李 佳,汪 涵,王亞宜, 2, *

(1. 同濟(jì)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 上海 200092; 2. 同濟(jì)大學(xué) 污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200092)

0 引 言

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化和工業(yè)化進(jìn)程的快速推進(jìn),污染物排放強(qiáng)度和規(guī)模激增,水環(huán)境污染逐漸成為制約國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康和高質(zhì)量穩(wěn)步發(fā)展的突出問(wèn)題[1]。為應(yīng)對(duì)日益復(fù)雜的水環(huán)境治理形勢(shì),自2015年起,我國(guó)水環(huán)境治理行業(yè)進(jìn)入政策密集發(fā)布期,其中“水十條”的出臺(tái)標(biāo)志著我國(guó)水環(huán)境治理從政策層面全面進(jìn)入了綜合治理新時(shí)期[2]。在國(guó)家政策驅(qū)動(dòng)下,我國(guó)污水處理能力顯著提升,但水體富營(yíng)養(yǎng)化形勢(shì)依然嚴(yán)峻。《中國(guó)環(huán)境統(tǒng)計(jì)年鑒(2021)》數(shù)據(jù)顯示,在2020年全國(guó)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的59個(gè)湖泊中,49.5%的湖泊處于富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)。為緩解水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象,城市污水處理由“增量”走向“提質(zhì)”成為必然趨勢(shì)。

氮素是誘發(fā)水體富營(yíng)養(yǎng)化的一個(gè)重要原因,提升城市水環(huán)境保護(hù)的末端屏障——城市污水處理廠的脫氮效能對(duì)于改善水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)狀至關(guān)重要[3]。《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)中,一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)要求總氮(Total Nitrogen,TN)排放限值為15 mg/L,部分地區(qū)出臺(tái)了更為嚴(yán)格的地方標(biāo)準(zhǔn),如昆明地方標(biāo)準(zhǔn)《城鎮(zhèn)污水處理廠主要污染物排放限值》(DB 5301/T 43—2020)的A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)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(guò)程,而已建城市污水處理系統(tǒng)的生物脫氮能力普遍無(wú)法滿足現(xiàn)階段的高排放標(biāo)準(zhǔn),因此,補(bǔ)齊脫氮短板、強(qiáng)化脫氮性能是城市污水處理廠提標(biāo)改造的重點(diǎn)。

圖1 城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)Fig. 1 Pollutant discharge standards of urban sewage treatment plants in China

傳統(tǒng)生物脫氮技術(shù)在實(shí)現(xiàn)污水氮素去除的同時(shí)往往伴隨著高能耗和高物耗,且剩余污泥產(chǎn)量和溫室氣體排放量較大,這有悖于雙碳時(shí)代下的可持續(xù)發(fā)展理念[4-5]。因此,污水處理行業(yè)面臨著“減污”和“降碳”的雙重挑戰(zhàn),城市污水生物脫氮技術(shù)需向著低碳、高效方向迭代升級(jí)。實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)生物脫氮工藝的提質(zhì)增效和推進(jìn)新型低碳自養(yǎng)生物脫氮工藝的落地應(yīng)用將是污水生物脫氮領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展的核心驅(qū)動(dòng)力。

本文以提升污水生物脫氮“減污”和“降碳”的協(xié)同度為導(dǎo)向,總結(jié)了城市污水廠提標(biāo)改造強(qiáng)化生物脫氮效能的常規(guī)路徑,介紹了新型低碳自養(yǎng)生物脫氮技術(shù)的研究進(jìn)展和應(yīng)用前景,展望了未來(lái)城市污水處理生物脫氮領(lǐng)域的發(fā)展方向和趨勢(shì),以期為實(shí)現(xiàn)城市污水生物脫氮高效化、低碳化和智能化提供指導(dǎo)。

1 強(qiáng)化城市污水生物脫氮的常規(guī)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(biāo)改造應(yīng)優(yōu)先考慮挖掘現(xiàn)有生物處理系統(tǒng)的脫氮潛力,盡量不增加污水處理系統(tǒng)的工藝流程長(zhǎng)度。通過(guò)高效利用污水碳源、提升脫氮系統(tǒng)的功能菌豐度和強(qiáng)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(yīng)池的脫氮效能。

