日處理二十萬立方的主流部分硝化和氨氮厭氧氧化: 反應器構型，運轉(zhuǎn)和與傳統(tǒng)生物脫氮工藝的比較

原創(chuàng)2017-11-19曹業(yè)始中國給水排水

題目：日處理二十萬立方的主流部分硝化和氨氮厭氧氧化: 反應器構型，運轉(zhuǎn)和與傳統(tǒng)生物脫氮工藝的比較

報告人:曹業(yè)始--新加坡公用事業(yè)局(PUB)前首席專家，國際水協(xié)會會士(IWA Fellow), 國際水協(xié)會營養(yǎng)物去除和回用專家領導小組成員，世界銀行環(huán)境顧問

主持人：天津創(chuàng)業(yè)環(huán)保集團股份有限公司 李金河 總工

摘要

主流氨厭氧氧化為污水廠能量自給提供了技術上可能性，同時該技術對低碳氮比污水營養(yǎng)化去除具有特別意義。本報告介紹了世界上最大(日處理量二十萬立方污水，新加坡樟宜回用水廠)主流氨厭氧氧化工藝的反應器構型、運轉(zhuǎn)、特征，并與生產(chǎn)規(guī)摸常規(guī)營養(yǎng)物去除過程在出流水質(zhì)及能耗方面進行了比較，從而說明了主流氨厭氧氧化過程的獨特的優(yōu)越性。

好的，我們今天最后一個專家報告，我們以熱烈掌聲歡迎曹業(yè)始先生。他發(fā)言題目是日處理二十萬立方主流部分硝化和氨氮厭氧氨氧化，反應器構型，并且與傳統(tǒng)生物脫氮工藝的比較。

曹業(yè)始：

感謝有這么一個機會跟國內(nèi)的同行交流。二十多年前我從蘇州出去，去年從新加坡公用事業(yè)局(PUB相當一個副部級單位)回國。PUB管理所有的與水有關的收集、流域，供水、再生水（污水） 等，是新加坡國家的水務管理機構。我所在的部門是叫做回用水廠部，相當于我們污水處理司。

我今天主要介紹一個生產(chǎn)規(guī)模的主流厭氧氨氧化過程。這個項目跟美國DCWater HRSD和奧地利Strass廢水處理廠在同一主題項目下一起獲得了2014年度IWA應用創(chuàng)新大獎。是目前世界上最大也是第一個自身維持厭氧菌的過程。我介紹這個研究課題時，同時也指出好處在哪里，省錢在什么地方。與常規(guī)生物過程出水水質(zhì)和曝氣能耗做比較。最后我想提出這一個技術在新加坡能夠應用，很大程度上與它的氣候有關，對中國來說，廣東和海南氣候是不是也考慮嘗試。

今天污水處理的根本難題是碳管理。在傳統(tǒng)的生物處理過程中，原水當中的碳服務于兩個目的，一個營養(yǎng)物去除，第二個送到硝化池里面產(chǎn)生沼氣。營養(yǎng)物標準嚴格時實際沒有多少碳源可以用作能源回收的。因此，發(fā)展一種營養(yǎng)去除不需要碳源的新過程，就提到議事日程上。氨氮厭氧氧化菌發(fā)現(xiàn)以后，引起了人們的注意。因為它可以節(jié)約60%的溶解氧，且不需要碳源進行氨氮去除。這是一個根本性的變化。就是今天上午彭老師講，碳跟氮去除不用放在一起，可以分開來處理。理論上來說厭氧氧化全部成功可以把所有碳源拿去做能源回收。美國的切薩皮克（Chesapeake.） 地區(qū)有很嚴格排放標準。BluePlains污水處理廠每年花六百萬美元買碳源。這是美國開發(fā)這項技術的主要驅(qū)動力。歐洲的驅(qū)動力是增加能源回收。從國外研發(fā)來看，已經(jīng)花費六年時間進行改技術的開發(fā)。而對國內(nèi)來說，我們相當部分的污水碳氮比比較低，如果能夠應用這項技術，可以在低碳氮比情況下達到高標準的營養(yǎng)去除。樟宜回用水廠實行了主流氨氮厭氧化（60萬噸每天），工藝是典型的五點進料，進料以20%的比例進每一個硝化池�；亓鞅龋�50%）進入到第一個硝化池。硝化池和好氧池容積相同。整個水力停留時間為5.6 h。新加坡污水溫度為28 ℃-32℃。 這個圖是我們從2011年在現(xiàn)場取樣分析的平均值制成。有兩個典型現(xiàn)象：第一，氨氮不但好氧池里面去除，在厭氧池里也被去除；第二，每個好氧池的末端的亞硝酸氮濃度遠遠高于硝酸氮濃度。短程硝化很明顯。部分硝化率為72%，相當于10個氨氮進入好氧去，有7個氨氮被氧化掉。而這7個被氧化掉的氨氮中70% 氧化成了亞硝酸，剩余的變成了硝酸根。亞硝酸氧化菌的活性被嚴重抑制。

