王洪臣:百年活性污泥法的革新方向

2021-01-06 14:39发布

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活性污泥法何以为人类持续服务了百年?

1914年4月3日,英国两个年轻卫生工程师爱德华·阿登(Ardern E)和威廉·洛克特(Lockett W T)在曼彻斯特大酒店举行的化工学会年会上发表了《无需滤池的污水氧化试验》一文,首次提出“活性污泥”的概念,标志着活性污泥法正式诞生。早在1912年,英国污水处理皇家委员会根据水环境需求提出了著名的“30∶20(SS≤30 mg/L、BOD5≤20 mg/L)+完全硝化”排放标准,这一标准对当时以沉淀池和滤池为主的污水处理技术构成巨大挑战。为达到该标准,人们随即对污水处理方法展开了大量的探索研究。在这一背景下,活性污泥法的出现使人们眼前一亮。据记载,当时与会的200多位工程师一致认为这将是卫生工程领域划时代的技术。活性污泥法诞生后,世界各地迅速开始研究,并着手实际建设污水处理厂。1914年当年,索尔福德市就建成了世界上第一座活性污泥法污水处理厂,规模360 m3/d;1915年,戴维汉姆活性污泥法污水处理厂建成,规模4 564 m3/d;1916年,美国在田纳西州的圣马科和威斯康星州的密尔沃基也建成了生产性规模的处理设施;德国的第一座活性污泥法污水处理厂于1926年在埃森建成。早在1923年, 中国第一座活性污泥法污水处理厂在上海北区建成,日处理能力为3 500 m3。此后几年,上海东区和西区污水处理厂也相继建成,日处理量分别为1.7万m3和1.5万m3。百年后的今天,世界各地至少有5万座活性污泥法污水处理厂在运行,每天处理着至少5亿m3的污水。可以毫不夸张地说,没有活性污泥法的世界将难以想象。那么,活性污泥法何以为人类持续服务了百年?


首先,这可归因于活性污泥法的“简单”。一个曝气池,一个沉淀池,再加上回流,即可组成活性污泥系统,完成污水处理基本功能。简单意味着可靠,意味着可以普及,也意味着较低的处理成本。


其次,活性污泥法“功能强大”也是重要原因。经过百年持续研究与实践,活性污泥法开发出了许多“规格型号”,可满足各方面不同要求。在处理功能上,活性污泥法可以处理生活污水,也可处理复杂的工业废水;可以设计成只去除有机物,也可以设计成同时实现脱氮除磷,近年来发现活性污泥法对内分泌干扰物(EDCs)和药物及人工护理品(PPCPs)等新兴污染物(Emerging Contaminants )也有明显的处理效果。在具体形式上,活性污泥法也可以针对建设费用、运营费用、占地、管理等方面的侧重,设计成紧凑型或简易型等各种“规格型号”。


另外,活性污泥法是源于自然的生物技术,这或许是其具有强大生命力的根本原因。在活性污泥系统中,实现处理功能的主体是自然界本就存在各类微生物,活性污泥法的研究实践只是从不同角度为微生物提供适宜的生境条件,构建具有不同功能的微生物生态系统。生物技术与生俱来的经济性和可持续性,加之人类智慧对其效率的不断提高,使活性污泥法百年来一直在否定着各类物理、化学或物理化学技术成为污水处理主流技术的可能。


活性污泥法还将服务下一个百年吗?

在肯定活性污泥法巨大历史作用的同时,必须看到它在新形势下日益凸显的两个重大缺陷:


一是活性污泥法需要大量电耗,是重要的碳排放源。按照最新统计,美国的污水处理2011年全年共耗电302亿kW·h(仅包括污水处理和再生,不包括原位处理、污水收集和再生水输配),占当年全社会总用电量的0.8%。日本作为一个工业化国家,污水处理电耗也占到全社会总电耗的0.8%。我国目前实际污水处理率和处理标准都较低,污水处理电耗占全社会总电耗的比例还较低。污水处理的高电耗,除了增加运行成本,还使之成为重要的碳排放源。美国城镇污水处理行业耗电及化学药剂消耗导致的间接碳排放约占全社会总排放当量的1%;有机物厌氧分解直接向大气排放的甲烷,加上氮素生物转化过程中向大气排放的一氧化二氮,直接碳排放约占总排放当量的0.42%,直接排放与间接排放总计约占总排放当量的1.42%。城镇污水处理行业虽小,但却是一个不容忽视的碳排放源。活性污泥法是好氧过程,污水的BOD5每降低一个单位,理论上至少需要等量的氧,去除单位氨氮则需要4.7倍的氧,为提供这些氧所进行的曝气是最大的耗电环节,通常占到污水处理总电耗的50%~70%,这些电耗都可归因于活性污泥法的采用。


