200万美元！中试结果显示厌氧氨氧化技术能为纽约创造巨大价值
纽约环境保护局（New York City Department of Environmental Protection）负责纽约14座污水处理厂的运营。然而，其中只有8座污水厂有污泥脱水设备，其余6座污水厂的污泥要用船或者管道运到有污泥处理设施的污水厂进行处理。为了解决长岛湾和牙买加湾受纳水体的溶解氧不足的问题，他们设立了一个长期的氨氮控制项目(Long term nitrogen control program- LTCP)，对其污水厂的脱氮工艺进行升级改造。
他们在过去已经对现有的分段进料活性污泥工艺进行改造，包含了串联式的若干段A/O区来实现氮的去除。但是，经过脱水处理的消化污泥浓缩液仍有大量氨氮，在有些厂的浓缩液中的氮占总氮负荷能高达40%。对这部分滤出液作分开处理(SCT – Separate centrate treatment)比与进水进行混合更经济实惠，而短程硝化脱氮工艺比传统的硝化/反硝化更节省成本。
就此，纽约环境保护局对三种侧流脱氮工艺进行了对比研究：
传统脱氮工艺，配有碱度和碳源控制的串联式缺氧/好氧区(anoxic/oxic)：测试污水厂为Hunts Point, Bowery Bay,和26th Ward污水厂；
全尺寸的SHARON工艺：测试污水厂为Wards Island WWTP；
单阶部分亚硝化/厌氧氨氧化(PNA)MBBR工艺的中试反应器：测试污水厂为26th Ward污水厂。中试研究由纽约城市学院的团队执行。
▲ 三种脱氮工艺的原理对比
▲ 纽约第26区污水厂
纽约第26区污水厂(26th Ward Wastewater Treatment Plant)位于纽约的布鲁克林区。它的污泥脱水设备处理来自其他污水厂的污泥，经离心机处理后，压成泥饼，并产生浓缩液，后者的日产量约为4,920m³/d。污水厂把这些浓缩液导入一个出水井，加入氯化铁和稀释用水来除磷，防止鸟粪石结晶的形成，对下游管网、反应器和设备等造成损坏。
下面是浓缩液处理流程图以及浓缩液的主要参数
▲ 第26区污水厂浓缩液处理流程图
▲ 第26区污水厂的浓缩液特性
传统的生物脱氮处理包括了氨氮氧化成硝态氮，然后硝态氮还原成氮气。硝化需要大量的曝气和投加碱来控制pH，另外反硝化也需要外加碳源。
在2000年，第26区污水厂的3号曝气池专门用于处理消化污泥浓缩液，采用的是传统硝化反硝化工艺。该曝气池被划分成几个缺氧和好氧区，并充分利用消化浓缩液的出水温度提高反应效率。氢氧化钠被用作调节碱度的化学品，使pH维持在7.2-7.8的水平。剩下的1号和2号曝气池，而处理初沉池的出水。三个曝气池都接受回流剩余污泥，包括3号池的硝化出水，来实现1、2号池的硝化菌的生物强化。甘油是他们选择的外加碳源。尽管化学品和碳源的投加大大增加的运行成本，但污水厂的脱氮效果也是很显著的，脱氮率增加了79%。下图是1996年到2015年，污水厂排入牙买加湾的总氮变化情况：
SHARON是Single reactor High activity Ammonia Removal over Nitrite的英文简称，由荷兰代尔夫特理工大学在1997年研发的一种生物脱氮技术。它是一种亚硝化脱氮工艺，其原理是在同单个反应器内，在有氧的环境下，自养型亚硝化菌将氨氮转化为亚硝态氮，然后在缺氧条件下，异氧型反硝化菌以有机物为电子供体，亚硝态氮为电子受体，将亚硝态氮转化为氮气。跟传统BNR相比，SHARON的曝气量减少25%，碳源量减少40%，污泥产量也减少30%，温室气体排放也减少20%。
作为上述的LTCP脱氮项目的一部分，纽约环境保护局在Wards Island污水厂建造了世界最大规模的SHARON反应器，该污水厂也是纽约市最大的中心污水处理厂之一。它的运行表现正在检测评估中。