兩家當?shù)氐拇髮W進行了微生物研究，證明這個系統(tǒng)當中單細胞形態(tài)的氨厭氧化菌種存在。TU-Delt進行了實驗模擬，證明了在樟宜條件下單細胞形態(tài)的氨氮厭氧菌確實可以存在。最近日本OKABE研究組也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象。

現(xiàn)在回到基本的問題，跟常規(guī)系統(tǒng)比較優(yōu)點何在？在進水水質(zhì)BOD大概為140到150，TN為41，出水TN為 4.8，TN去除率為88.3%；而常規(guī)的過程出水TN一般高于10mg/L，TN去除率為70%。再看看總氮的組成，它的無機氮組成，這一張圖也是2011年數(shù)據(jù)，1月1號到年底，實際每天早上和下午平均值，每個平均值做出來，黃的是氨氮，濃度最高。亞硝酸氮濃度為平均值為1.1 mg/L，這個最有意思的是硝酸根氮的濃度為1 mg/L�？偟臒o機氮為3.8 mg/L。 而PUB所管轄的其它的常規(guī)污水廠出水的硝酸氮為8-12 mg/L。

對比曝氣能耗，樟宜處理每立方水電耗為0.13 kW·h，能耗比新加坡其它幾個污水廠低10%-30%。 而樟宜污水廠的出水TN遠低于新加坡其它幾個污水廠，這充分說明樟宜污水廠的脫氮能耗最低。我在這里沒有談脫磷，我們也在厭氧區(qū)發(fā)現(xiàn)反硝化脫磷現(xiàn)象，今天時間有限就不講了。

樟宜主流厭氧氨氧化的因素是什么？第一高溫。第二殘余氨氮的存在，缺氧好氧交換進行，短泥齡和在線控制。

本課題起始于2011年，有若干論文已經(jīng)發(fā)表。大家有興趣可以參考。我的報告就做完了。

謝謝大家！

提問1

樟宜生產(chǎn)實驗當中發(fā)現(xiàn)這個現(xiàn)象，中試系統(tǒng)驗證出來什么樣的結果？

曹業(yè)始

實驗室試驗能重現(xiàn)現(xiàn)場的現(xiàn)象，做中試時用的是生物膜反應器，取得了部分硝化，但不穩(wěn)定，挑戰(zhàn)在于如何維持剩余氨氮。

提問2

設計的時候為什么選擇五段呢？

曹業(yè)始

多點進料有三點也有五點，段數(shù)越多碳的利用效率越高，但基建費用較高。

提問3

美國原來很多老廠 用兩點進料工藝，再增加進料點有顧慮，出水氨氮高達到5-6 mg/L。國內(nèi)考慮這個工藝考慮氨氮可能不能穩(wěn)定達到我們的要求。

曹業(yè)始

如果僅僅考慮要徹底硝化，最后好氧段可以設計的大一點，另外最后一條好氧區(qū)的大一點，比前面的好氧段長一點�，F(xiàn)在工業(yè)規(guī)模裝置氨氮的在線測試不是問題，出水的氨氮濃度可以控制。

提問4

就是說你這個缺氧段這個分隔是流態(tài)分隔嗎？

曹業(yè)始

現(xiàn)場的實際整個的流態(tài)都是活塞流， 做分隔起不到很大作用。

提問5

不同的氨氮厭氧化菌活性差別是否是開發(fā)過程中遇到的一個難題？

曹業(yè)始

小于13 ℃ 的低溫情況下,氨厭氧菌活性都比較低。

(附PPT)

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新加坡樟宜污水廠主流短程硝化和厭氧氨氧化運行及微生物研究總結（2011—2016）

