奥地利STRASS污水厂的技术最新进展：主流厌氧氨氧化和200%能源自给
采用传统AB处理工艺的奥地利Strass污水厂，因在能源自给方面取得的成功而名声大噪。早在20世纪90年代，Strass污水厂就开始关注如何能在满足工厂运行之外实现产能。其合理性在于污水中蕴含的能量远高于处理污水所需的能耗。典型的欧洲污水按人口当量计算，理论上污水中蕴含的能量为18 W/person，而处理污水的能耗约为5-7W/person。
Strass污水厂始建于1988年，位于奥地利因斯布鲁克市的Strass Valley。后续经过一系列的技术改造升级，其设计日处理规模为15万人口当量（60g BOD/PE），旅游高峰期时，日处理规模可达25万人口当量，平均处理规模约为3万立方米每天。Strass污水厂的总氮年去除率高于80%，出水TN的浓度小于5 mg/L，NH4-N小于1.5 mg/L， COD和BOD去除率大于90%。Strass污水厂在1996年已经可以生产50%其运行所需的能量；到2005年，工厂实现了能源自给和额外产能（108%能源自给率）。
Strass污水厂采取了一系列措施来实现能源自给，采用两段生物系统的AB工艺就是其中之一。A段可以去除55%-65%的有机物负荷，污泥停留时间少于半天。B段的污泥停留时间约为10天，这样可以去除80%的氮。在线的氨氮分析器控制着曝气量和曝气时间，并且如果需要，所有的活性污泥池都可以进行有效曝气。这种工艺可以保证有机质最大程度地进入污泥消化系统。Strass污水厂最终保证了污水中约35.4%的有机质用于产生物沼气。
▲ COD负荷平衡图（按每天每人口当量 COD 120 g计算）
（1）侧流厌氧氨氧化
剩余污泥被浓缩，厌氧消化和脱水。通过这种方式产生的消化液和污泥脱水液通常都有很高的氮负荷。Strass污水厂的一个独到之处在于其从2004年开始在测流中利用DEMON工艺去除氨氮。工艺还含有结合硝化和厌氧氨氧化过程的序批式反应器（SBRs），在两年半的时间内，该工艺分三个阶段被放大应用。除了可以降低硝化反应的能源需求，采用DEMON工艺的转化过程能够使大部分的进水有机物负荷在消化器中被用于生成生物沼气，而不是在反硝化作用中被消耗。并且和其前工艺相比， DEMON工艺的一大不同之处在于它不需要额外添加碳源。
▲ 侧流厌氧氨氧化DEMON工艺运行的氨氮负荷变化
从上图可以看出，自2004年Strass污水厂引入侧流DEMON技术后，无需再外加碳源即可进行脱氮，脱氮的能耗也随之降低近一半。自2016年初工厂还采用了最新的分离富集设备代替原先的旋流分离器，侧流系统的氨氮负荷可提高至1.0 KgN/m3/d以上，并稳定运行。
▲ 侧流系统中采用的新型分离富集装置
▲ 侧流系统中的Anammox菌
值得一提的是，由于采用了新的分离装置，侧流DEMON可以在较高的氮负荷下稳定运行。Strass污水厂从周边运来垃圾渗滤液，直接投入侧流系统中，不仅进一步提高了氮负荷，同时为Strass带来了新的收入来源。
（2）主流厌氧氨氧化
自2016年2月，污水厂主流DEMON系统也更新了Anammox富集分离设备。该设备专利权属于美国的DC Water。此外，与主流DEMON系统配套的自控系统AvN也得到了应用，AvN系统通过一系列的传感器和控制系统，实时控制NH4-N和NOx-N的比例。此外，由于侧流系统中Anammox菌的稳定富集，在低温和特殊运行条件下，可以用于补给主流系统。这些综合技术手段的有效运用，有效保障了主流DEMON工艺的稳定运行。
▲ 主流厌氧氨氧化的污泥
▲ AvN自控系统
另外，由于主流系统中Anammox菌及污泥的颗粒化，显著提高了污泥的沉降性能。Strass厂原有的三个二沉池，在笔者参观时，停用了其中一个。只需要两个二沉池就能保障出水水质。这是新型分离富集装置使用后的额外效果。
▲ 停用的二沉池
（3）氮平衡
奥地利国家标准中要求污水厂的年总氮去除率需高于80%。Strass污水厂进水总氮负荷为每人口当量(PE)每天11g N （TN浓度约为55 mg/L ）。下图为氮平衡图。侧流厌氧氨氧化去除约20%-25%的总氮，主流厌氧氨氧化去除约45%的氨氮，剩余20%排放（TN排放年均浓度小于5 mg/L）。
Strass 污水厂有两个2500立方米的厌氧消化罐。在热电联产(CHP)单元中采用全新发动机可以提高使用效率和电机效率，这也是是实现产能的重要因素。新机组可以达到40%的天然气-电能转化率。一系列的工艺组合大大地提高了能源自给的比例。
为了能提高生物沼气的发电量，Strass污水厂从2008年开始采取了共同消化的方式。下图为2003-2009年工厂产能和耗能的情况，里面的数据显示了产能和耗能之间的比例。当产能大于耗能时（如2005年2月，启动侧流DEMON工艺后），污水处理厂达到了能源自给自足（108%）。
▲ 2003-2009年的耗能与产能变化趋势
在2008年之后，通过外加有机质，工厂的能源生产量超过了消耗量，实现了额外产能。如在2014年，Strass污水厂每日沼气发电量约为14,120 Kwh。目前，通过污水有机质最大化利用、厌氧氨氧化DEMON以及共消化等一系列综合技术手段，Strass污水厂已经实现了200%的能源自给率。
由于后续污泥处置费用相对较高，每吨脱水污泥（含水率30%计算）送去焚烧厂处理的费用为75-80欧元。Strass污水厂在如何最优化污泥与厨余共消化上做了很多细致的研究。一方面希望产沼气最大化，一方面希望剩余污泥最小化。
实际的运行经验表明，添加餐厨并不一定导致剩余污泥量增加。当添加餐厨的量在10%（按有机负荷计算），产沼气量提高了20%，但共消化后剩余污泥量不升反降，约为原来的92%。这点表明适当的添加厨余，可有效促进了污泥的消化。但继续添加更多的厨余后，剩余污泥量会有相应的增加。当厨余增加到1/3，沼气产率提高60%，侧流系统中总氮负荷提高25%，而剩余污泥量只增加了16%。
Strass污水厂的成功不仅仅归功于对技术的应用。在项目设立之初，相关负责人就对最终的运营有着严格和全面的规划。此外，污水厂还和当地的ARR Consult技术咨询公司，比利时因斯布鲁克大学以及美国两家水务公司DC Water和HRSD保持着紧密的合作关系。同时，处理厂拥有出色的专业工作团队，其员工不但能用自己领域的知识技能完成监督维护的工作，还活跃在社会公共领域。
参考资料
P. Aichinger et al. Synergisticco-digestion of solid-organic-waste and municipal sewage-sludge: 1 plus 1equals more than 2 in terms of biogas production and solids reduction. Water Research 87 (2015) 416-423.
Wett, B.; Buchauer, K.; Fimml, C. (2007) Energy self-sufficiency as a feasible concept for wastewater treatment systems. Proceeding of the IWA Leading Edge Technology Conference, Singapore, Asian Water, 21-24.