烷菌逐步恢复活性，实验组反应器的VFA累积也逐步消失并最终达到稳定状态。在第3阶段再度降低HRT至7.5d时，产甲烷菌仅经过5天过渡期就达到了稳定的高效产甲烷活性（图2B），此时，VFA浓度有所增加（图3B），说明经过FNA预处理后显著改善了污泥水解酸化效率，污泥水解已不是厌氧消化过程的限速步骤，FNA预处理作用得到充分显现。
第3阶段VFA积累并未引起AD反应器的酸化。实际上，实验组反应器pH（7.29±0.01）高于对照组反应器pH（7.25±0.01）。这主要是因为而氨氮浓度在第2阶段和第3阶段均明显高于对照组（图3A），其稳定阶段分别增加了47%和38%。氨氮浓度的增加对于实验组厌氧反应器的稳定运行起到了重要的辅助作用。
图3. 两个厌氧反应器三个阶段内氨氮和tVFA浓度变化
综上所述，本研究表明与未经FNA预处理的对照组相比，经FNA预处理的污泥厌氧消化池可以在HRT下降50%的情况下取得更高的VS去除率和甲烷产率（>30%）。这项研究给目前由于用地紧张而处于瓶颈期的污泥厌氧消化池升级改造打开了新的一扇窗。目前，课题组正在进行中试研究，我们期待进一步的中试项目试验结果。
参考资料
Zhang, L., Duan, H., Ye, L., Liu, L.,Batstone, D. J., Yuan, Z. (2018) Increasing capacity of an anaerobic sludgedigester through FNA pre-treatment of thickened waste activated sludge, WaterResearch, https://doi.org/10.1016/j.watres.2018.11.008
Wei W., Wang, Q., Zhang,L., Laloo, A., Duan, H., Batstone, D. J. and Yuan, Z. (2018) Free nitrous acidpre-treatment of waste activated sludge enhances volatile solids destructionand improves sludge dewaterability in continuous anaerobic digestion. WaterResearch, 130: 13-19.
2018国际水协营养物去除与回收大会（IWA Nutrient Removal and Recovery Conference）即将于11月18日-21日在澳大利亚布里斯班举行。该系列会议是由国际水协营养物去除与回收专家组（IWA Nutrient Removal and Recovery Specialist Group）发起，之前曾在美国（2016年）和中国重庆（2017年）成功举办过活动。今年的会议由澳大利亚昆士兰大学高级水管理中心承办，袁志国院士担任大会主席。
本次大会的主题是“Closing the Loop”，将关注如何更加综合全面地利用创新工艺和管理方法提高水处理中的资源利用率，最大程度地实现环境友好和提升经济收益。