1.1.1 高效利用污水碳源

分段進(jìn)水多級(jí)Aanox/O工藝是指污水分多段進(jìn)入生物反應(yīng)池內(nèi)的厭氧池和各級(jí)缺氧池。如圖2(b)所示,該工藝可最大程度地優(yōu)化碳源利用,使反硝化反應(yīng)更徹底,有效降低外碳源投加量[8]。此外,分段進(jìn)水多級(jí)Aanox/O工藝內(nèi)各段好氧區(qū)的硝化液可直接進(jìn)入下一段缺氧區(qū),從而減少了傳統(tǒng)Aanaer/Aanox/O工藝硝化液內(nèi)回流帶來(lái)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(tǒng)中的核心功能微生物,增加脫氮功能微生物的絕對(duì)豐度對(duì)于提升脫氮效能至關(guān)重要。在傳統(tǒng)活性污泥系統(tǒng)中,為防止二沉池泥位上升所引發(fā)的活性污泥流失問(wèn)題,MLSS通?？刂圃? 000～4 000 mg/L。將移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器(Moving Bed Biofilm Reactor, MBBR)工藝和膜生物反應(yīng)器(Membrane Bioreactor, MBR)工藝與傳統(tǒng)活性污泥法相結(jié)合,可在避免污泥流失前提下,增加系統(tǒng)中功能菌豐度,提升生物脫氮能力。

膜法污水處理技術(shù)是提升傳統(tǒng)活性污泥法工藝中MLSS的另一種有效策略[25]。在污水高標(biāo)準(zhǔn)處理與排放需求的驅(qū)動(dòng)下,MBR技術(shù)的工藝優(yōu)勢(shì)日益凸顯,工程應(yīng)用發(fā)展迅速[26]。在MBR工藝中,采用膜分離技術(shù)替代傳統(tǒng)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M(jìn)LSS,顯著提升脫氮功能菌數(shù)量,如圖2(f)所示[27-28]。此外,MBR工藝不僅可強(qiáng)化生物脫氮作用,其高攔截效能還可使二級(jí)處理單元出水的細(xì)菌、懸浮物接近為零,是推進(jìn)再生水利用的關(guān)鍵技術(shù)。但不可忽視的是,在污水處理綠色低碳發(fā)展理念下,MBR技術(shù)面臨著投資成本大、運(yùn)行能耗高和膜污染問(wèn)題等重大挑戰(zhàn),這也將激發(fā)MBR技術(shù)的進(jìn)一步低碳化迭代升級(jí)[29]。

1.1.3 強(qiáng)化SND脫氮途徑

傳統(tǒng)生物脫氮工藝中,硝化過(guò)程和反硝化過(guò)程需要在空間或時(shí)間上存在好氧和缺氧交替的條件下進(jìn)行。但有研究表明,硝化和反硝化也可在同一空間中同時(shí)發(fā)生,即為SND現(xiàn)象,其發(fā)生機(jī)制包括宏觀環(huán)境(好氧池曝氣不均勻)、微觀環(huán)境(菌膠團(tuán)內(nèi)部存在缺氧狀態(tài))和微生物學(xué)(異養(yǎng)硝化/好氧反硝化微生物的存在)等方面[30-31]。與傳統(tǒng)生物脫氮過(guò)程相比,SND可降低碳源消耗22%～40%,減少剩余污泥產(chǎn)量30%,是一種短流程生物脫氮且可實(shí)現(xiàn)節(jié)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(lái)構(gòu)建SND脫氮系統(tǒng)[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(yīng)器(Membrane Aerated Biofilm Reactor, MABR)作為一種新型污水處理技術(shù),在原位強(qiáng)化Aanaer/Aanox/O等傳統(tǒng)生物脫氮工藝的SND性能方面具有顯著優(yōu)勢(shì),如圖2(g)所示。