二是活性污泥法导致大量生物污泥的产生。美国污水处理行业年产污泥总干重750万t,欧洲年产1 000万t,中国年产600万t,全球总年产量约3 000万t,折算成含水率80%的脱水污泥约15亿t。这些污泥的40%~60%是由生物菌体组成的生物污泥,是活细胞与水分组成的特殊水合结构。由于大量水分和有机物都被“包裹”在细胞内,导致污泥脱水性能很差,且难以进行较为彻底的稳定化处理,成为污水处理的“累赘”。为提高污泥稳定化效果,可采用热水解、超声波、微波、聚焦电脉冲以及生物酶水解等方法对污泥进行预处理,使活细胞的细胞壁破裂,释放其中的水分和有机物,提高脱水性能和稳定化程度,但这些设施建设及运行成本较高,实际建成的还不多。


目前,世界同时面临着水污染、缺水、气候变化、能源危机以及资源枯竭等许多危及人类社会可持续发展的重大问题,而污水处理与这些人类社会重大问题密切相关。必须看到,人类社会的可持续发展对城镇污水处理存在多目标要求:提高出水水质,满足水污染控制和水资源可持续循环利用的需要;节能降耗、控制碳排放,实现低碳污水处理;开发污水潜能,提高能源自给率,并逐步实现清洁能源的净输出;回收有机和无机资源,实现资源的循环利用。但是,活性污泥法实现污水处理功能是以高能耗为代价,这些能耗被用于为微生物供氧分解污水中的有机物,而这些有机物本身却是能量载体。因此,活性污泥法被形象地表述为“以能量摧毁能量”的技术,也是“减排水污染物、增排温室气体”的技术。基于以上分析,虽然活性污泥法还会惯性地为人类继续服务,但我们有理由认为,它不会持续成为下个一百年的主流技术。


活性污泥法的革新替代技术在哪里?

污水处理的主要功能是去除有机物和无机营养物质,前者导致水体黑臭,后者则是富营养化的根源。活性污泥法将50%左右的有机物分解成水和二氧化碳,另一部分合成为生物菌体,在“以能量摧毁能量”的同时,产生大量难以处理的生物污泥。因此,人们很自然地希望污水处理首先是对有机物进行厌氧产能或分离后厌氧产能,而不是好氧氧化分解与合成。如果有机物首先被分离或处理,污水中将会留下待处理的无机营养物质。无机磷通常可通过生物或化学过程实现高效去除,不存在技术障碍,问题主要集中在无机氮的去除。氨氮通常通过硝化和反硝化过程转化为氮气脱出,硝化过程需要大量能耗,因此人们一直在探求低能耗硝化工艺。另外,反硝化过程需要消耗大量碳源,如果有机物首先被分离,反硝化则无法进行。综上,如果存在低能耗和低碳源需求的脱氮技术,污水处理过程将发生重大变化:采用产能的厌氧处理替代高能耗的好氧处理,首先将有机物去除并回收能量,进而再将无机氮进行低能耗去除。厌氧氨氧化现象的发现、研究以及实践有可能让这一设想变为现实。


1977年, 奥地利理论化学家Broda根据化学反应热力学预言自然界存在以硝酸盐或亚硝酸盐为氧化剂的氨氧化反应途径。20世纪80年代末,荷兰Delft工业大学Mulder等人在生物脱氮试验中发现了未知的氮消失现象,进一步研究发现,氨的转化是按照Broda的预言进行的,这一现象随后被称之为“厌氧氨氧化”。1995年,Van de Graaf证实了厌氧氨氧化是一个生物学反应,发生该反应的微生物被称为“厌氧氨氧化菌”。在厌氧氨氧化过程中,厌氧氨氧化菌以氨氮作为电子供体、亚硝酸盐作为电子受体,在厌氧环境下将氨氮转化为氮气和少量的硝酸盐。简言之,厌氧氨氧化就是以亚硝酸盐作为氧化剂在厌氧条件下将氨氧化成氮气的生物反应。与传统硝化/反硝化工艺相比,厌氧氨氧化曝气能耗降低了60%、碳源减少100%、污泥量减少90%,优势巨大。经过近十年的研究与实践,厌氧氨氧化技术发展迅速,采用SBR、颗粒污泥和MBBR等反应器形式,开发出了DEMON、PN/AA、ANAMMOX、ANITA Mox、DeAmmon以及RBCs等工艺,目前已建成生产性设施约100座,绝大部分运行良好。现有设施主要集中在高氨氮废水的处理,75%的设施用于污泥消化液或脱水滤液的脱氮(侧流应用),而厌氧氨氧化技术的最大潜力应是直接处理生活污水(主流应用)。


