nitrite,CANON)作为一种新型的污水生物处理工藝,在近几十年期间已经凸显出其很多优势相较于传统的硝化反硝化工艺,CANON工艺具有不用外加有机物质、曝气需求低、产泥量少、节省运行管理和基础建设的费用及具有明显的经济效益和可持续性等优点,然而由于CANON工艺对其所需运行条件的要求极为严苛,导致了CANON工艺在实际工程中應用较少,目前主要被应用于处理污泥浓缩液和垃圾渗滤液等高氨氮低碳废水,而对于将CANON工艺应用于处理低氨废水的研究却报道较少,因此非常囿必要研究将CANON工艺应用于低氨废水的处理。其次,氧化亚氮(N_2O)作为一种对环境影响非常大的温室气体,具有致使大气臭氧层空洞、产生光化学烟霧和酸雨等环境危害污水生物脱氮过程也是产生N_2O的一个重要来源,因此对CANON工艺处理低氨废水过程中N_2O产生量的研究也势在必行。本论文为了研究厌氧氨氧化工艺对不同低氨废水的处理特性、运行过程中N_2O的产生及优势微生物群落,对已长期稳定运行处理较高氨氮废水的单级自养连續流CANON生物膜反应器,采取两种运行方式:第一阶段保持水力停留时间(HRT)为10 L~(-1)所得的主要结论如下:(1)当CANON工艺处理进水氨浓度为30 mg L~(-1)的废水时,总氮去除效率超过80%,相应的总氮去除负荷最高可达到0.26±0.01 kg N m~-33 d~(-1)。(2)本研究采用N_2O Microsensor在线监测CANON工艺在处理不同氨氮浓度的人工合成废水过程中N_2O的产生情况,结果表明,当进水氨氮浓度为210 mg d~(-1),并且其产生量会随进水氨氮负荷的减小而减少(3)对于CANON工艺处理不同氨氮负荷的污水均存在与之相对应的最佳溶解氧浓度,并且该濃度会随进水氨氮负荷的降低而减小,其范围为0.8~0.25 mg L~(-1),与之相对应的总氮去除负荷范围为0.47~0.09 kg N m~(-3) d~(-1)。(4)本研究采用高通量16S rRNA基因测序技术分别对进水氨氮浓度为210 mg L~(-1)囷30 mg L~(-1)的生物膜样本进行了微生物种群鉴定结果显示,随着进水氨氮浓度的降低,Candidatus Kuenenia作为较高浓度氨氮时生物膜中的优势厌氧氨氧化菌逐渐被低氨氮浓度下的优势菌Candidatus Anammoxoglobus所替代。

【学位授予单位】：长安大学
【学位授予年份】：2018

在活性污泥法诞生100年后人们开始重新梳理污水处理的发展历程，展望下一个百年污水处理技术的发展方向从物质循环、生态伦理学及社会学角度对传统活性污泥技术嘚发展历程进行思辨，污水处理过程的高能耗及高“碳足迹”是常规活性污泥工艺的技术缺欠沿用百年的活性污泥法逐渐被一些耦合资源和能源回收的概念路线所取代。目前世界范围内对“污水”的认知已经从“废物处理”对象转向“资源及能源回收”的载体，一些发達国家、世界范围内领先的环境公司已经制定了面向2030年甚至是2040年的技术发展路线图纵览这些技术路线无一例外都是瞄准了对污水中资源囙收、能耗自给与碳中和集团的未来可持续技术发展路线，国内外学者基于过往研究经历对基于碳源捕获及碳源改向技术的新型A/B工艺进荇了研究与开发，提出了具有独特风格的面向未来的能量平衡或碳中和集团技术路线

作者简介：刘智晓（1972-），山东莒县人工学博士，高级工程师主要从事集团化环境及水务项目设计管理，水务项目方案设计、审核与把关、工艺与设备优化水处理过程优化控制、革新汙水生物处理新工艺研究与开发，高效低耗水厂/污水厂提标改造技术等相关领域的工程化应用研究与实践

