从OLND工艺的应用谈活性污泥法的下一个百年

北极星环保网讯:综述：活性污泥法起初关注的焦点在于对污水中有机物的去除，但随着对活性污泥法研究的不断深入以及水体富营养化问题的凸显，上世纪50年代起，脱氮除磷成为污水处理的另一主要诉求[2,3]。脱氮除磷工艺的发展，也经历了一个50年的变革，从美国的Barth提出采用三段法除氮，到Barnard提出的AO法工艺，再到70年代进一步优化的A2O工艺，活性污泥法已逐步走向成熟。迄今为止，基于活性污泥法的变种工艺已经在全世界污水处理厂投入运行，包括进一步的除磷、硝化-反硝化、厌氧氨氧化以及剩余污泥的厌氧消化等工艺。

1 活性污泥法的百年发展的思考

1.1 活性污泥法的百年发展历程

1914年4月3日，英国人Ardern和Lockett发现了活性污泥对于污水生物修复过程的重大作用，它能从污水中去除溶解性的和胶体状态的可生化有机物，以及能被活性污泥吸附的悬浮固体和其他一些物质，由此揭开了活性污泥法百年经典的序幕。

活性污泥法的一百年，是一个不断探索、不断改进、不断优化的过程，从最早的充-排式工艺到改进后的推流式连续进水，解决了系统操作繁琐、易于堵塞的缺陷;随后提出的渐曝气活性污泥法(TAAS，tapered aerobic activated sludge)和阶段曝气法(SFAS，step-feed activated sludge)分别从曝气方式和进水方式上解决了推流式反应器中污泥耗氧速度随池长变化导致的供氧不平衡问题;而完全混合式活性污泥法的提出，则是通过改变活性污泥微生物群的生存方式，使其适应曝气池中基质浓度的梯度变化，有效解决了污泥膨胀的问题[1]。

活性污泥法起初关注的焦点在于对污水中有机物的去除，但随着对活性污泥法研究的不断深入以及水体富营养化问题的凸显，上世纪50年代起，脱氮除磷成为污水处理的另一主要诉求[2,3]。脱氮除磷工艺的发展，也经历了一个50年的变革，从美国的Barth提出采用三段法除氮，到Barnard提出的AO法工艺，再到70年代进一步优化的A2O工艺，活性污泥法已逐步走向成熟。迄今为止，基于活性污泥法的变种工艺已经在全世界污水处理厂投入运行，包括进一步的除磷、硝化-反硝化、厌氧氨氧化以及剩余污泥的厌氧消化等工艺。

1.2 活性污泥法面临的挑战

然而，活性污泥法存在的问题也是显而易见的。理论上，降解1gNH4+-N需要消耗4.6g溶解氧，而降解1gCOD也需要1g溶解氧，活性污泥法对于氧气的需求量较大;在曝气和回流污泥过程中，鼓风机和回流泵需要消耗大量能源;同时，在反应过程中，系统会直接产生大量温室气体CO2，对环境带来一定的负面影响，因此从环境友好角度来讲，传统活性污泥法显然具有不可持续性[4,5]。通过工艺优化，寻找更高效、能耗更低、排放更少、更节约用地的优化工艺，可能会成为活性污泥法百年之际面临的最主要挑战和机遇。

2 短程硝化反硝化的提出与瓶颈

2.1 短程硝化反硝化理念的提出

从工艺角度讲，传统活性污泥法仍然有很多有待探索的空间。直至20世纪90年代初，活性污泥法对NH4+-N的去除依然维持着传统的工艺方法，即先硝化后反硝化。虽然彼时已经有研究发现了通过亚硝化实现短程硝化反硝化的机理，但受限于工艺控制手段和对微生物认知的缺乏，在很长一段时间内，亚硝化一直被认为很难与硝化过程区分，即一旦发生了亚硝化反应，几乎同步就会发生硝化反应;也很难说清楚在反硝化过程中到底是NO2-起作用还是NO3-在起作用，所以对脱氮除磷工艺的优化一直没有显著成果。

1995年，荷兰微生物学家Kuenen通过对同位素N15和N14追踪分析，证实了脱氮的机理(式1)，在后续研究中，Kuenen继续尝试将NO2-替代为NO3-(式3)，使电子需求量减少、脱氮能耗降低，并证实了通过NO2-脱氮，效率更高。

受Kuenen启发和指导，1998年，Van de Graaf等人提出了完全自养反硝化(CANNON，completely autotrophic nitrogen removal over nitrite)和短程硝化反硝化(SHARON，single reactor high activity ammonia removal over nitrite)工艺，其中，SHARON指的是亚硝化的途径(式2)，而CANON指的是自养反硝化进程(式3)。厌氧氨氧化(ANAMMOX，anaerobic ammonium oxidation)的核心机理实质上就是CANNON和SHARON的结合。进入21世纪以来，ANAMMOX一直是世界上广为关注的焦点，诸多研究证实，ANAMMOX在缺少有机碳源的情况下具有良好的脱氮效果，这对于提高污水处理厂脱氮能力、降低能耗有显著的作用，以ANAMMOX为代表的新型脱氮工艺也被广泛认为是未来主流的活性污泥法新工艺[6]。

2.2 ANAMMOX目前的瓶颈

然而，ANAMMOX的运行稳定性一直是其工程应用必须解决的重要问题，其关键的核心还是在于ANAMMOX菌种(红菌)的特殊性。红菌为自养菌，以CO2为碳源，无需有机物，因此ANAMMOX适合C/N较低的含氮废水[7]。但在大多数工况中，有机物往往与氨氮共存，不利于红菌的生长。另外红菌的生长速度缓慢，导致系统启动时间较长，菌群生长需要控制在无氧、避光、中温等严格环境中，在工程化应用中必然会产生很多难点。近年来，针对厌氧氨氧化开展的小试和中试研究不计其数，但取得工程化应用实质性突破的成果报道较少。

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