在今年5月份的IWA-LET水處理前沿技術(shù)大會(huì )上，日本國立東北大學(xué)的李玉友教授作為“分散式污水處理”分會(huì )場(chǎng)的發(fā)言嘉賓之一，介紹了日本分散式污水處理的發(fā)展歷程，并結合其團隊的研究，提出了一種可以高效回收能量，而且具有經(jīng)濟效益的新型處理工藝。本期IWA微信公眾號將為大家分享這一日本污水處理的最新研究進(jìn)展成果。
日本污水處理概況
為了更高效地開(kāi)展生活污水治理，日本堅持結合地區的特點(diǎn)進(jìn)行生活污水處理設施的建設。根據對象地區的人口密度，來(lái)建設不同類(lèi)型的生活污水處理設施。在人口密度高的城市地區或在居住比較密集的農村地區，主要建設下水道和農業(yè)村落排水設施這樣的集中式處理設施，而在人口密度低的城郊、農村、山區，則以安裝以?xún)艋蹫榇淼姆稚⑹教幚碓O施。
凈化槽(Johkasou)技術(shù)包括處理以家庭為單位的生活污水的小型家用凈化槽、處理樓房和學(xué)校、醫院、超市等排放的生活污水的大中型凈化槽，現在使用中的凈化槽絕大部分都是小型家用凈化槽。數據顯示目前在日本凈化槽的服務(wù)人口超過(guò)900萬(wàn)。日本的凈化槽技術(shù)應用范圍很廣，可以處理樓房住宅、醫院、超市等生活污水，一般由厭氧濾池、接觸曝氣池和消毒池組成，而且能適應不同情況的出水要求。
日本主要生活污水處理系統的概況
由此可見(jiàn)，分散式的污水處理理念在日本已經(jīng)有一定的時(shí)間，而日本對污泥處理也十分重視，厭氧發(fā)酵回收沼氣、焚燒和堆肥都是常見(jiàn)的處理手段。盡管如此，日本的水處理研究者依然在不斷地尋找能耗更低、成本更實(shí)惠的解決方案。
在這樣的背景下，李玉友教授提出了一種可以回收能源，并且具有經(jīng)濟效益的新型污水處理方案--基于厭氧MBR (AnMBR)和厭氧氨氧化兩種新興工藝的低碳設計。他表示學(xué)術(shù)圈對AnMBR和Anammox兩種工藝已經(jīng)分開(kāi)研究了很長(cháng)的時(shí)間，但對于其結合應用的研究卻很少。
基于A(yíng)nMBR和Anammox的有機廢水處理新概念
厭氧膜生物反應器AnMBR
日本早在2000年就有了第一個(gè)AnMBR的工程應用，研究也從早期的產(chǎn)氫發(fā)展到如今處理市政污水。關(guān)于A(yíng)nMBR的研究，李玉友教授團隊主要關(guān)注六個(gè)方面的內容，即HRT和溫度的影響、懸浮固體和表面活性劑的降解情況、溶解性微生物產(chǎn)物(SMP)和胞外聚合物(EPS)對膜污染的影響以及中試應用。
HRT
AnMBR的出水COD可以低于40mg/L，BOD和COD的去除效率均高于90%。由于膜過(guò)濾的作用懸浮固體得到絕對的截留。隨著(zhù)HRT縮短，AnMBR的沼氣產(chǎn)量會(huì )相應增加，而沼氣的甲烷含量可以穩定維持在80%的水平(常溫)，并且其污泥產(chǎn)量(0.06-0.09 gMLSS/gCOD)遠低于傳統活性污泥的對應值(0.25-0.4 gMLSS/gCOD)。這些數據顯示了AnMBR能同時(shí)實(shí)現高效厭氧消化以及優(yōu)質(zhì)出水。
溫度
當溫度低于15℃的時(shí)候，AnMBR的甲烷產(chǎn)量和COD去除率都受到顯著(zhù)影響。溫度的降低一方面導致SMP和EPS釋出量的增加，導致膜污染情況惡化，一方面也增加了甲烷的溶解度。
懸浮固體的降解
廁紙是生活污水的主要不溶性COD組分。但是廁紙在A(yíng)nMBR里可以得到完全溶解，而且不會(huì )在混合液和濾餅層積聚。生成的甲烷有26%來(lái)自廁紙的降解。懸浮固體中的纖維素在HRT長(cháng)于12小時(shí)的時(shí)候影響不顯著(zhù)，但在HRT降至6小時(shí)會(huì )發(fā)現污泥里的纖維素積聚現象。