截至目前,MABR技術(shù)已應(yīng)用于美國(guó)、加拿大、比利時(shí)、荷蘭、柬埔寨等多個(gè)國(guó)家的城市污水處理廠工程改造項(xiàng)目中[38, 41, 44-45]。例如,美國(guó)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(guī)模為1.37×104m3/d,于2017年10月投運(yùn),穩(wěn)定運(yùn)行后出水TN從10 mg/L降低至6 mg/L[42]。此外,MABR系統(tǒng)在美國(guó)芝加哥O′Brien再生水廠和比利時(shí)Schilde污水處理廠的升級(jí)改造中也均表現(xiàn)出良好的TN去除能力[46]。

1.2 增設(shè)反硝化生物濾池深度處理工藝

當(dāng)二級(jí)生化處理單元的原位強(qiáng)化策略仍無(wú)法滿足高TN排放標(biāo)準(zhǔn)時(shí),可通過(guò)增加深度處理工藝以強(qiáng)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(yīng)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(yīng)器)圖2 傳統(tǒng)Aanaer/Aanox/O工藝及提標(biāo)改造策略(紅色虛線框內(nèi)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(jí)生物處理單元尾水TN濃度的有效途徑,是污水深度處理領(lǐng)域工程應(yīng)用的熱點(diǎn)技術(shù)之一[47]。

近年來(lái),基于硫自養(yǎng)反硝化(Sulfur-Driven Autotrophic Denitrification, SDAD)技術(shù)的生物濾池逐漸引起廣泛關(guān)注,該工藝可使污水生物脫氮擺脫對(duì)碳源的依賴,表現(xiàn)出節(jié)能降耗、環(huán)境友好等技術(shù)優(yōu)勢(shì),具有未來(lái)替代傳統(tǒng)異養(yǎng)反硝化生物濾池的潛力(詳見(jiàn)2.2.2小節(jié))[51]。

2 生物脫氮提質(zhì)增效亟需新型自養(yǎng)生物脫氮工藝實(shí)施

2.1 厭氧氨氧化(Anammox)工藝

圖3 新型自養(yǎng)生物脫氮過(guò)程的原理圖Fig. 3 Schematic diagrams of novel autotrophic nitrogen removal processes

(1)

注:AOB(氨氧化細(xì)菌),NOB(亞硝酸鹽氧化細(xì)菌),DB(反硝化細(xì)菌),AnAOB(厭氧氨氧化細(xì)菌),COD(化學(xué)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(duì)比Fig. 4 Comparision of the nitrogen removal pathway andthe consumption of O2 and COD in three processes

注:HeNR(異養(yǎng)脫氮),AuNR(自養(yǎng)脫氮)圖5 Aanaer/Aanox/O工藝中傳統(tǒng)異養(yǎng)反硝化脫氮耦合厭氧氨氧化(Anammox)自養(yǎng)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(yǎng)反硝化(SDAD)工藝

(2)

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(4)

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

2.3 鐵自養(yǎng)反硝化(NDFO)工藝

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(11)

3 污水生物脫氮技術(shù)的研究展望

在雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)背景下,污水生物脫氮也面臨著理論創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新的雙重挑戰(zhàn)。污水生物脫氮處理是一項(xiàng)涉及生物、材料、信息等多學(xué)科的系統(tǒng)工程,應(yīng)在學(xué)科交叉點(diǎn)上尋找創(chuàng)新之源,攻克高效、集約、智能的低碳脫氮技術(shù),科學(xué)構(gòu)建污水生物處理技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用新格局,助力實(shí)現(xiàn)污水處理減污降碳協(xié)同增效目標(biāo)。