这个反应器的设计处理能力为7,000m³/d，日总氮负荷为5,000kg/d，总无机氮去除率为85%。反应温度为35℃，虽然稍高于浓缩液的出水温度，但因为SHARON工艺本身是一个放热反应，所以加上适当的冷却设施，它能够产生足够的热在全年时间下来维持稳定的运行温度。
厌氧氨氧化细菌在厌氧条件下，利用硝态氮作为电子受体，能将氨氮直接转化成氮气。PNA工艺只需要氨氧化细菌氧化50%的氨氮，剩下的工作就交给Anammox菌来完成，最大的理论脱氮率能达89%，剩下的11%生成硝态氮。
由于Anammox菌生长速率慢，而且产泥量低，所以启动时间较长。目前在美国PNA工艺只有几个小型的全尺寸应用。为了更好地积累生物质，第26区污水厂的PNA中试试验采用MBBR和PNA结合的方式，结果显示只需很少的碱度调节就能实现80%-90%的脱氮率。该工艺对纽约市有巨大的潜在价值。
占地面积
下表对三种工艺的单位体积符合和去除率进行了比较。PNA工艺在单位处理量和占地面积方面优势明显。
成本估算
传统的脱氮处理、SHARON工艺和部分亚硝化/厌氧氨氧化(PNA)工艺这三种在前面提到的工艺都是可行的脱氮技术，并在世界各地的许多污水厂得到实践。前两者正在纽约市的污水处理系统中顺利运行。但是，在污水厂日渐被视作资源回收工厂的今天，大家越来越重视工艺选择和运行的能耗效率——大家都把目标瞄准能源平衡甚至能实现额外产能的污水厂。而PNA工艺跟这个框架目标相匹配。报告团队根据污泥浓缩液性质，参考2012年投加的氢氧化钠和甘油的实际价格，在80%的脱氮率的条件下，对三种脱氮工艺进行了成本分析。下表是分析结果：
分析结果显示，要实现总无机氮80%的去除率，传统硝化反硝化工艺和SHARON工艺的年费用约为250万美元和180万美元，而PNA只需57万美元！
接着，研究人员又分析了单位重量的氮的去除成本（见下表），PNA的成本依然远低于前两者(SHARON的 65%，和传统硝化反硝化的35%)。
上述对比结果清楚显示PNA厌氧氨氧化工艺能以远低于其他脱氮工艺的成本，提供相同甚至更好的脱氮效果，这意味着节省下数以百万的美金。研究团队举了一个例子，处理5,000m³/d的浓缩液，即使去除率仅为70%，跟传统脱氮工艺相比，PNA工艺每年就能节省110万度电、2,000吨甘油、2,600吨二氧化碳的排放，总节省成本为220万美元。
如果纽约市最终采纳PNA工艺作为主要的脱氮工艺，那么在未来几十年，纽约市污水处理所需的曝气量将减少60%，污泥产量减少90%，化学品投加量减少50%，而且不再需要外加碳源。
世界之都纽约会否在水处理领域率先迈出这引领世界的重要一步？我们尽管放眼期待。今年，一个关注未来污水厂发展方向的重要专业会议也将在纽约进行。2017年8月5日-9日，第二届IWA国际资源回收大会（2nd IWA International Resource Recovery Conference)将在纽约哥伦比亚大学举办。大会将探讨能够在污水处理过程中实现清洁水、能源和营养物质回收的前沿处理工艺和创新技术管理方案。欢迎您访问大会官网了解更过信息。https://www.irrc2017.org/about
参考资料
K. Ramalingam, J. Fillos, M. Mehrdad, D. Halim, A. Deur, M. Orpianesi, Side stream treatment nitrogen removal: alternatives for New York City, Water Practice & Technology, Vol.12, No. 1, 179-185