城市污水生物脫氮提質增效技術現狀與展望

李 佳,汪 涵,王亞宜, 2, *

(1. 同濟大學 環境科學與工程學院, 上海 200092; 2. 同濟大學 污染控制與資源化研究國家重點實驗室, 上海 200092)

0 引 言

隨著我國城鎮化和工業化進程的快速推進,污染物排放強度和規模激增,水環境污染逐漸成為制約國民經濟持續健康和高質量穩步發展的突出問題[1]。為應對日益復雜的水環境治理形勢,自2015年起,我國水環境治理行業進入政策密集發布期,其中“水十條”的出臺標志著我國水環境治理從政策層面全面進入了綜合治理新時期[2]。在國家政策驅動下,我國污水處理能力顯著提升,但水體富營養化形勢依然嚴峻。《中國環境統計年鑒(2021)》數據顯示,在2020年全國重點監測的59個湖泊中,49.5%的湖泊處于富營養化狀態。為緩解水體富營養化現象,城市污水處理由“增量”走向“提質”成為必然趨勢。

氮素是誘發水體富營養化的一個重要原因,提升城市水環境保護的末端屏障——城市污水處理廠的脫氮效能對于改善水體富營養化現狀至關重要[3]。《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)中,一級A排放標準要求總氮(Total Nitrogen,TN)排放限值為15 mg/L,部分地區出臺了更為嚴格的地方標準,如昆明地方標準《城鎮污水處理廠主要污染物排放限值》(DB 5301/T 43—2020)的A級標準要求出水TN低至5 mg/L(圖1)。目前,城市污水脫氮主要依賴于生物脫氮過程,而已建城市污水處理系統的生物脫氮能力普遍無法滿足現階段的高排放標準,因此,補齊脫氮短板、強化脫氮性能是城市污水處理廠提標改造的重點。

圖1 城鎮污水處理廠污染物排放標準Fig. 1 Pollutant discharge standards of urban sewage treatment plants in China

傳統生物脫氮技術在實現污水氮素去除的同時往往伴隨著高能耗和高物耗,且剩余污泥產量和溫室氣體排放量較大,這有悖于雙碳時代下的可持續發展理念[4-5]。因此,污水處理行業面臨著“減污”和“降碳”的雙重挑戰,城市污水生物脫氮技術需向著低碳、高效方向迭代升級。實現傳統生物脫氮工藝的提質增效和推進新型低碳自養生物脫氮工藝的落地應用將是污水生物脫氮領域未來發展的核心驅動力。

本文以提升污水生物脫氮“減污”和“降碳”的協同度為導向,總結了城市污水廠提標改造強化生物脫氮效能的常規路徑,介紹了新型低碳自養生物脫氮技術的研究進展和應用前景,展望了未來城市污水處理生物脫氮領域的發展方向和趨勢,以期為實現城市污水生物脫氮高效化、低碳化和智能化提供指導。

1 強化城市污水生物脫氮的常規路徑

1.1 深度挖掘原有生物處理工藝的脫氮潛力

從降低投資成本角度考慮,城市污水處理廠提標改造應優先考慮挖掘現有生物處理系統的脫氮潛力,盡量不增加污水處理系統的工藝流程長度。通過高效利用污水碳源、提升脫氮系統的功能菌豐度和強化同步硝化反硝化(Simultaneous Nitrification and Denitrification, SND)脫氮途徑均可原位提升已建生物反應池的脫氮效能。

1.1.1 高效利用污水碳源

分段進水多級Aanox/O工藝是指污水分多段進入生物反應池內的厭氧池和各級缺氧池。如圖2(b)所示,該工藝可最大程度地優化碳源利用,使反硝化反應更徹底,有效降低外碳源投加量[8]。此外,分段進水多級Aanox/O工藝內各段好氧區的硝化液可直接進入下一段缺氧區,從而減少了傳統Aanaer/Aanox/O工藝硝化液內回流帶來的能耗[9]。

1.1.2 提升脫氮功能菌豐度

硝化菌和反硝化菌是生物脫氮系統中的核心功能微生物,增加脫氮功能微生物的絕對豐度對于提升脫氮效能至關重要。在傳統活性污泥系統中,為防止二沉池泥位上升所引發的活性污泥流失問題,MLSS通常控制在2 000～4 000 mg/L。將移動床生物膜反應器(Moving Bed Biofilm Reactor, MBBR)工藝和膜生物反應器(Membrane Bioreactor, MBR)工藝與傳統活性污泥法相結合,可在避免污泥流失前提下,增加系統中功能菌豐度,提升生物脫氮能力。

