科学家发明厌氧污水技术

为期5天的第16届厌氧消化世界大会将于6月27日在荷兰落幕。应用和产业化是这次大会的一大热点话题，所以在本期的《学术星期四》专栏里，小编将以厌氧为主题，将为大家介绍一项由荷兰人提出的新型厌氧水处理技术。
厌氧水处理技术有很多优点，但在产出甲烷的同时，它也产生了氨氮和硫化氢等副产物，而且不是所有甲烷都能轻易会有，有相当一部分甲烷可是溶解在水中的。甲烷是一种重要的温室气体，其温室效应强度是二氧化碳的20-30倍，占全球变暖的贡献率约20%。因此甲烷控制一直是厌氧专家的关注热点。
过去10年，在众多厌氧水处理工艺里，最热门的新兴工艺当属厌氧氨氧化(Anaerobic Ammonium Oxidation)了。与传统硝化反硝化的脱氮工艺相比，厌氧氨氧化沼气理论上可节约 62.5%的曝气量，而且无需外加碳源，污泥产量更少，减少了温室气体的排放。
最近，荷兰科学家提出将厌氧氨氧化和另一种厌氧工艺结合，打造一个“二合一”的污水处理工艺，目的是进一步降低能耗和碳足迹，提高脱氮效率。这个所谓的新工艺是何方神圣呢？

另一种厌氧工艺

刚才所谓的“另一种厌氧工艺”指的是反硝化型甲烷厌氧氧化（denitrifing anaerobic methane oxidation）, 简称DAMO。对的，既然氨气可以被厌氧氧化，甲烷为什么不可以呢？DAMO就是由甲烷作为电子供体，NO2-/NO3-作为电子受体进行的反应，有些人又称之为甲烷厌氧氧化耦合反硝化。
DAMO菌的厉害之处在于，它们可以同时去除污水中的溶解性甲烷、亚硝酸盐和硝酸盐。荷兰Radboud大学的微生物学家心想，能不能将部分亚硝化-厌氧氨氧化(PNA)和DAMO两种工艺的各自优点结合到一起，打造一种更省钱、更环保的脱氮工艺呢？他们联合Paques和Waterstromen两家荷兰公司一起开展研究，项目也拿到了欧盟的经费资助。
目前这个工艺还处于实验室的研究阶段，反应器体积仅为2-10L。要进一步规模化不是一件容易的事，他们首先搭建反应中间产物的模型，用两个商业案例来评估可行性。

新工艺表现

首个PNA系统建于荷兰鹿特丹的Dokhaven污水厂，用于污泥处理，时间为2002年。PNA系统可以将大部分的氨氮转化为氮气，但还有10%的氮变成硝酸盐。荷兰人原本想用基于硝态氮的DAMO菌来处理剩下的这些硝酸盐，同时去除那些溶解性甲烷。但实践发现这些DAMO菌吃掉甲烷和硝态氮后，会产出亚硝态氮。幸好基于亚硝态氮的DAMO菌和Anammox菌都可以将这些亚硝酸盐作为底物处理掉。
实验结果显示，PAN/DAMO反应器可以同时去除氨氮、亚硝态氮、硝态氮和甲烷。在他们设定的条件下，脱氮率高达95%。

案例介绍

为了验证去除效果和商业潜力，他们选择了两个污水处理厂的厌氧消化系统作为考察对象：其中一个是市政污水厂(M-WWTP)厌氧消化污泥脱水后的出水；另一个是UASB反应器处理后的工业废水出水(I-WWTP)。目前在这个工业废水案例里，UASB之后的工序是好氧除磷，然后才是厌氧氨氧化脱氮。
他们对两个污水厂的溶解性甲烷进行采样，发现在后续处理工序里，溶解性甲烷的流失率达95%（20mg/L)：其中市政污水厂的甲烷挥发出现在污泥脱水段，而工业污水厂的好氧除磷段会发生甲烷厌氧氧化反应，消耗一部分溶解性甲烷。

案例考察的方法与假设

他们考察了PNA-DAMO工艺的四个运行参数，包括脱氮效率、曝气能耗、污泥产量和气候足迹，并对单个PNA工艺作比较。基于比较结果，他们计算每年运行可节省的净费用，从而折算出净现值(net present value)。如果净现值大于初始投资成本，那说明这个项目值得投资。投资成本是根据处理系统所需体积进行估算（这里假设的单位体积氮负荷的最大值为2kg/m³/天）。
计算结果显示了PNA-DAMO的优越性：在两个案例里，PNA/DAMO的表现均优于PNA，前者的脱氮率比后者高10%，单位能耗则低20%，污泥产量也相应更少。

商业潜力

虽然在运行表现的理论计算上，PNA-DAMO工艺优于PNA工艺，但从商业投资角度而言，他们的结算显示，如果污水厂已经有侧流厌氧氨氧化（PNA)，改用PNA-DAMO并没有显示明显的竞争力。只有在没有后续氨氮处理的前提下，新建PNA-DAMO项目才显出正面的投资预期。
实际上，目前荷兰也没有鼓励甲烷减排的政策措施。欧盟碳交易机制(EU-ETS)的碳价很低，也没有强制要求企业上报甲烷排放的情况。另一方面，亚硝态氮和硝态氮也不在排污税的征收范围内。专家们认为这两点有所改变 ，PNA-DAMO才可能有商业价值。

工程应用的挑战

另外，在工艺细节上，PNA/DAMO还面临着一些挑战，其中包括厌氧氨氧化工艺本身还没解决的问题，例如部分亚硝化段的曝气控制。其次，DAMO菌和Anammox菌一样，生长速度都很慢，利好消息是目前荷兰实验室的研究显示PNA/DAMO的生物质也可以长成颗粒污泥，这会有助生物质在反应器内的富集。
溶解性甲烷带来的温室效应是另一个问题。在案例研究里，研究者在取样的时候发现大量溶解性甲烷挥发到空气中。一些污水厂甲烷排放的相关研究显示，约75%的碳足迹来自污泥处理。引入DAMO工艺，首先可以使这两个污水厂每年减少相当于300吨二氧化碳的排放量；其次因为它的反硝化效率更高，因此每年可以节省约60MWh的曝气耗电量。

前景展望

总的来说，要在短期看到DAMO工程应用恐怕不太现实。在此之前，科学家们能做的，可能还是在荷兰国内联合水委会和工程公司，多申请几个中试的经费，积累更多的数据。话说掐指一算，从UASB、anammox和好氧颗粒污泥的发展历程来看，荷兰也是时候诞生新的厌氧工艺了。