脫氮除磷是污水處理的重要環節。目前的脫氮技術包括了三種方法，其中最傳統的方法當然是大家熟悉的硝化/反硝化(nitrification-denitrification)，另外還有亞硝化/反亞硝化(nitritation-denitritation)以及部分亞硝化/厭氧氨氧化(partial nitritation-anammox)。
傳統的硝化/反硝化雖然是一個較為穩定的工藝技術，但是成本卻相對較高，原因是它需要足夠的堿度投加量、曝氣量以及反硝化中所需要的外加碳源。與傳統的脫氮過程相比，亞硝化/反亞硝化能夠降低25%的曝氣，減少約40%的外加碳源，最終的污泥量也減少約40%。而部分亞硝化/厭氧氨氧化工藝的能耗和污泥產量比亞硝化/反亞硝化還要低。如果能用部分亞硝化/厭氧氨氧化工藝取代現有主流的硝化/反硝化脫氮工藝，將大大減少污水廠的運行成本。
過去十多年的研究，世界各地的科研團隊都在研究主流短程脫氮工藝工程化的可能性。2020年9月1日，美國環保署epa給美國水研究基金會(wrf)、哥倫比亞大學、華盛頓水司(dc water)、弗吉尼亞州的hrsd衛生局(hampton roads sanitation department)、喬治華盛頓大學、西北大學的聯合團隊撥款999670美元，目標是在污水主流線中，為厭氧氨氧化菌提供更多的亞硝酸鹽，為快速短程脫氮工藝的全面應用鋪平道路。
部分反硝化/厭氧氨氧化
為什么epa愿意要撥款百萬美元做這次研究？因為這個聯合團隊稱有一種新策略，它能更好地實現主流厭氧氨氧化。在過去，為了確保脫氮系統有充足的亞硝酸鹽產量，抑制亞硝化鹽氧化菌(nob)是常見操作，但在這次研究中，聯合團隊將選擇部分反硝化的方法來為脫氮系統提供更可靠的亞硝酸鹽產量。
為什么要選擇進行部分反硝化的反應呢？請大家先再看一眼上邊的圖片：部分亞硝化/厭氧氨氧化(partial nitritation-anammox)除了能將亞硝酸鹽和氨氮轉化成氮氣之外，還不可避免地生成硝酸鹽。
其實此前已經有一些主流厭氧氨氧化的成功中試報道，但這些系統出水的總無機氮 (tin)都無法做到低于5mg/l。主流厭氧氨氧化要實現工程化，必須滿足各地的出水標準，這也是我們至今沒有看到真正意義的主流厭氧氨氧化污水廠的原因之一。
由于這些剩余的總無機氮主要為硝酸，如何去除這些硝態氮呢？聯合團隊想到了這么一個辦法：他們根據化學計量的數據，投加合適的外加碳源，將硝酸鹽轉化為亞硝態氮，然后再結合等量的剩余氨氮，通過anammox菌將兩者轉化成氮氣。雖然這個過程依舊會生產新的硝酸鹽，總量已經大大降低，而且這些新生成的硝酸鹽最終也可以進入反硝化反應。
技術難點
他們把這項工藝稱作部分反硝化/厭氧氨氧化，英文簡稱pdn/a。乍看上去這個思路很好很正確，但在實際操作中，仍存在兩大難題，第一是如何保持anammox菌的活性，第二是如何限制完全反硝化或反亞硝化。
找到最優的碳源添加量是其中的關鍵。已經有研究顯示，在cod/no3-比例≤1的時候，會導致亞硝酸鹽還原酶(nitrite reductase)的電子短缺，使反硝化停留在亞硝酸鹽階段。另外，碳源的類型能篩選那些只還原no3-而不會兼顧還原no3-或 no2-的反硝化菌種。
三種常用碳源包括了甲醇、甘油和乙酸鹽。
有研究顯示，三種碳源都能誘發亞硝酸鹽的積累，后兩種碳源的效果更顯著。但從經濟角度考慮，甲醇是更常用的碳源，但為了pdn/a的處理效果，甘油和乙酸鹽是更好的碳源。這也是這次研究需要確認的技術細節之一。
試驗地點
早在10年前，pdn/a的工藝已經分別在奧地利的strass污水廠、美國華盛頓的blue plains污水廠和hrsd公共衛生局運營的chesapeake-elizabeth污水處理廠進行測試，其效果也得到了初步驗證。
到了2019年，他們在另一座污水廠——約克河污水廠進行測試，將它的一個后置反硝化濾池改造成一個基于mbbr移動床生物膜反應器工藝的pdn/a反應系統。在他們看來，這算是第一個完成主流anammox菌氧化進水氨氮的案例，并取得了成功的結果，因此hrsd計劃將此工藝技術納入即將在詹姆斯河污水廠(james river wwtp)開展的脫氮除磷升級改造工程中。這次百萬美元的研究項目就是要解決pdn/a工藝在設計和運行方面剩下的一些未知問題。
在此之前，dc water和哥倫比亞大學的研究人員已經對pdn/a和主流生物脫氮除磷的結合應用進行了考察，包括了前置和后置的缺氧區兩種設計理念。這個項目會將此前的設計理念快速放大到工程應用的規模，并且會評估短程脫氮和生物除磷結合的可行性。
污水處理與藻華控制
美國環保署之所以愿意撥款進行這次研究，是因為他們看好這項技術更廣泛的應用前景，他們期待在3年期限結束后，向美國其他有害藻華(habs)地區以及其他州的污水處理廠進行技術轉移。
因此這個項目有一個公用事業局的咨詢委員會 (uac)，聘請了8家公共事業局的技術代表，其中包括五大湖、中西部和佛羅里達州等地的單位。他們計劃優化pdn/a的生物工藝模型，大幅降低處理成本，實現可持續發展的生物脫氮，最終減少habs的產生，創造巨大的環境利益。
目前他們已經有一些發表的論文成果，例如下邊這篇文章，他們發現改良碳氮比的過程還伴隨硝化反應從生物膜轉移到懸浮液相中。這一個個的小發現都會幫助研究人員加深對pdn/a工藝關鍵控制和潛在機制的理解。
這個項目的概況就先介紹到此。
3年之后，我們能否如期看到第一個真正的主流厭氧氨氧化脫氮污水廠呢？一起靜靜等待吧。
來源：北極星水處理網