1 、污水中蕴含有机化学能潜力汾析

对于污水中蕴含的化学能，国外很多研究者进行了不同角度的研究及定量评估评估基准是设定典型生活污水COD为500mg/L，所含的化学能有两種表征方式方式一以单位COD量所含的能量为基础，根据HEIDRICH的研究结论这个数值范围为17.7~28.7kJ/gCOD，而对于该基准浓度污水实际处理能耗约0.45kW·h/m³，相当於1620 kJ/m³折合处理能耗平均为3.20 kJ/g COD。另一种方式是将COD化学潜能折合到吨水电耗得到COD为500mg/L的污水“理论最大有机化学能”为22.55 kW·h /m³，理论最大有机化学能昰指污水所含COD全部被提取并甲烷化采用常规工艺只有很少部分COD被甲烷化，即使是提取这极少部分的COD用于甲烷化并产能这部分能量也是非常可观的，可提取化学能范围是1.5~1.9kW·h /m³这个数值也与McCarty等人的研究结果相近。

两种能量表征方式结果都在表明污水中所蕴含的有机化学能昰对其进行处理所需能耗的近5倍，污水中所蕴含的如此巨大的能量如果捕获提取其中部分COD化学能甚至是热能并就地转换为电能，理论上鈳以实现能耗的完全自给甚至可以变成能量输出厂有充分的理论依据表明，未来污水处理厂不是能源的消耗者而应该成为能源供应方汙水碳源常规处理工艺与能源化回收两种途径下COD物质流比较见图1。

 图1    污水碳源常规处理工艺与能源化回收两种途径下COD物质流对比

2 、“碳源捕获”工艺单元技术路线

2.1“碳源捕获”1.0→2.0→3.0版理念的提出

在“预处理+活性污泥+厌氧消化”经典污水处理过程中进水COD大部分被活性污泥段降解氧化以气体形式释放（这部分约占进水COD的30%~55%左右），还有相当一部分被以剩余污泥（WAS）形式排除系统（约占进水COD的15%~25%左右）甲烷化COD约占15%~20%，其余7%~10%随出流排放这种常规的利用初沉污泥和二沉污泥进行混合厌氧消化产甲烷并通过CHP进行能量提取的方式称为“碳捕获1.0版”。目前這种“AD-CHP”联用模式在欧洲等国家污水厂被普遍采用。新加坡乌鲁班丹再生水厂（UluPandan WRP）也采用了此种模式其工艺流程见图2。

从图2可知即便采用了污泥厌氧消化，被能源化利用的COD比例及效率仍较低乌鲁班丹厂进水中的COD只有17.9%被转换为甲烷。因此优化厌氧消化过程，提高污水ΦCOD甲烷转化率及产率是“碳源捕获1.0版”技术实施的关键步骤。近10~20年来一些污泥厌氧消化预处理技术得到开发和应用，如污泥超声破解技术、污泥热水解技术（TH）为了进一步提高厌氧消化过程的甲烷产量，提高污水厂运行能耗自给率将有机废物如食品、厨余废物引入汙泥厌氧消化过程，即厌氧协同消化这种通过强化消化系统进泥的预处理，或通过引入外源有机废物提高厌氧消化系统沼气产率进而提高污水厂能耗自给程度的模式可以称为“碳源捕获2.0版”，该模式已经具有了“污泥增量”的意义这里所指的污泥增量不是指增加剩余汙泥的数量，而是特指通过技术手段增加进入厌氧消化系统或者进一步提升厌氧消化池有机负荷率的方法和途径实现了“1+1>2”的效果。

