現(xiàn)有研究表明，應用厭氧消化和脫氮工藝聯(lián)合處理高濃度污水，具有較好的處理效果。但是如何將這種工藝應用到濃度相對較低的生活污水處理中呢？德國埃爾朗根-紐倫堡大學流體力學研究所搭建了一個中試裝置，為這種嘗試提供了研發(fā)新思路。
分散式污水處理裝置是原位處理生活污水的重要途徑之一，它既能減小長距離輸水的成本，還能降低相應的維修費用。分散型污水處理裝置的設計理念是占地緊湊、不產生異味、便于使用和管理。
厭氧消化工藝是用于分散式污水處理裝置的典型工藝，它具有占地小、低能耗、低污泥產量、產生沼氣等特點。在不同的操作工況之下，有機物去除率可達25%——90%之間。氮是生活污水的重要成分之一，在厭氧消化工藝之后必須設置對應的脫氮環(huán)節(jié)以降解污水中的氮，厭氧氨氧化工藝(Anammox)是脫氮領域的新技術，在針對污泥消化液脫氮處理中已有工程應用。
現(xiàn)有研究表明，應用厭氧消化和脫氮工藝聯(lián)合處理高濃度污水，具有較好的處理效果，但對于處理濃度相對較低的生活污水，仍然是個不小的挑戰(zhàn)。
為了研發(fā)對低濃度生活污水的處理效果，德國埃爾朗根-紐倫堡大學(Friedrich-Alexander-Universit?t Erlangen-Nürnberg)流體力學研究所搭建了一個“厭氧消化工藝+厭氧氨氧化工藝”的中試裝置，用于將回收的生活污水處理后用作家庭再生水。
相比飲用水而言，家庭再生水沒有明確的水質要求，所以本案例中出水水質標準的設定參照德國污水規(guī)范(AbwV 2016)和巴伐利亞洗浴用水規(guī)范(BayBadeGewV 2008)，出水氨氮、總氮、磷、COD的限值分別為10、13、1、75mg/L，大腸桿菌和腸球菌不應超過900 CFU /100ml和330 CFU/100毫升。
中試裝置搭建
中試裝置搭建于德國埃爾蘭根污水處理廠，包括三個反應器R1、R2和R3。其中，R1和R2用于厭氧消化工藝，R3用于厭氧氨氧化工藝，總處理能力為2噸/天。R1和R3為間歇式攪拌反應器，反應器進水保持軸向流態(tài)。R2為固定床反應器(FBR)，生物載體來自德國Seekbelwerke公司的Bio-NET?塊狀填料。R1和R2的微生物接種自德國Obermichelsbach污水處理廠厭氧消化池，R3的微生物接種自德國FuldaGl?serzell污水處理廠的DEMON反應器。
在R1和R2厭氧消化反應器之前設有一個帶加熱裝置的緩沖罐，用來預熱進水，以滿足中溫厭氧消化工藝對溫度的要求。在R3反應器之后，設有兩個砂濾罐和一個活性炭吸附罐，進一步去除懸浮物、有機物等，以提高最終出水水質。
當R1、R2、R3三個反應器全部運行起來之后，整個中試裝置持續(xù)運行200天。
中試裝置啟動
為使不同微生物適應反應器環(huán)境，設置三個反應器分別啟動，進水從合成廢水逐步替換為市政污水。厭氧消化工藝的停留時間為24小時，COD處理效果如圖4所示。最終出水COD大約為112mg/L，COD去除率保持在62%左右，出水COD已經接近排放指標要求的75mg/L。
圖4 厭氧消化工藝段COD處理效果(啟動過程分三步進行：1.微生物適應階段 2.R1和R2逐步調整進水階段 3.R2進水全部來自R1出水的全運行階段)
厭氧氨氧化工藝的停留時間為6小時，氨氮處理效果如圖5所示。第三階段至第五階段氨氮去除率的降低可能是因為水中亞硝酸鹽氮和氨氮的比例失調。最終實驗確定亞硝氮和氨氮的最佳比例為1.14。R3反應器在運行4周之后成功啟動，溫度控制在28——35℃，pH為7.1——8.2，氨氮去除率可達92%。
圖5 厭氧氨氧化工藝段氨氮處理效果(啟動過程分六步進行，分別對應調整進水的六個階段，詳見原文)
中試裝置運行
圖6分別反應了中試裝置運行200天的COD和氨氮處理工況。厭氧消化工藝的出水COD為85mg/L，厭氧氨氧化工藝的出水COD為39mg/L。結果表明，如果單獨運行厭氧消化工藝，出水COD無法達到75mg/L的排放標準，但加上厭氧氨氧化工藝之后，出水COD完全可以達標。
對氨氮而言，厭氧消化工藝段的出水氨氮濃度為50mg/L。氨氮濃度不降反升的原因是在厭氧消化過程中，水中蛋白質的水解導致氨氮濃度升高。經過厭氧氨氧化工藝段，出水氨氮濃度為1mg/L，完全可以達到10mg/L的排放標準。
圖6 200天工況下COD、氨氮處理效果
總結
分散式污水處理是未來污水處理的發(fā)展趨勢之一，埃爾朗根-紐倫堡大學的研究是針對分散式污水處理領域的一種全新研發(fā)思路，極好的結合了厭氧消化工藝和厭氧氨氧化工藝占地緊湊、能耗低的特點，是符合可持續(xù)發(fā)展的新型技術路線。
該研究將厭氧工藝在高濃度污水處理中的應用延伸到低濃度生活污水處理，為厭氧工藝處理生活污水進行了成功示范。在有機物降解和脫氮作用下，出水COD和氨氮完全可以分別達到75mg/L和10mg/L的排放標準。
中試裝置的啟動是整個系統(tǒng)成功的關鍵，每個反應器在啟動時采用不同組分的合成廢水，再按照一定比例逐漸替換為市政廢水是啟動成功的核心。該研究對分散式污水處理裝置處理低濃度生活污水提供了全新的思路。