工艺技术案例：美国华盛顿Blue Plains污水厂[厌氧氨氧化]

查看全部 · 发表于 2021-4-13 11:36:27

说到脱氮，我们得介绍一位来自奥地利的学者Bernhard Wett，他是奥地利因斯布鲁克大学(University of Innsbruck)的工业脱氮博士。2005年，这位环境科学家加入了Murthy和O'Shaughnessy的“大家庭”，给华盛顿特区引进了一项突破性的污水处理新工艺，名叫DEMON。这项工艺背后使用的，是新发现的厌氧氨氧化细菌(anammox)。新工艺已经在奥地利Strass污水厂通过验证。Strass污水厂是一座小型污水厂，位于阿尔卑斯山脚。该工艺成功处理高氨氮的侧流(sidestream)废水，并使能耗减少50%。结合一系列能耗优化措施，Strass污水厂一跃成为奥地利最节能的污水处理厂。

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位于HRSD的York River污水厂的旋流分离器| 图源：AAEES

Wett博士和美国科学家之间的合作也因为其出色成果得到了美国业界的认可。2009年2月，DC Water和Alexandria卫生局获得了美国国家清洁水组织协会(NACWA，美国最大的独立的污水处理联合会)的国家环境成就大奖(National Environmental Achievements)中的"研究与技术"的子奖项，以表彰他们使用DEMON厌氧氨氧化工艺，对提升工业脱氮效率和侧流处理的可持续性以及创新性方面的杰出贡献。

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厌氧氨氧化菌 | 图源：AraConsult

Blue Plains污水厂

"我们每天处理3亿加仑的污水，"Murthy博士边开车边解释。作为美国最大的深度污水处理厂，它服务着华盛顿特区200万的人口，它比邻近10个污水厂加起来的处理量还大。你若想徒步走完整个厂区，得费上一番力气和时间，所以Murthy博士就开车带我参观。

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Blue Plains - 美国最大的深度污水处理厂 | 图源：DC Water

现代污水处理工艺诞生至今，大概有100年左右的时间了。Blue Plains建于20世纪30年代，至今已有约80多年历史。它的发展就是现代污水处理的发展缩影：在最初，污水处理只需要去除COD。到了20世纪70年代，人们意识到氮和磷的处理更加关键。这些营养物会导致水体的富营养化。

从2000年起，Blue Plains的污水处理过程不仅能除去其中的碳和磷，还能同时除去氮，并且利用砂滤池和氯化杀菌进一步提高出水质量，从而使得处理后的水基本上已经达到饮用水的标准。“Blue Plains位于波托马克河(Potomac River)的最佳位置，在这里有时你甚至可以看到秃鹰。”Murphy笑着说。尽管如此，波托马克河依然存在着环境问题。

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Blue Plains污水处理厂的主要工艺流程图

受污染的水体

不仅是波托马克河，波托马克河最终流向的切萨皮克湾也存在着严重的水质问题。营养物污染导致了严重缺氧的“死亡区”的出现，这些营养物有约60%来自农业肥料的使用。Anacostia是华盛顿特区的第二大河流，它的情况比波托马克河和切萨皮克湾更糟糕。

Sudhir Murthy的妻子Maureen O'Shaughnessy是弗吉尼亚州Alexandria卫生局的清洁河道部的主任，因此波托马克河和ASA污水厂的水质是她关心的事情。

她的办公室位于一幢整洁的砖式建筑中。“办公楼和污水厂的风格是相匹配的，”O'Shaughnessy说。但要确保该地区的水质安全，显然还是污水厂的工艺更重要：他们配置的热交换器节省了能耗开支，对各种材料制定回收计划，曝气池也加盖除臭，废气也会经生物滤池处理后排放。

厌氧氨氧化的后起之秀

"降低能耗、污泥减量和水质的改善是目前污水处理面临的挑战，尤其是脱氮工作。”Murthy 和 O'Shaughnessy对此认识一致。脱氮是污水处理成本最高的部分：首先硝化需要大功率鼓风机泵氧，而反硝化工艺需要外加碳源。另外污泥硝化产生的高氨氮消化液也是导致脱氮成本高企的因素之一。

这些高氨氮废水正是Murthy夫妇当时开始寻找新工艺技术的原因，也因为这样，他们开始了和奥地利人Berhard Wett的合作。

谈到他们的初次见面，Murphy不仅开怀大笑，他说他们是在山上见的。“不然你还会在哪里碰到奥地利人？”Murphy打趣说，“当时在摩洛哥有一个会议，会后大家组织了爬阿特拉斯山(Atlas)的活动。当我爬得上气不接下气的时候，旁边一个又高又瘦的男子毫不费劲地从我身旁走过，还跟旁边几个人讨论一个新的脱氮工艺。他们说这工艺刚实施没多久。”

起初Murphy没把Wett的话太当一回，原因按Murphy的话说，竟然是因为Wett是他遇过的最不起眼、最谦逊的那种人。但此后，经过几轮邮件的沟通之后，Murphy开始逐渐意识到DEMON工艺的潜力——无需外加碳源，仅需传统脱氮工艺曝气量的40%！在当时的Murphy看来，几乎就是一项黑科技。

话说荷兰这个弹丸小国向来都是污水界的创新巨人，他们早在2000年就在鹿特丹建造了第一个全尺寸的anammox工程应用。两年之后，Bernhard Wett在奥地利冬季旅游地区Zillertal的Strass污水厂也启用了这种技术。2005年，Strass污水厂成为首个最终实现满负荷运行的Anammox系统。最近，Wett的团队甚至“打败”了来自荷兰的厌氧氨氧化技术领先者Paques，赢得了荷兰Apeldoorn污水厂的侧流Anammox工程的设计合同，后者可是全球最大的anammox工程案例。