厌氧氨氧化技术在侧流的应用已经较为成熟,在主流应用目前还存在技术瓶颈。与侧流相比,主流应用工况有三个显著变化:温度低了,成为常温;氨氮浓度低了,每升只有数十毫克;反应器大了,控制难度增加。这三个工况变化导致厌氧氨氧化微生物生态系统不稳定:温度低、氨氮浓度低,致使厌氧氨氧化菌增长慢,难以补充随出水的流失;温度低、氨氮浓度低、pH无法控制、溶解氧难以控制,致使无法抑制或淘汰硝化菌(NOB),无法使氨氧化菌具有竞争优势,难以形成亚硝酸盐积累。针对这些问题,欧美几个大型课题组近几年开展了厌氧氨氧化主流应用的大量小试和中试研究,提出一些解决对策,初步证明了厌氧氨氧化主流应用的可行性。荷兰Delft工业大学采用颗粒污泥在Rotterdam污水处理厂进行的中试,以AB工艺A段出水为进水(COD为60 mg/L, BOD5为20 mg/L, NH3-N为30~40 mg/L),连续流操作,在20℃时运行稳定。一个欧美国际联合研究组在美国DC Water和HRSD进行了近三年研究,提出了脉冲间歇曝气和水力旋流器浓缩等对策。与此同时,我国学者也开展了一些卓有成效的研究。2011年11月到2012年5月,在奥地利Innsbruck 市一个叫Strass小镇的污水处理厂里,Bernhard Wett研究组首次进行了主流厌氧氨氧化的生产性试验研究,试验持续近6个月,进水氨氮20~40 mg/L,污水温度10~15℃,出水氨氮和硝酸盐稳定低于5 mg/L,试验基本取得成功。随着各地研究与实践的不断深入,人们必将克服主流厌氧氨氧化技术瓶颈,主流厌氧氨氧化技术的规模化应用可以预期。


与厌氧氨氧化相比,污水中有机物的分离及厌氧处理技术则已比较成熟,混凝+沉淀、生物吸附(AB工艺的A段)、沉淀+气浮、微筛过滤等都是可用的常规技术,通过这些单元分理出的污泥可通过厌氧消化产生CH4。近两年,采用厌氧膜生物反应器(AnMBR)对污水直接进行厌氧处理成为研究热点,多采用厌氧流化床膜生物反应器(AnFMBR)。研究表明,在常温下,当HRT为6~10 h,70%~75%的有机物可转化为CH4,另外约15%转化成污泥,污泥产率仅为好氧处理的三分之一。由于出水有机物浓度与好氧工艺基本接近,因此有人将该工艺称之为厌氧二级处理(Anaerobic Secondary Treatment)。但是,厌氧流化床膜生物反应器(AnFMBR)也存在一些技术缺陷或需要解决的问题:一是存在膜污染,由于低产泥量和流化状态会有所减缓,但膜通量不能高于8 L/(m2·h),远低于好氧MBR;二是污水中的硫酸盐10%以上被反硫化成H2S,增加了气体脱硫的成本;三是超过30%的CH4在常温或低温时,能溶解在水中,需要设置吹脱单元将之吹脱(air stripping )岀来。另一个研究热点是生物电化学(Bioelectrochemistry)技术,包括微生物燃料电池(MFC)产电和微生物电解电池(MEC)产氢,前者研究远多于后者。虽然微生物燃料电池理论产电效率很高,但由于难以稳定在理论电压,实际上的产电效率大大降低。另外,MFC反应器难以放大,使之离工程应用还有很长的距离。


综上,可能替代活性污泥法的未来污水处理工艺是碳氮两段法:首先对污水中的有机物进行分离,分离出的污泥通过厌氧消化产生CH4,或对污水直接进行厌氧处理产能,分离后含有氨氮的污水通过主流厌氧氨氧化进行脱氮。按照Kartal B等人的理论估算,采用活性污泥法,处理1人口当量的污染物需要耗电44 W·h,而采用上述碳氮两段法,处理1人口当量的污染物将产生24 W·h能量,从而使污水处理厂真正成为“能源工厂”,且污泥产量仅为活性污泥法的四分之一。


文章来源:给水排水  2014-10-15

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