厭氧MBR與厭氧氨（ān）氧化的低（dī）碳設計---旭（xù）日東分享

       在（zài）今年5月份的（de）IWA-LET水處理前沿技術（shù）大（dà）會上，日本國立東北大學的李玉友教授作為“分散式（shì）汙水處理”分（fèn）會場（chǎng）的發言嘉賓之一，介紹了日（rì）本分散式汙水處理的發展曆程，並結合其團隊的（de）研究，提（tí）出了一種可以高效回（huí）收能量，而（ér）且具有經（jīng）濟效益的新型處理工藝。
       日本汙水處理概況
       為了更高效地開展生活汙水治（zhì）理，日本堅持結合地區的特（tè）點（diǎn）進（jìn）行生活（huó）汙水處理設施的建設。根據對（duì）象地區（qū）的人口（kǒu）密度，來建設不同類（lèi）型的生活汙水處理（lǐ）設施。在人口密度高的城市地區或在居住比較密（mì）集的農村地區，主要建設下水道和農業村落排水設施這樣的集中式處理設施，而在人口密度低的（de）城郊、農村（cūn）、山區，則以安裝以淨化槽為代表的分散式處理設施。

      淨化槽（Johkasou）技術包括（kuò）處理（lǐ）以家庭為單位的（de）生活汙水的小型家用淨化槽、處理（lǐ）樓房和學（xué）校、醫院、超市等排放（fàng）的生活汙水的大中型淨化槽，現在使用中的淨（jìng）化槽絕（jué）大部（bù）分都是小型（xíng）家用淨化槽。數據顯（xiǎn）示目前在（zài）日本淨化槽（cáo）的服務人口超過（guò）900萬。日本的淨化槽技術應用（yòng）範圍很廣，可以處理樓（lóu）房住宅（zhái）、醫院（yuàn）、超市等生活汙水，一般由厭氧濾池、接觸曝氣池和消毒池組成，而且能適應不同情（qíng）況的出水要求。


       日本主要生活汙水處理係統的概況
        由此可見，分散式的汙水處理理念在（zài）日（rì）本已經（jīng）有一定的時間，而日本對汙泥處理也十分重視，厭氧（yǎng）發酵回（huí）收沼氣、焚燒（shāo）和堆肥都是常（cháng）見的處理手段。盡管如（rú）此，日本（běn）的水處理研究者（zhě）依然（rán）在不斷地尋（xún）找能耗（hào）更低、成本更實惠（huì）的解（jiě）決方案。
在這樣的背景（jǐng）下，李玉友教授提（tí）出了一種可以回收能（néng）源，並且具有經（jīng）濟效益的新型汙水處理方案--基於厭氧MBR (AnMBR)和厭氧氨（ān）氧化兩種（zhǒng）新興工（gōng）藝的低碳（tàn）設計。他表示學術圈對AnMBR和Anammox兩種工藝已經分開研究了很長的時間，但對於其結合應用（yòng）的研究卻很（hěn）少。

       基於AnMBR和（hé）Anammox的有機廢水處（chù）理（lǐ）新概念（niàn）
       厭氧膜生物反應器AnMBR
       日本（běn）早在2000年就有了第一個AnMBR的工（gōng）程應用，研究也從早期的產氫（qīng）發展到如今處理市政汙水。關於AnMBR的研究，李玉友教授團隊主要關注六個方麵的內（nèi）容，即HRT和溫度的影響、懸浮固體和表（biǎo）麵活性劑的（de）降解情況、溶解（jiě）性微生物產物(SMP)和胞外（wài）聚合物(EPS)對膜汙染的影（yǐng）響以及中試應用。 
       HRT
       AnMBR的出水COD可以低於40mg/L，BOD和COD的去除效率均（jun1）高於90%。由於膜（mó）過濾的作用懸浮（fú）固體得到絕（jué）對的截留。隨著HRT縮短，AnMBR的沼氣產量會（huì）相應（yīng）增加，而沼氣的甲烷含量可以穩定（dìng）維持（chí）在（zài）80%的水平（常溫），並且其汙泥產量（0.06-0.09 gMLSS/gCOD）遠低於傳統活性汙泥的（de）對應值（0.25-0.4 gMLSS/gCOD）。這些數據顯（xiǎn）示了AnMBR能同時實現高效厭氧消化以及（jí）優質出水。
       溫度
       當溫度低於15℃的時候，AnMBR的甲烷產量和COD去除率都受到顯著影響。溫度的降低一（yī）方麵導致SMP和EPS釋出量的增加，導致膜汙染情況惡化，一方麵也增（zēng）加了甲烷的溶解度。
       懸浮固體的降解
       廁紙是生活汙水的主要不溶性COD組分。但是廁紙在（zài）AnMBR裏可以得到完全溶解，而且不會在混合液和濾餅層積聚。生（shēng）成（chéng）的甲烷有26%來（lái）自廁紙的降（jiàng）解。懸浮固體中的纖維素（sù）在HRT長於12小時的時候影響不顯著，但在HRT降至6小時會（huì）發現汙泥裏的纖維素積聚現象。