(1)加強(qiáng)微生物分離純化培養(yǎng)與微生物組微觀機(jī)制解析

脫氮微生物是驅(qū)動(dòng)污水生物脫氮過(guò)程進(jìn)行的重要引擎,功能菌的分離純化培養(yǎng)可以為微生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)和代謝特性研究提供重要的微生物基礎(chǔ)。借助新興培養(yǎng)技術(shù)(高通量培養(yǎng)法、微流控培養(yǎng)技術(shù)和細(xì)胞分選技術(shù)等),加強(qiáng)自養(yǎng)生物脫氮功能菌的純培養(yǎng)研究,攻克AnAOB等關(guān)鍵功能菌至今尚未能純培養(yǎng)的技術(shù)瓶頸,為自養(yǎng)生物脫氮工藝的機(jī)理研究與工程應(yīng)用提供微生物生態(tài)學(xué)理論基礎(chǔ)。在生物脫氮系統(tǒng)中,常存在多菌種之間復(fù)雜互作關(guān)系(競(jìng)爭(zhēng)、共生、交叉互養(yǎng)等),并對(duì)運(yùn)行效能和穩(wěn)定性起到至關(guān)重要的作用。采用分子生物學(xué)技術(shù)(如宏基因組學(xué)、宏蛋白組學(xué)、宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)和宏代謝組學(xué)等),挖掘時(shí)空尺度上脫氮功能基因的存在和表達(dá),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(gòu)效關(guān)系,為微生物組的精準(zhǔn)定向調(diào)控和工藝優(yōu)化運(yùn)行提供重要基礎(chǔ)。此外,合成生物學(xué)和基因編輯技術(shù)有可能成為提升低碳脫氮系統(tǒng)效能的“利器”,開(kāi)發(fā)抵御低溫、重金屬抑制等氧化應(yīng)激環(huán)境的高效功能菌,提升生物脫氮工藝的穩(wěn)定性和魯棒性。

(2)深化新型材料與污水生物脫氮技術(shù)的融合

污水生物脫氮技術(shù)的研發(fā)與材料學(xué)科的發(fā)展密不可分,新型材料的應(yīng)用可加速污水脫氮處理技術(shù)的更新迭代。MBR和MABR等新型生物脫氮系統(tǒng)均是以膜材料為核心的污水處理技術(shù),其中,抗污堵和耐化學(xué)清洗的親水膜材料可延長(zhǎng)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(zhì)速率。膜材料的不斷改良將持續(xù)推動(dòng)MBR和MABR等膜工藝的技術(shù)改進(jìn)和成本降低。而在SDAD和ISAD生物濾池中,復(fù)合活性生物載體(濾料)的研發(fā)是應(yīng)用該工藝實(shí)現(xiàn)高效深度脫氮的核心。此外,未來(lái)納米材料和催化材料等新型環(huán)境功能材料也可能在污水脫氮工藝中發(fā)揮重要作用。加深污水處理技術(shù)與材料技術(shù)的交叉融合可顯著推動(dòng)新型低碳污水脫氮技術(shù)的發(fā)展,實(shí)現(xiàn)技術(shù)變革與科技創(chuàng)新。

(3)促進(jìn)智能化信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)精細(xì)化生物脫氮

4 結(jié) 論

生物脫氮提質(zhì)增效是目前城市污水處理廠提標(biāo)改造的關(guān)注重點(diǎn)。通過(guò)總結(jié)分析污水處理廠生物脫氮增效的主要技術(shù)路徑,得到如下主要結(jié)論:

(1)通過(guò)深度挖掘現(xiàn)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(tǒng)的脫氮性能,以滿足高排放標(biāo)準(zhǔn)下的出水TN要求。

(2)采用Anammox、SDAD和NDFO等新型自養(yǎng)生物脫氮工藝,或在傳統(tǒng)異養(yǎng)脫氮系統(tǒng)中引入自養(yǎng)脫氮途徑以構(gòu)建異養(yǎng)-自養(yǎng)耦合深度脫氮系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)生物脫氮過(guò)程的節(jié)能降耗,提升污水處理“減污”和“降碳”的協(xié)同度。

(3)污水生物脫氮過(guò)程是一項(xiàng)生物、材料和信息等多學(xué)科交叉的系統(tǒng)工程,未來(lái)應(yīng)與生物技術(shù)、材料技術(shù)和信息技術(shù)深度融合,推進(jìn)污水治理技術(shù)迭代升級(jí),朝著高效化、集約化和智能化方向發(fā)展。