2017-11-14water8848

新加坡樟宜污水廠主流短程硝化和厭氧氨氧化運行及微生物研究總結（2011—2016）

原創(chuàng)2017-11-13曹業(yè)始中國給水排水

在2017年11月7—10日由國際水協(xié)(IWA)和重慶大學主辦的題為“可持續(xù)的廢水處理：研究、規(guī)劃、設計和運行”（IWA-NRR-LWWTP 2017）國際會議上，來自荷蘭代爾夫特技術大學(TU Delft) 的Mark van Loosdrecht教授做了題為“新概念的廢水處理的創(chuàng)新與實踐（Innovations and Practical Experience of New Concepts in Wastewater Treatment）”的主題演講。他舉了2個已經(jīng)工業(yè)化應用的實例。一個是新加坡樟宜污水廠的主流厭氧氨氧化，另一個是Nereda好氧顆粒污泥技術的應用。新加坡公用事業(yè)局(PUB)曹業(yè)始博士在此次會議上，對樟宜污水廠2011—2016年主流短程硝化和厭氧氨氧化的運行狀況及微生物研究情況做了總結報告。

曹業(yè)始先生在荷蘭代爾夫特技術大學(TU Delft）取得環(huán)境生物技術博士學位。曾作為新加坡公用事業(yè)局（PUB）回用水(污水) 處理首席專家，領導和參與了一系列的新加坡回用水處理項目和研發(fā)。其主要興趣在生物廢水處理的過程優(yōu)化、開發(fā)和大型污水處理廠工藝管理， 成果除了在國際專業(yè)會議報告、期刊發(fā)表和出版專著外，相當部分被付諸工程實施。他領銜的樟宜主流厭氧氨氧化項目贏得國際水協(xié)技術發(fā)明應用研究大獎。他現(xiàn)為國際水協(xié)會士(IWA Fellow）、國際水協(xié)營養(yǎng)化去除與回用(NRR)專家組領導組成員，世界銀行環(huán)境專家和咨詢顧問，對亞洲地區(qū)和發(fā)達國家的污水處理、水環(huán)境狀況和問題有深入的見解。

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2018年《中國給水排水》雜志社主辦的會議信息：

1、中國給水排水2018年中國城鎮(zhèn)污泥處理處置技術與應用高級研討會（第九屆）。

2、2018年《中國給水排水》飲用水安全保障技術交流會（第六屆）。

3、《中國給水排水》第八屆城市雨污水管理國際研討會。

4、中國給水排水2018年中國污水處理廠提標改造高級研討會（第二屆）。

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以最大程度資源回收為目標的新加坡污泥處理與處置

原創(chuàng)2017-06-21曹業(yè)始中國給水排水

曹業(yè)始-- 新加坡公用事業(yè)局（PUB） 首席專家(污水處理) 荷蘭代爾夫特科技大學（TUD） 博士

新加坡PUB是新加坡公用事業(yè)局的縮寫，隸屬于新加坡水資源和環(huán)境部，是一個副部級國家的水管理機構，所有跟新加坡水有關的業(yè)務都在他的管理之下。

我曾經(jīng)在新加坡PUB污水管理部（司級單位），稱之為回用水管理部，擔任相當長時間的首席工程師。

今天，主要介紹一下新加坡污泥處理和處置的特征，以能量回收為重點。首先講一下背景，資源回收的優(yōu)先順序、現(xiàn)狀、技術參數(shù)、路線圖。而新加坡現(xiàn)在已經(jīng)制定了到2025年污水處理規(guī)劃，并且已經(jīng)到工藝設計階段，這階段哪些技術應用在污泥資源回收呢？我也會給大家做一個介紹。

（詳見PPT）新加坡現(xiàn)有4個污水處理廠，總處理量是160萬噸。三個紅塊稱之為第二階段的污水處理廠。這兩個現(xiàn)有污水處理廠在新廠建成以后就要廢除了，到2025年新加坡會就有三個污水處理廠，總處理量到時候是240萬立方米/天。

當我們談污泥污水回收的時候要介紹一下背景，在新加坡污水處理是分流系統(tǒng)，有機碳是550-650，新加坡華人占人口約75%，飲食習慣和大陸沒有區(qū)別。但是污水的COD的含量是在正常水平。污水處理量目前是160萬噸，污水處理主要是應用脫氮活性污泥工藝，污泥每天約800立方米，20%的含固量。