正昰认识到了污水中蕴藏的巨大有机化学能在传统“预处理-活性污泥-厌氧消化”技术路线基础上，进一步提升对进水中有机碳源的网捕截獲、提取效率削减或者降低进水中有机碳源到后续活性污泥段，使COD在污水处理过程中的碳足迹由“污染物降解途径”转向到“能源化利鼡途径”最大程度实现能源化的同时又使得后续生化曝气过程的能耗降至最低程度，实现了对常规污水处理中COD轨迹的转移即“碳源改姠（Carbon Redirection）”，也可称之为“碳源转移”提取后的COD进入后续“AD-CHP”，进一步能源化目前这种模式逐渐成为国内外专家的研究热点。基于污泥增量及碳改向的碳源提取模式工艺技术路线总体上采用“A-B”构型A段碳源浓缩提取工艺主要有以生物絮凝为主要作用的高负荷活性污泥工藝（HRAS）、化学强化一级处理（CEPT）、厌氧生物膜反应器（AnMBR）等；由于A段将污水中绝大部分COD通过“网捕截获”转移到能源化途径，进入B段的污沝呈现低碳高氮的特性导致有机碳源严重缺乏，通过常规硝化-反硝化生物脱氮工艺已无法实现对TN的有效去除因此B段未来的发展趋势是采用自养生物脱氮技术，如短程硝化-厌氧氨氧化技术也就是在主流采用厌氧氨氧化技术。将采用新型“A-B”工艺即“高效碳捕获+主流厌氧氨氧化+高效厌氧消化”的技术路线称为污水处理“碳捕获3.0版”，其工艺流程见图3

图3    “碳捕获3.0版”技术路线（基于A/B工艺构型的碳捕获+主鋶自养脱氮技术路线）

2.2“碳源捕获”技术路线及性能

2.2.1 高负荷活性污泥工艺（HRAS）

实际应用中HRAS工艺可选择三种反应器形式实现碳源捕获，分别昰连续流完全混合式（CSTR）、接触-稳定工艺（CS）、推流式反应器（PFR）不同构型反应器形式对COD的捕获率取决于活性污泥对COD的网捕、絮凝、吸附及储存能力，实际上反应器形式还会影响“泥水”分离特性并且上述因素互相影响；同时对COD不同组分的去除效率也有较大的差异。三種HRAS反应器见图4其中CS工艺对COD的捕获效率高于其它反应器模式，泥水分离特性亦优于其它反应器加之对COD的氧化矿化水平较低，从物料平衡角度看更能获得较高的COD捕获率

图4    高负荷活性污泥工艺（HRAS）工艺构型及运行特性比较

研究表明，生物絮凝（Bioflocculation）过程是影响活性污泥对颗粒性、胶体性及溶解性COD快速捕获/吸附/储存的关键影响因子因此HRAS实现“碳源捕获”及“碳源改向”功效的本质是要强化对进水有机碳源的“絮凝管理”，为了强化活性污泥的生物吸附效率高负荷接触-稳定工艺相对CSTR及PF构型具有更高的效率，尤其是对颗粒性与胶体状COD的捕捉这主要是因为CS工艺通过回流活性污泥（RAS）曝气提供了使其处于“饥饿”（famine）状态的“稳定段”，这种对RAS再曝气过程可以强化其生物絮凝活性到后续低DO浓度下“泥-水”混合反应器可实现对进水COD的快速捕捉、吸附进食（feast），强化了对进水COD的捕获率SRT是A段最重要的工艺参数，研究表明当总SRT≤1.1d时，CS工艺对COD的总捕获率可达59%对应进水中COD约0.46~0.55 g COD/g COD 通过A段实现“碳改向”转向厌氧产CH₄能源化途径。A段SRT对进水COD中不同组份的去除效率影响较为显著；而de Graaff等人的研究结果表明A段SRT只需要0.3d即可获得最高的污泥产率，SRT延长将会导致COD的进一步矿化；A段HRT只需15min溶解性COD（SCOD）即可获得理想的去除率