膜法污水處理技術是提升傳統活性污泥法工藝中MLSS的另一種有效策略[25]。在污水高標準處理與排放需求的驅動下,MBR技術的工藝優勢日益凸顯,工程應用發展迅速[26]。在MBR工藝中,采用膜分離技術替代傳統活性污泥法的沉淀池,因膜濾具有高效固液分離性能,生物池中可形成8 000～12 000 mg/L超高MLSS,顯著提升脫氮功能菌數量,如圖2(f)所示[27-28]。此外,MBR工藝不僅可強化生物脫氮作用,其高攔截效能還可使二級處理單元出水的細菌、懸浮物接近為零,是推進再生水利用的關鍵技術。但不可忽視的是,在污水處理綠色低碳發展理念下,MBR技術面臨著投資成本大、運行能耗高和膜污染問題等重大挑戰,這也將激發MBR技術的進一步低碳化迭代升級[29]。

1.1.3 強化SND脫氮途徑

傳統生物脫氮工藝中,硝化過程和反硝化過程需要在空間或時間上存在好氧和缺氧交替的條件下進行。但有研究表明,硝化和反硝化也可在同一空間中同時發生,即為SND現象,其發生機制包括宏觀環境(好氧池曝氣不均勻)、微觀環境(菌膠團內部存在缺氧狀態)和微生物學(異養硝化/好氧反硝化微生物的存在)等方面[30-31]。與傳統生物脫氮過程相比,SND可降低碳源消耗22%～40%,減少剩余污泥產量30%,是一種短流程生物脫氮且可實現節能降耗的新型工藝[32]。在以往研究中,常采用好氧顆粒污泥工藝或純膜法MBBR工藝來構建SND脫氮系統[33-34],但兩者與Aanaer/Aanox/O工藝提升SND性能的融合度欠缺。膜曝氣生物膜反應器(Membrane Aerated Biofilm Reactor, MABR)作為一種新型污水處理技術,在原位強化Aanaer/Aanox/O等傳統生物脫氮工藝的SND性能方面具有顯著優勢,如圖2(g)所示。

截至目前,MABR技術已應用于美國、加拿大、比利時、荷蘭、柬埔寨等多個國家的城市污水處理廠工程改造項目中[38, 41, 44-45]。例如,美國伊利諾伊州的Yorkville-Bristol Sanitary Distrist污水處理廠是目前全球最大的MABR改造工程,處理規模為1.37×104m3/d,于2017年10月投運,穩定運行后出水TN從10 mg/L降低至6 mg/L[42]。此外,MABR系統在美國芝加哥O′Brien再生水廠和比利時Schilde污水處理廠的升級改造中也均表現出良好的TN去除能力[46]。

1.2 增設反硝化生物濾池深度處理工藝

當二級生化處理單元的原位強化策略仍無法滿足高TN排放標準時,可通過增加深度處理工藝以強化TN去除,如圖2(h)所示。

注:Aanaer(缺氧池),Aanox(缺氧池),O(好氧池),PHAs(聚羥基脂肪酸酯),Gly(糖原),IFAS(固定生物膜-活性污泥),MBR(膜生物反應器),MLSS(混合液懸浮固體),SND(同步硝化反硝化),MABR(膜曝氣生物膜反應器)圖2 傳統Aanaer/Aanox/O工藝及提標改造策略(紅色虛線框內為改造方案)Fig. 2 Traditional Aanaer/Aanox/O process and upgrading strategies (the red dashed-line box shows retrofitting schemes)

反硝化生物濾池是降低二級生物處理單元尾水TN濃度的有效途徑,是污水深度處理領域工程應用的熱點技術之一[47]。

近年來,基于硫自養反硝化(Sulfur-Driven Autotrophic Denitrification, SDAD)技術的生物濾池逐漸引起廣泛關注,該工藝可使污水生物脫氮擺脫對碳源的依賴,表現出節能降耗、環境友好等技術優勢,具有未來替代傳統異養反硝化生物濾池的潛力(詳見2.2.2小節)[51]。

2 生物脫氮提質增效亟需新型自養生物脫氮工藝實施

2.1 厭氧氨氧化(Anammox)工藝

圖3 新型自養生物脫氮過程的原理圖Fig. 3 Schematic diagrams of novel autotrophic nitrogen removal processes

(1)

注:AOB(氨氧化細菌),NOB(亞硝酸鹽氧化細菌),DB(反硝化細菌),AnAOB(厭氧氨氧化細菌),COD(化學需氧量)圖4 3種工藝的氮素去除途徑以及O2和COD消耗量對比Fig. 4 Comparision of the nitrogen removal pathway andthe consumption of O2 and COD in three processes