Murphy博士对DEMON工艺的兴趣日渐浓厚，最终在2005年，他决定亲自去一趟因斯布鲁克跟Wett见面。到了2007年，他又带上美国纽约市环保局的一些科学家再去一趟奥地利。专者们都对在奥地利看到的anammox反应器印象深刻，很快他们就跟Wett博士订了两个中试系统，从奥地利运到美国开始测试。两个实验都取得了成功。2009年3月，Murthy和O'Shaughnessy决定让Wett在O'Shaughnessy负责的ASA污水厂设计一个全尺寸的anammox反应系统。

他们请了BOKU大学的Norbert Weissenbacher博士对厌氧氨氧化排放的潜在气体一氧化二氮进行检测。该气体是一种比CO2的强度高300倍的气体，因此必须对此气体的排放情况进行研究。最终研究显示DEMON工艺的N2O排放符合他们的要求。

污水是一种资源

当时在欧美，节能和资源回收的理念得到越来越多的关注。ASA污水厂已经从污泥中回收沼气变废(water)为电(watts)。这些沼气可以覆盖原来25%的能耗开销，主要用于办公室供暖、热水供应，以及对剩余污泥做巴氏灭菌，可成为A级污泥，也就是美国EPA认证的最优质的污泥级别。这些生物固体可以用于土地利用，并在园艺供货店销售。Blue Plains污水厂的污泥管理则有所不同，他们加入石灰来消毒。当地的农民很喜欢这些免费产品，尤其当天肥料价格高涨。但Blue Plains污水厂也有所改变，开始对污泥作厌氧消化：6个卵型消化罐正在兴建中，将于2014年投产运行。届时沼气将通过热电联产CHP设备转化成电和热能，可以进一步降低能耗开支。

这个项目反映了行业的观念变化。不久之前美国人还觉得能源价格就像印度和中国的人工那样便宜——一种可以在全球经济有竞争力的廉价资源。但最近，劳伦斯伯克利国家实验室的环境科学家Rich Brown在众议院做的听证会指出：污水厂消耗了我们日常市政总能耗的1-3%，而微孔曝气、新型泵机和风机等技术投资可以节省10-30%的能耗。WERF已经将Strass污水厂树为他们数据库的标杆案例。

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2014年在Blue Plains启动的CAMBI污泥热水解设备

美国和奥地利

美国和奥地利的用水习惯有何差异？Murthy认为一个主要差别是美国的人均用水量比欧洲人高50%。但他也说要具体问题具体分析，因为各地的地理情况差别很大，例如美国干燥的南部和水资源充足的东北部情况很不相同；其次欧洲也没有什么单一通用的供水和污水处理方案。

不过在污水处理方面，奥地利一般不设砂滤池和消毒的深度处理工序。“有时处于安全要求会对饮用水投氯，”Wett说，“但对污水厂来说不常见。”

更多的差别可以在于法规方面：在奥地利，每座污水厂的出水都要符合相应标准。美国的方法是做风险评估——例如特定大小的水体能承受多少污染。Blue Plains污水厂和ASA污水厂位于的切萨皮克湾区流域人口密集，因此两个污水厂执行的标准比奥地利的更严格。Wett认为美国的方法其实更加先进和富有智慧，因为它更加灵活和有弹性。但Murphy就觉得奥地利的方法更好：“在奥地利人们对污水问题的关注意识更高。2008年国际水协会水大会就在维也纳举行，当时的前奥地利总理Alfred Gusenbauer参加了开幕式。你没法想象美国总统会参加这样的水会议。”

多年以前，人们曾试采用过热水解技术，但最终没有成功，主要问题是把溶液从高温反应器倒进设备前端，极大增加了主要污水净化厂的有机负荷。大约十五年以前，挪威公司Cambi引进了经过改良的工艺，溶液经过高温反应器出来处理以后进入到污泥消化器，明显提高了有机负荷的利用率。

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热水解处理技术分为三个处理阶段：

（1）在碎浆机中加热经过初步脱水处理的原料和过剩活性污泥的混合物。

（2）用蒸汽加热，使温度达到165摄氏度，热水解处理反应器的压力不断增加。

（3）释放闪蒸罐中的气体到碎浆机中，压力骤然降低，温度降至105摄氏度左右。

每座污泥处理厂一般都有两个、三个或四个大小相同的反应槽，批量处理污泥。每个反应槽都要经过如下步骤：加注污泥、加压加热30分钟使污泥丧失活性、消除病菌，然后送入闪蒸罐。这类似于内燃机的工作原理——加注、压缩、燃烧、排气。同时，该过程中的每个小部件都处于不断工作的状态。连续不断地往碎浆机中注入脱水的污泥，闪蒸罐不停地将处理好的污泥推送到蒸炼器，利用换热器对其降温。即便如此，蒸炼器的内部温度还是能够达到40摄氏度，略高于传统工艺中的35摄氏度。

闪蒸罐中的放压步骤起着至关重要的作用，它能使活性污泥的细胞壁破裂，从而使其易于蒸炼、脱水。有机负荷在蒸炼器中所释放的强大能量使得挥发性固体负荷和总蒸炼量提高两倍，沼气产量上升35%。

彻特西污水处理厂作为英国第一家应用该技术的工厂，也作为一个早期的例子，一边全力运营，一边对运营早期出现的问题进行评估和修正。最终于2005年，热水解处理技术被全面革新，在6.5千克有机固体负荷下，每吨干固体平均产出400立方米的沼气，其中甲烷含量68%，高出平均水平。