“能源自给是市政污水处理的热点和难点，新A-B工艺的理念可为市政污水处理厂的能源自给和环境可持续性发展带来新的机遇。” 02新A-B工艺理念 图1 新A-B工艺概念图（来源：Zhang et al., 2019） 03A-2B工艺 在本团队研发的A-2B工艺(图2示)中，A段采用厌氧固定床生物膜反应器（AFBR）直接处理市政污水同步实现COD去除和甲烷生产，且污泥产量大幅降低。在B段，采用两段式主流厌氧氨氧化工艺，B1段采用序批式反应器（SBR）通过短程硝化（PN）将氨氮氧化为亚硝氮，B2段采用移动床生物膜反应器（MBBR）实现厌氧氨氧化（anammox）。 图2 A-2B工艺示意图（来源：Gu et al., 2018） 04厌氧耦合单级厌氧氨氧化工艺 基于上述A-2B工艺，本团队将时间维度的连续缺氧/好氧交替转换到空间维度，将厌氧氨氧化置于缺氧段，研发了单级主流厌氧氨氧化工艺并与厌氧工艺耦合。如图3所示，分段式进水反应器间隔设置缺氧/好氧交替单元，原水经厌氧反应器（UAFBR）处理后以连续流模式分段进入A1-A4缺氧池中。厌氧氨氧化菌固定于生物填料上并持留在缺氧池中，而悬浮污泥可在系统内循环。 图3 厌氧耦合单级主流厌氧氨氧化工艺示意图 （来源：Gu et al., 2019） 运行结果显示，原水中78.8%的COD经厌氧处理后可直接转化为甲烷，污泥产量与上述A-2B工艺相当（0.05 g/g CODremoval），出水COD/N比仅为0.44。启动10天后，总氮去除即达60%。氮的物料平衡显示，在系统稳定后，氨氮去除率可高达96%。在好氧池O1-O4中，氨氮转化为亚硝氮的效率在64.3%到84.8%之间，表明该反应器和操作模式可有效抑制NOB。经衡算，在缺氧池中厌氧氨氧化对总氮去除的贡献高达87%。 05能耗分析 对厌氧耦合单级主流厌氧氨氧化工艺的能耗分析表明大部分有机物经厌氧处理后直接转化为甲烷，从而使污泥产量大幅降低，因而污泥处置所需能耗显著降低（表1）。除此之外，与传统污泥厌氧发酵产能工艺相比，污水直接厌氧处理可将能源回收效率提高一倍以上。由于COD经厌氧去除，而氮经短程硝化-厌氧氨氧化去除，曝气能耗由0.23 kWh/m3显著降至0.03 kWh/m3。总体而言，本团队研发的厌氧耦合单级主流厌氧氨氧化工艺有望改变污水厂能耗高、剩余污泥多的现状，达到市政污水处理的能源自给，甚至实现能源输出。 表1 传统活性污泥工艺与A-B工艺能耗对比分析 a: 数据来源：Cao YS, 2011. Mass Flow and Energy Efficiency of Municipal Wastewater Treatment Plants. IWA Publishing. 06未来展望 能源自给和环境可持续性发展是未来市政污水处理的必然趋势。建立在新A-B工艺理念上耦合污水处理技术具有较高的工程和经济可行性，将大力助推市政污水处理的能源自给和环境可持续性发展。 参考文献： Junfeng Wan, Jun Gu, Qian Zhao, and Yu Liu, (2016). COD capture: a feasible option towards energy self-sufficient domestic wastewater treatment. Scientific Reports 6, 25054. Jun Gu, Qin Yang, and Yu Liu, (2018). Mainstream anammox in a novel A-2B process for energy-efficient municipal wastewater treatment with minimized sludge production. Water Research 138, 1-6. Jun Gu, Meng Zhang, Siyu Wang, and Yu Liu, (2019). Integrated upflow anaerobic fixed-bed and single-stage step-feed process for mainstream deammonification: A step further towards sustainable municipal wastewater reclamation. Science of the Total Environment 678, 559-564. Xiaoyuan Zhang, Meng Zhang, Hang Liu, Jun Gu, and Yu Liu. (2019) Environmental sustainability: a pressing challenge to biological sewage treatment processes. Current Opinion in Environmental Science & Health 12, 1-5
01市政污水处理的困境
目前，以活性污泥法为代表的传统污水处理工艺仍是全球市政污水厂的主流技术。这些传统工艺的核心在于通过生物好氧氧化将污染物去除，然而在污染治理的同时会带来高能耗、高剩余污泥产量等问题。据估算，市政污水处理单位能耗约为0.47 kWh/m3，已成为国民经济能耗中不可忽略的一环。例如，在美国用于污水处理的电能已达国家年总能耗的3%。另一方面，市政污水厂虽然已通过污泥厌氧消化等进行能源回收，但效率普遍偏低。例如，新加坡Jurong污水再生厂能源效率为35%，而北京高碑店污水处理厂能源效率仅为31%。另一方面，传统活性污泥法每去除1g COD将产生0.3-0.5g 的污泥，因此在污水处理过程中会产生大量剩余污泥。据报道，2017-2018年中国、欧盟和美国的污泥产量已达5,500、4,400和3,800万吨，如何妥善处置如此巨量的剩余污泥已愈发棘手。因此，亟需新的工艺理念引导新技术的研发以解决市政污水厂能源效率低、剩余污泥产量大的难题。
事实上，市政污水中的有机物富含大量化学能，据估算其潜在化学能可达传统活性污泥法所需能耗的5倍之多。这表明市政污水处理具有能源自给的潜能，而实现这一目标的关键在于将传统污水处理中“有机物生物好氧氧化并生成为剩余污泥”的理念转变为“将有机物直接用于产能回收”，其优势在于（1）增强能源回收；（2）降低因曝气而产生的能耗；（3）减少剩余污泥产生。因此，本团队提出了新A-B工艺的理念以实现市政污水处理厂的高能源回收效率和环境可持续性发展。具体来说，此工艺中的A段将市政污水中的COD回收并直接用于甲烷生产以实现能源回收，而B段采用生物法、物化法等对营养物进行低耗高效的去除及回收（图1）。以下将从两个具体的新A-B工艺（A-2B工艺和厌氧耦合单级主流厌氧氨氧化工艺）来阐述该理念下研发技术的可行性和先进性。
运行结果显示，A段AFBR可将进水COD从384 mg/L降至29 mg/L，而产泥仅为0.06 g/g CODremoved，为传统活性污泥工艺产泥率（约0.4 g/g CODremoved）的15%。甲烷产率为0.27 L/g CODremoved。B1段的SBR以分步进水、缺氧/好氧交替的模式运行，将进水氨氮转化为亚硝氮，并稳定在15 mg NO2--N/L左右，而硝态氮一直处于较低的水平，这表明该运行模式可有效地抑制亚硝酸盐氧化菌（NOB），保证稳定的短程硝化。经Bypass 1的原水携带的COD可作为短程反硝化的碳源。B2段的MBBR进水为含亚硝盐的B1段SBR出水及含氨氮的厌氧出水， NO2--N/NH4+-N浓度比可保持在1.1左右，有助于实现稳定的厌氧氨氧化脱氮。经MBBR处理后氨氮出水浓度低于2 mg N/L，亚硝氮低于1 mg N/L。氮的物料平衡显示，A-2B工艺的总氮去除达87%。
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