       表麵活性（xìng）劑的降解
       研究（jiū）團隊（duì）分別選取了聚氧乙烯醚（alcohol ethoxylates-AE）和直鏈烷基苯磺酸鈉( Linear Alkylbenzene Sulfonates -LAS)作為代表（biǎo）性的非離子和離子表麵活性劑進行實驗。結果顯示，AE得到有效降解（jiě）並轉化為甲（jiǎ）烷。而（ér）且係統（tǒng）完（wán）成對（duì）AE的長期自適應後，汙泥的產甲烷活性得到進一步提高。但是如果AE含量過高（F/M比>1）則可能破壞細胞結構，降低產（chǎn）甲烷活性。而LAS則明顯抑製（zhì）了產甲烷活性，它的去除主要通過（guò）吸附（fù）而不是降解（jiě）來進行。與產酸菌相比（bǐ），LAS在汙泥中的積聚對產甲烷菌產生（shēng）更（gèng）大的負麵（miàn）作用。
       中試對比
       研究團隊還對AnMBR進行了中試實驗，並且與傳統的活性汙泥法工藝係（xì）統進行對比。結果顯示，通過使用AnMBR，可以（yǐ）獲得良好出水水質，甲烷產量大大增加，汙泥產量比活性汙泥法少2/3。

       厭氧氨氧化Anammox
       研究團（tuán）隊在2011年開始對anammox展開了研究。最（zuì）初先研究反應器的（de）啟動（dòng）和顆粒化，隨後兩年開始研究抑製機製和恢複（fù）方法，然後就開始了厭氧氨（ān）氧化附著膜膨脹床反應器（Anammox attached film expended bed -AAFEB），同時開發對單階工藝使用的人工載體和（hé）微顆粒進行優化。
       團隊開發的AAFEB厭氧氨氧化工藝通過pH的控（kòng）製和人工和自然形成的anammox顆粒高效地處理高氨氮濃度的廢（fèi）水。研（yán）究團隊為期220多天的跟蹤研究發現，曝氣率和溶解氧（yǎng）是影響脫氮表現的關鍵參數，HRT可以低至2小時，出水TN值在8-18mg/L之（zhī）間，去除率為74±15%。
        AnMBR+Anammox
       團隊搭建的小（xiǎo）規模實驗係統由一（yī）個運行（háng）體積為20L的（de）AnMBR和一個含有懸浮載體的7L單（dān）階厭氧氨氧化反應器組成（chéng）。這個新概念係統在日本仙台的Senen汙水處理廠已經運行了200多天。AnMBR的（de）HRT已成功縮短至6小時，而單階厭氧氨氧化反應器的HRT成功（gōng）縮短至2小時，載體填充率為20%，曝（pù）氣率為1L/分鍾。

        結合AnMBR+單級anammox的反應器係統
       李（lǐ）玉友教授表示該研究項目從2017年開始（shǐ），將進行3年（nián），目前仍在各種測試以（yǐ）及數據收集和分（fèn）析階段，據透露他們目前正在搭建（jiàn）一個規模為20m³/d處理（lǐ）設施。
對於這個AAFEB工藝感興趣的讀者，可以參考李教授團隊（duì）發表在Bioresource Technology第253期的（de）一篇（piān）相（xiàng）關（guān）文章Stoichiometric variation and loading capacity of a high-loading anammox attached film expanded bed (AAEEB) reactor。
       小結
       與傳統的活性汙（wū）泥法相比（bǐ），AnMBR具有可（kě）處理高COD濃度廢水、工序簡單（dān）、甲烷（wán）回收率高等（děng）優點（diǎn），但依然要解決出水氨氮高的問題。李玉友教授及其研究團隊因為在AnMBR和（hé）anammox兩方麵都有（yǒu）研究，因此想到了用anammox作為AnMBR後續處理工藝，通過使用AAFEB流化床反應器和投加人工（gōng）載體的設計（jì），實現了厭氧氨氧化主流（liú）脫（tuō）氮和AnMBR的（de）耦合。如果這個新概念能在進一步的長期實驗中得到（dào）驗證，這將是汙水處（chù）理技術的又一重大突破。