厌氧二合一!荷兰科学家探索既可脱氮又除甲烷的污水新工艺-水-国外-环保技术-七星资讯-北斗智库环保管家
您的当前位置: 首页 » 七星资讯 » 环保技术 » 国外 » » 正文

厌氧二合一!荷兰科学家探索既可脱氮又除甲烷的污水新工艺

  来源:奥尼卡水处理创新中心 | 发布时间:2019-07-04

  北斗智库环保管家网讯: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(AnaerobicAmmoniumOxidation)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。
 
 
 在实验室缺氧条件下,经过9.5个月培养的生物质组成 (荧光显微镜, 比例20 ?m)。其中红色是nitrate-DAMO,绿色是nitrite-DAMO,蓝色是anammox
版权:Karin Stultiens, Radboud University

       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%。
 
 
 侧流厌氧氨氧化的两个早期案例:左边是两段式的荷兰Dokhaven污水厂(污水处理厂Sluisjesdijk),右边是一段式的Olburgen污水厂 | 图源:TU Delft

       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。
 
 
 
  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/m?/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。
 
  
  荷兰鹿特丹Dokhaven的IC反应器 | 图源:Paques BV

       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。
 
 
  Olburgen污水厂 | 图源:waterstromen
 
  更多环保技术,请关注北斗智库环保管家网(www.beidouzhiku.cn)。

关键词: 水处理   环保技术   环保管家  

版权与免责声明

1.凡注明来源“北斗智库环保管家网”的所有文字、图片和音视频资料,版权均属北斗智库环保管家网所有,未经授权禁止转载。
2.本网转载并注明自其它来源的作品,目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点或证实其内容的真实性,不承担此类作品侵权行为的直接责任及连带责任。