資源回收的優(yōu)先順序：作為一個很小的缺乏天然資源的城市國家，新加坡把資源回收作為放在很重要的地位，像大家知道由于天然的水資源的短缺，水的回收放在第一位，現(xiàn)有的150萬噸的污水處理，一半以上的出水用雙模技術生產(chǎn)新生水。而到2025年的時候，除初期雨水外，其余的出水做飲用水級的再應用。

第二是能源的回收，能源的回收最終目標是整個廠的運行最后能夠達到不需要從外部輸入能源。再就是資源節(jié)約，作為一城市國家土地的稀有，要求建設占地面積盡可能小。

（詳見PPT）這張圖看似很簡單，今天污水處理廠能源回收主要是應用污泥厭氧反應器。厭氧反應器主要是由初沉池排放的泥和活性污泥池剩余污泥作為“飼料”輸?shù)竭@個反應器里，而產(chǎn)生的生物氣再由發(fā)電機轉(zhuǎn)化供應電源。當然，在理論上來說，脫水的污泥可以再產(chǎn)生能源，但目前使用還不普遍。所以從現(xiàn)有的污水處理廠產(chǎn)生能源來看，重要的因素是高效的初沉池和厭氧消化反應器、高效的發(fā)電機。

如果抓住這幾個環(huán)節(jié)以后，就可以有相當?shù)碾娔艿幕厥�，即我們稱之為能源回收的第一版。目前，在新加坡所有的污泥都進行中溫的厭氧消化，固體揮發(fā)物的去除率是大約40%，達到國際上的公認的水平。

能源的轉(zhuǎn)換，發(fā)電機從煤氣的能量到電轉(zhuǎn)換電的效率約為25%。污水發(fā)電水平是每立方米可以產(chǎn)生0.13kW·h的電量，這相當于工藝過程用電量的1/3。這個水平相當于歐洲的平均水平。而干燥和脫水后的污泥都是焚燒處置。

（詳見PPT）這張圖就顯示干化率、污泥體積和能源的需求關系，新加坡最早是脫水達到20%含固率以后就進行的土地的填埋，但是沒有多久就填滿填埋場了，所以現(xiàn)在進行焚燒處置。據(jù)我所知，在北歐許多國家焚燒是最后處置方法。當然北京、上海最后怎么樣做？我們眼前下結論還為時尚早。

簡單講，如果污泥含固率為20%，焚燒以后含固率達90%，這個體積比為1/10。

當新加坡規(guī)劃提高能源效率時，首先學習國際先進水平在哪里？我們知道世界有一個廠在奧地利的Strass廢水廠，在2005年的時候已經(jīng)達成了能源自給，我們參觀該廠，也派了人去仔細學習，也請他們的人到我們這邊來做介紹。

這張圖是整個廠里面碳的流向，你可以看到每一個過程碳的分布，而重要的是有多少碳進入了厭氧消化池，而產(chǎn)生的多少甲烷氣。

采用他們的經(jīng)驗，我們在新加坡幾個大廠也進行了物料衡算研究，我們要知道碳氮磷在這個廠是怎么的流向的。

我們用我們的結果與Strass廠進行比較，看看差距在什么地方，可以在什么方面進行改進。迄今為止，我們4個廠都建立了物料衡算，每個月的月報首先要報告你物料衡算有什么樣的變化，反應在運作上有什么問題。

PUB下一個目標就是要達到國際先進水平，每立方污水產(chǎn)生0.3 kW·h的電能，稱之為能源回收第二版。

為達到能源自給，采用了下面一系列的措施。

1.污泥的預處理。（詳見PPT）包括先進行了中試規(guī)模的超聲波預處理的實驗。緊跟著一個生產(chǎn)規(guī)模裝置的運行。可以帶來約10%的沼氣的增加。從前兩年開始我們也向Strass學習，更換了部分舊的發(fā)電機，安裝了具有38%轉(zhuǎn)化率的新的發(fā)電機，就帶來了50%的電量增加。

2.熱水解，我們建立了一個生產(chǎn)規(guī)模的熱水解，研究帶來的具體凈能量增加是多少。并且估計在今后維修和更新帶來的工作量。

3.把外面的碳源加到消化池當中去。在工業(yè)裝置當中我們已經(jīng)做了實驗，證明可以把要處理的食品廢棄物加進去，由此產(chǎn)生了相當可觀的沼氣增長。

