本月IWA微信公众号曾向大家介绍过丹麦污水厂如何通过全面的运行优化措施实现了能量自给。2016年底，国际著名科学期刊《新科学家 (New Scientist)》报道了Aarhus将成为世界上第一个用污水处理回收的能量来给市民提供自来水供给服务的城市。该市的Marselisborg 污水厂目前的产能能力估计在自身所需能耗的192%-230%的水平，能满足周边20万居民的供水能耗需求。据称这是全球首个单从污水中回收能量实现能量盈余的案例：他们没有在污水厂内盖光伏太阳能板，也没有建风力发电机或从添加餐厨垃圾协同消化，只是通过中温厌氧消化技术，从污水中回收沼气，再通过热电联产回收能量。
　　今天的推送我们将从另外一个角度带大家走近Marselisborg 污水厂，了解他们在主流厌氧氨氧化上的尝试和经验。
　　
　　图1. Marselisborg污水处理厂鸟瞰图 | 图源：BACWA.org
　　Marselisborg污水厂的升级工作早在2010年就开始了，经过多年的努力终于打造成了全球水务行业的新标杆。其升级内容包括了碳捕捉、厌氧氨氧化、ORC废气能量回收等工艺技术和更先进的控制系统。2015年3月，他们安装了DEMON的侧流厌氧氨氧化反应器，来处理厌氧消化的高氨氮出水。同时，他们将DEMON的剩余污泥富集到主流中，企图实现一定程度的主流厌氧氨氧化，以进一步降低处理能耗。
　　
　　图2. Marselisborg污水处理厂工艺流程图 | 图源：janeschipma.bloggersdelight.dk
　　这是一项开创性的长期实验，时间超过3年，研究团队想解答两个疑问：
　　在没有旋流分离器的情况下，厌氧氨氧化菌能否在留在主流里；
　　从30-35°C的DEMON反应器出来的厌氧氨氧化细菌能否适应丹麦污水厂的主流温度（7-20°C）并保持活性。
　　为了评估这次长期研究的效果，他们在2018年8月进行了两次采样，通过同位素示踪技术（15N原位标记），在10、20、30°C三个不同温度下，测量DEMON和主流活性污泥的anammox和反硝化率，主要考察内容包括：
　　（a）计算厌氧氨氧化和反硝化反应的温度依赖性；
　　（b）评估厌氧氨氧化菌对主流潜在低温的适应性；
　　（c）鉴定各反应器中的厌氧氨氧化和反硝化作用的相对重要性。
　　他们也想通过研究发现主流的厌氧氨氧化或反硝化作用是否会跟短程生物脱氮 （SBNR）相结合，例如DEMON工艺中的硝化-厌氧氨氧化反应。所以他们也就主流的DO、氨氮、硝态氮和亚硝态氮进行原位测量，分析氮转化的情况。
　　研究结果
　　温度依赖性显著
　　如下图1所示，厌氧氨氧化和反硝化反应显示了温度依赖性，在30°C时反应速率最高，而且温度对anammox菌影响更明显——10°C的速率和30°C的速率相差近10倍
　　

　　图3. 左侧是DEMON，右侧是硝化/反硝化池的速率对比（灰色TSS, 黑色是VSS）。其中Anammox的速率是15N标记的15NH4-N生成的29N2-N来计算的；反硝化使用15NO2-N生成的30N2-N
　　主流的Anammox速率超低
　　结果显示，厌氧氨氧化是DEMON反应器中主要的异化脱氮路径，而反硝化是硝化/反硝化池中的主要脱氮路径。在30°C的DEMON里，厌氧氨氧化速率是反硝化的30倍，但在10°C的硝化/反硝化池里（丹麦非夏季温度），反硝化速率是厌氧氨氧化的115倍，在20°C的情况下（丹麦夏季温度），这差值更是升至173倍。因此在此研究里，Marselisborg污水厂主流脱氮里的anammox可以说是可以忽略不计的。
　　全硝化占优势
　　调查很大程度上排除了短程脱氮在该污水厂硝化/反硝化池存在的可能性。如下图2所示，曝气池里的氨氮大多氧化成硝态氮。他们认为亚硝态氮向硝态氮的转化非常之快，所以很难捕捉，而且此进程可以在胞内完成（例如通过可以一步硝化的comammox菌）。
　　

　　图4. 四种物质在硝化/反硝化池的浓度的时间序列。左、右两图的水深分别为1.5m和3-4m；a/b/c分别指靠近、位于和远离曝气区的情况。
　　

　　图5. 硝化/反硝化池不同深度的氨氮净消耗速率和硝态氮和亚硝态氮的生成速率情况。a/b/c分别指靠近、位于和远离曝气区的情况
　　结果讨论
　　侧流厌氧氨氧化已在Marselisborg污水厂成功实施。因此他们想借此顺便测试主流厌氧氨氧化的可能性。之所以选择直接连续式的进料方式，是因为这样可以充分利用已有的设施，无需对工艺和反应池进行重新设计。尽管这次尝试非常具有开创性，应该是唯一一个在正常运行的污水厂里将anammox菌引入主流线的长期实验，但结果显示主流线中的厌氧氨氧化的反应速率只有反硝化的约1%。
　　研究团队在报告讨论部分对这个结果进行探讨。他们认为随着这些细菌存在温度依赖性，而且丹麦的气温偏低，这会影响厌氧氨氧化进程对低温的适应，但他们觉得这些不是唯一的原因。他们认为厌氧氨氧化菌的低丰度是乍眼看去一个信服的解释——在侧流DEMON里，旋流分离器帮助厌氧氨氧化颗粒的富集，其污泥颗粒比达22%。但在这次试验里，他们没有在主流里做颗粒截留富集的措施，也没有控制颗粒从DEMON到硝化/反硝化的转移。
　　另外，Marselisborg污水厂的SRT为6-12天，作者认为SRT不够长也可能影响了anammox菌的生长。因此他们认为可以尝试通过延长SRT来增加细菌的截留率，例如将SRT和HRT进行分离，但这需要重新设计工艺，以及提高A段初始污泥的提取率，让主流工艺变得更像DEMON，只是温度更低，而C含量更高而已。他们提议的另一个可能就是安装旋流分离器这样的设备或者生物膜载体，因为有相关文献显示了可行性。
　　然而，作者也指出，上述的猜测可能只是亚硝态氮浓度低的结果，所以后者才是更深层次的原因。这么一来，如何强化亚硝化反应将成为关键，但这就需要为富集AOB菌和抑制NOB菌创造条件。丹麦天气的限制因素决定了不能通过提高温度来促进AOB菌的生长。但是他们认为调节pH可能是一个可行途径，因为NOB菌生长的最佳pH在7.2-7.6之间，而anammox不受低pH影响（6.7-8.3），因为将pH调至7.0左右来为AOB生长创造优势。
　　小结
　　需要提醒的是，丹麦人这次主流厌氧氨氧化实验的结果并不能说明主流厌氧氨氧化行不通，毕竟它只解答了两个疑问，而且有很多限制条件。虽然这次研究本身显示的结果并不成功，但也为我们带来宝贵的数据，同时也说明如果只是简单地引入anammox菌，不对主流工艺进行重新设计和控制的话，是不能顺利实现主流厌氧氨氧化的。