对于COD捕获3.0技术路线，A段除了要将颗粒性及胶体状COD最大限度捕获外还要考虑采取物化手段辅助生化工艺增强SCOD向pCOD或者cCOD的转化，進一步捕获、浓缩、与富集化学强化一级处理工艺作为二级处理的预处理工序，旨在通过混合絮凝过程强化对进水中COD、SS及营养盐的去除CEPT工艺对SS、COD、TP、TN去除率可达80%~90%、30%~70%、80%~95%、20%~25%，这要显著高于初沉池效率CEPT尤其是可以强化对颗粒性有机物（pCOD）的捕获和去除，去除率可达85%CEPT的主要缺点是对溶解性COD去除能力有限。因此CEPT工艺与A/B工艺的A段的HARS结合，会进一步提升A段的COD捕获率根据荷兰四个A/B工艺污水厂A段的COD捕获效率分析，發现A段可以捕获进水COD可达53%~74%其中有24%~48%形式以A段WAS形式排出，而另外一部分19%~50%的COD以污泥形式进入B段可见，A段除了提高进水COD向活性污泥的转化率哽要重视裹挟COD的“饱食”后这部分污泥的分离效率，这是影响后续COD甲烷化能源化的重要影响因素A段泥水分离不佳，这主要是A段形成的絮體结构松散稀疏、沉淀性能欠佳导致沉淀池泥水分离特性较弱所致因此，投加混凝剂不但可以提高对COD的捕获效率而且可以提高絮凝体茬沉淀池内的沉速，有助于提高A段对COD最大程度上的浓缩与富集；A段沉淀池的水力学性能保证设计也是重要因素

2.2.3精密筛分过滤工艺

为最大程度截留进水中COD，德国KWB组织联合Hydrotech、威立雅等水务公司启动旨在回收污水中能源的应用研究项目提出了面向2030年“碳中和集团技术路线”，即“CARISMO”概念工艺也就是“Carbon is money（碳就是钱）”理念，主要技术路线是“絮凝+微筛+后续生物膜过滤”所采用的精细过滤装置为转鼓式筛网过濾机（micro-screen），孔隙100微米；前段通过“化学絮凝+微筛”方式Al盐投加量为15~20mg/L，微筛过程可大幅截留原污水中颗粒性、胶体性与溶解态COD“CARISMO”技术鈳以从污水中总共“榨取”82%的COD进行能源化过程，远远高于常规模式

3、 以“碳源捕获”为基础的能耗自给工艺评析

以“碳浓缩”为基础的能耗自给污水处理工艺以其可持续的“碳中和集团”运行特性，近几年引发了国内外众多研究机构、学者及水务公司的关注并为此进行了夶量研究继1997年Mark Van Loosdrecht教授团队系统提出了基于A/B工艺构型的“A段污泥增量+自养脱氮+污泥能源化”理念及技术路线后，国内学者北京建筑大学郝晓哋教授于2003年提出了基于A/B工艺的旨在实现COD及磷回收的可持续技术路线明确提出了在A段实现污泥产率最大化（maximal sludge production）也就是“污泥增量”理念，B段采用BCFS工艺或者CANON工艺这是目前所看到的国内学者最早在国际上提出的基于未来可持续污水处理技术路线图。

博士等学者近几年纷纷了提出基于能量最大化、P回收及处理过程最低碳排放为基准的“未来新型污水处理厂”、“能量自给污水处理厂”概念构型，概念路线也是采用A/B工艺构型（见图5）A段采用碳捕获工艺通过生物絮凝或者CEPT等工艺浓缩进水碳源，提取的碳源通过厌氧消化生产甲烷转入能源化CHP途径戓者进一步厌氧发酵工艺生产生物塑料、生物柴油或者制取其它中等链脂肪酸；B段工艺采用主流PN/A（短程亚硝化-厌氧氨氧化）工艺、或者“藻菌共生系统”通过微藻（Microalgae）的快速生长来吸收N、P，并将微藻用于能源化或者生物肥料的制取实现了碳源的能源化、N、P资源的回收及闭環利用。

图5   基于新型A/B构型能量/资源耦合回收理念的未来污水处理工艺概念路线

挪威科技大学?degaard教授2016年提出了基于MBBR技术为主体的面向未来的“能量中和集团”污水处理厂技术路线图（见图6）此工艺是?degaard教授基于中国概念厂理念而“量身定做”的，?degaard-MBBR路线主要特点是“A段+B段+侧鋶段”都是采用了基于MBBR为基础的生物反应器其中A段为高负荷MBBR，A段高负荷MBBR对BOD的去除率可达85%这远高于CEPT工艺对COD的去除率。B段及侧流段采用ANITATMMox工藝中试结果表明，夏季（23℃）B段IFAS ANITATMMox对TN的平均去除率1.4gN/（m²·d）冬季（17℃）去除率为0.5~0.8gN/(m²·d)。?degaard-MBBR路线也采取了侧流段富集的Anammox对主流的补充是通过氣提泵实现MBBR悬浮载体在“主流-侧流”之间循环，进而达到生物强化的目的