到2025年新加坡三個水廠建成的時候，能量回收的情況如何呢？污水處理最大的困境就是碳的管理，本身讓碳源要用來去除營養(yǎng)物又產(chǎn)能源的時候，是很難兩全其美的，這就是我們現(xiàn)在要談主流厭氧氨氧化的問題。未來處理廠的概念，如果這概念廠能實現(xiàn)，今后的處理廠可可以把盡量多的碳拿下來送到厭氧消化里面去產(chǎn)生能源。但是條件是什么呢？后面的營養(yǎng)物的去除不需要碳源，或者是需要的很少，這就提供了一種能源平衡和剩余的可能性。比如說我們先的現(xiàn)在的初沉池碳去除是40%，你就可以增長到60%，相當于50%能源的增加。

（詳見PPT）目前新加坡樟宜再生水廠，20萬噸的主流厭氧消化過程已經(jīng)報告了，是世界上最大的部分短程氨氧化和氨厭氧化過程，并且在2014年，我們跟美國的兩家水務系統(tǒng)和Strass廢水處理廠一起贏得了國際水協(xié)的發(fā)明大獎。

（詳見PPT）這張圖是一年的操作數(shù)據(jù)，出水氨氮的平均濃度是1.7毫克升，亞硝酸氮是1.1毫克升，硝酸和氮只有1毫克升，這就顯示了這個過程的優(yōu)越性，有沒有繼續(xù)改進的空間呢？有，現(xiàn)在還是用的傳統(tǒng)的初沉池，相當量的碳還是進入這個系統(tǒng)，要把這個過程更有效地應用到新的污水處理廠，有三大問題要解決：對現(xiàn)有的過程有深刻的理解。膜生物反應器帶來的額外的影響。因為我們現(xiàn)在用的是常規(guī)的活性污泥。而在第二階段深溝污水處理廠用膜生物反應器。另外高效率的碳捕捉的過程的開發(fā)和它的應用，這都是要解決的問題。

所以從2011年以來，新加坡PUB做了一系列的研發(fā)項目，三個中試的項目就著眼于回答這些問題。而最新的就是日處理1.2萬噸稱之為示范廠的項目，是模擬今后的第二階段的污水處理，看看主流厭氧氨氧化能不能實現(xiàn)。

我們也采用了側(cè)流的污泥回流液氨厭氧氧化過程，也保留著用側(cè)流過程強化主流氨厭氧氧化的可能性。

已建立生產(chǎn)規(guī)模的裝置，進行單獨的食物廢棄物消化和與污泥混合的厭氧消化，這兩個項目現(xiàn)在已經(jīng)在運行。

最后一個項目把新的污水廠里脫水的污泥就近送到旁邊的城市固體廢棄物處理廠，與城市固體一起焚燒，產(chǎn)生的電源送回到污水處理廠。

到2025年的時候，新加坡再生水廠的能源回收在沒有外加碳源的情況下可以達到0.3千瓦時每立方米污水。應用食物殘渣和城市固體廢棄物的協(xié)同焚燒，整個新加坡污水處理廠包括新生水廠可以達到能源自給，從而實現(xiàn)新加坡污水能源回收的第三版。

總結一下：新加坡PUB的方法。

提早規(guī)劃，2025年離現(xiàn)在還有七八年，概念設計已經(jīng)完成，主要技術路線已經(jīng)選定，現(xiàn)在已經(jīng)開始工藝設計。根據(jù)新加坡的條件制定高資源回收指標。采用一流的技術水準和實踐。投資在開發(fā)上一步一步的驗證，最佳技術適用性。

（詳見PPT）本手冊包括了對現(xiàn)有主要技術的篩選，根據(jù)新加坡的情況，哪些技術可以考慮并進行重點開發(fā)，這本書是我們根據(jù)若干與能源有關項目的一個出版物。

在此，感謝PUB提供許多照片，不少是現(xiàn)在正在進行的工程，PUB也同意與大家共享。謝謝大家！

主持人 王濤 (機械科學研究總院環(huán)保技術與裝備研究所 副總工 研究員級高工)： 謝謝曹博士，給我們帶來新加坡污泥處理處置方面的經(jīng)驗，盡管新加坡與中國的情況可能有一些區(qū)別，但是在曹博士的演講中我們還有很多經(jīng)驗值得吸取、借鑒。

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