表面活性劑的降解
研究團隊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)作為代表性的非離子和離子表面活性劑進(jìn)行實(shí)驗。結果顯示，AE得到有效降解并轉化為甲烷。而且系統完成對AE的長(cháng)期自適應后，污泥的產(chǎn)甲烷活性得到進(jìn)一步提高。但是如果AE含量過(guò)高(F/M比>1)則可能破壞細胞結構，降低產(chǎn)甲烷活性。而LAS則明顯抑制了產(chǎn)甲烷活性，它的去除主要通過(guò)吸附而不是降解來(lái)進(jìn)行。與產(chǎn)酸菌相比，LAS在污泥中的積聚對產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生更大的負面作用。
中試對比
研究團隊還對AnMBR進(jìn)行了中試實(shí)驗，并且與傳統的活性污泥法工藝系統進(jìn)行對比。結果顯示，通過(guò)使用AnMBR，可以獲得良好出水水質(zhì)，甲烷產(chǎn)量大大增加，污泥產(chǎn)量比活性污泥法少2/3。
厭氧氨氧化Anammox
研究團隊在2011年開(kāi)始對anammox展開(kāi)了研究。最初先研究反應器的啟動(dòng)和顆?；?，隨后兩年開(kāi)始研究抑制機制和恢復方法，然后就開(kāi)始了厭氧氨氧化附著(zhù)膜膨脹床反應器(Anammox attached film expended bed -AAFEB)，同時(shí)開(kāi)發(fā)對單階工藝使用的人工載體和微顆粒進(jìn)行優(yōu)化。
團隊開(kāi)發(fā)的AAFEB厭氧氨氧化工藝通過(guò)pH的控制和人工和自然形成的anammox顆粒高效地處理高氨氮濃度的廢水。研究團隊為期220多天的跟蹤研究發(fā)現，曝氣率和溶解氧是影響脫氮表現的關(guān)鍵參數，HRT可以低至2小時(shí)，出水TN值在8-18mg/L之間，去除率為74±15%。
AnMBR+Anammox
團隊搭建的小規模實(shí)驗系統由一個(gè)運行體積為20L的AnMBR和一個(gè)含有懸浮載體的7L單階厭氧氨氧化反應器組成。這個(gè)新概念系統在日本仙臺的Senen污水處理廠(chǎng)已經(jīng)運行了200多天。AnMBR的HRT已成功縮短至6小時(shí)，而單階厭氧氨氧化反應器的HRT成功縮短至2小時(shí)，載體填充率為20%，曝氣率為1L/分鐘。
結合AnMBR+單級anammox的反應器系統
李玉友教授表示該研究項目從2017年開(kāi)始，將進(jìn)行3年，目前仍在各種測試以及數據收集和分析階段，據透露他們目前正在搭建一個(gè)規模為20m?/d處理設施。
對于這個(gè)AAFEB工藝感興趣的讀者，可以參考李教授團隊發(fā)表在Bioresource Technology第253期的一篇相關(guān)文章Stoichiometric variation and loading capacity of a high-loading anammox attached film expanded bed (AAEEB) reactor。
小結
與傳統的活性污泥法相比，AnMBR具有可處理高COD濃度廢水、工序簡(jiǎn)單、甲烷回收率高等優(yōu)點(diǎn)，但依然要解決出水氨氮高的問(wèn)題。李玉友教授及其研究團隊因為在A(yíng)nMBR和anammox兩方面都有研究，因此想到了用anammox作為AnMBR后續處理工藝，通過(guò)使用AAFEB流化床反應器和投加人工載體的設計，實(shí)現了厭氧氨氧化主流脫氮和AnMBR的耦合。如果這個(gè)新概念能在進(jìn)一步的長(cháng)期實(shí)驗中得到驗證，這將是污水處理技術(shù)的又一重大突破。
京公網(wǎng)安備 11010802021286號