注:HeNR(異養脫氮),AuNR(自養脫氮)圖5 Aanaer/Aanox/O工藝中傳統異養反硝化脫氮耦合厭氧氨氧化(Anammox)自養脫氮示意圖[23, 52]Fig. 5 Schematic diagram of traditional heterotrophic denitrification combined with anammoxautotrophic nitrogen removal in anaerobic/anoxic/oxic process[23, 52]

2.2 硫自養反硝化(SDAD)工藝

(2)

(3)

(4)

圖6 硫自養反硝化工藝示意圖Fig. 6 Schematic diagrams of sulfur-drivenautotrophic denitrification processes

2.3 鐵自養反硝化(NDFO)工藝

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3 污水生物脫氮技術的研究展望

在雙碳戰略目標背景下,污水生物脫氮也面臨著理論創新和技術創新的雙重挑戰。污水生物脫氮處理是一項涉及生物、材料、信息等多學科的系統工程,應在學科交叉點上尋找創新之源,攻克高效、集約、智能的低碳脫氮技術,科學構建污水生物處理技術的研發與應用新格局,助力實現污水處理減污降碳協同增效目標。

(1)加強微生物分離純化培養與微生物組微觀機制解析

脫氮微生物是驅動污水生物脫氮過程進行的重要引擎,功能菌的分離純化培養可以為微生物生長動力學參數和代謝特性研究提供重要的微生物基礎。借助新興培養技術(高通量培養法、微流控培養技術和細胞分選技術等),加強自養生物脫氮功能菌的純培養研究,攻克AnAOB等關鍵功能菌至今尚未能純培養的技術瓶頸,為自養生物脫氮工藝的機理研究與工程應用提供微生物生態學理論基礎。在生物脫氮系統中,常存在多菌種之間復雜互作關系(競爭、共生、交叉互養等),并對運行效能和穩定性起到至關重要的作用。采用分子生物學技術(如宏基因組學、宏蛋白組學、宏轉錄組學和宏代謝組學等),挖掘時空尺度上脫氮功能基因的存在和表達,揭示功能微生物的代謝途徑和分子水平的代謝特征,解析微生物組微觀特性和工藝宏觀脫氮效能之間的構效關系,為微生物組的精準定向調控和工藝優化運行提供重要基礎。此外,合成生物學和基因編輯技術有可能成為提升低碳脫氮系統效能的“利器”,開發抵御低溫、重金屬抑制等氧化應激環境的高效功能菌,提升生物脫氮工藝的穩定性和魯棒性。

(2)深化新型材料與污水生物脫氮技術的融合

污水生物脫氮技術的研發與材料學科的發展密不可分,新型材料的應用可加速污水脫氮處理技術的更新迭代。MBR和MABR等新型生物脫氮系統均是以膜材料為核心的污水處理技術,其中,抗污堵和耐化學清洗的親水膜材料可延長MBR膜組件的使用壽命,透氣性疏水膜材料可提升MABR膜組件的氧傳質速率。膜材料的不斷改良將持續推動MBR和MABR等膜工藝的技術改進和成本降低。而在SDAD和ISAD生物濾池中,復合活性生物載體(濾料)的研發是應用該工藝實現高效深度脫氮的核心。此外,未來納米材料和催化材料等新型環境功能材料也可能在污水脫氮工藝中發揮重要作用。加深污水處理技術與材料技術的交叉融合可顯著推動新型低碳污水脫氮技術的發展,實現技術變革與科技創新。

(3)促進智能化信息技術實現精細化生物脫氮

4 結 論

生物脫氮提質增效是目前城市污水處理廠提標改造的關注重點。通過總結分析污水處理廠生物脫氮增效的主要技術路徑,得到如下主要結論:

(1)通過深度挖掘現有生物處理工藝的脫氮潛力和增加反硝化生物濾池深度處理工藝,可以原位或異位提升已建城市污水處理系統的脫氮性能,以滿足高排放標準下的出水TN要求。

(2)采用Anammox、SDAD和NDFO等新型自養生物脫氮工藝,或在傳統異養脫氮系統中引入自養脫氮途徑以構建異養-自養耦合深度脫氮系統,可實現生物脫氮過程的節能降耗,提升污水處理“減污”和“降碳”的協同度。

(3)污水生物脫氮過程是一項生物、材料和信息等多學科交叉的系統工程,未來應與生物技術、材料技術和信息技術深度融合,推進污水治理技術迭代升級,朝著高效化、集約化和智能化方向發展。