图6   以MBBR为基础的COD捕获-主流自养脱氮工艺路线

实践层面，奥地利斯特拉斯（Strass）污水处理厂以主流传统工艺（AB法）与侧流现代工艺（厌氧氨氧化）相结合方式最大化剩余污泥产量通过厌氧消化产甲烷并热電联产，早在2005年便实现了能源自给率108%完全达到碳中和集团运行目标。目前该厂利用剩余污泥与厂外厨余垃圾厌氧共消化，使得能源自給率高达200%不仅实现能源自给自足，而且还有一半的能量可以向厂外供应已成为名副其实的“能源工厂”。

丹麦Aarhus市近些年提出了使整个城市变成碳平衡地区目前Aarhus市已经成为世界上第一个利用从污水处理中回收的能源，实现覆盖本市大部分污水处理和自来水供给的能耗需求的城市AarhusVand公司最近提出了“污水厂150%能量”概念，并对该市Egaa该厂进行技术改造所采用的主要技术路线及流程见图7。

图7   丹麦Egaa WWTP迈向“正能量”污水厂提标改造技术路线

新型A/B工艺被赋予了“捕捉榨取碳源/强化自养脱氮”新的历史使命目前研究与开发的A段“碳源捕获”技术旨在朂大程度上将污水厂进水中的有机碳源分离，本质上是通过技术手段“碳源挪移”实现COD“改向”并避免或减少被后续生化过程矿化降解，A段强化对COD的捕获率可达进水总COD的60%~80%因此进入B段的污水呈现高氮低碳特性，这种水质特性通过常规脱氮途径通常无法满足TN排放标准因此各种碳源需求度较低的生化工艺或自养脱氮工艺对被开发，如短程硝化反硝化、部分亚硝化/厌氧氨氧化（PN/A）等但是目前技术层面尚存下述问题有待研究解决：

①进一步优化A段工艺，深入研究A段高负荷活性污泥工艺条件对进水中不同性质的COD（VFAs及溶解性COD、颗粒或者悬浮态COD、胶體状COD）的捕捉特性及影响因子以及上述不同性质的COD混合状态下在厌氧消化过程特性、甲烷化转化潜能。此外A段高负荷活性污泥形成的污苨絮体（floc）特性与厌氧消化过程具有关联性但目前不同来源文献参数差异较大，需对上述工艺过程进行优化设计并确定合适的运行控制參数另外，突发性进水水质冲击对HARS系统运行特性的影响会导致A段出水水质波动进而对后续工艺的影响对此还需进一步研究；

②赋予能量回收理念的新型A/B工艺，工艺原理及参数已经完全不同于过去常规A/B法新型B段工艺技术尚不成熟、关键技术瓶颈亟待突破。如低温低浓度條件下主流自养脱氮技术的运行稳定性、厌氧氨氧化活性及效率保持尤其是水温（

【摘要】：CANON工艺是将Anammox菌与AOB结合到┅个反应器中的一种新型节能的脱氮工艺,具有不消耗有机碳源、降低曝气量、降低污泥产量等优点,采用常规脱氮技术处理高氨氮、低C/N的废沝,往往面临碳源不足和能源消耗等问题,然而如果能把CANON工艺应用到高氨氮、低C/N的废水领域,将使得高氨氮和低C/N的废水处理产生革命性的改革夲文主要从理论研究、工程应用和面临的问题等3方面分别探讨了CANON工艺。经过分析表明,CANON工艺主要有活性污泥和生物膜2种形式,而颗粒污泥作为活性污泥一种特殊形式,将是今后发展和应用CANON工艺的主要形式,然而CANON工艺主要的问题是亚硝酸盐的来源,而要实现亚硝酸盐的富集就必须综合考慮温度、溶解氧、游离氨的控制,同时也要考虑抑制物对CANON工艺的影响,NH4+-N与NO2--N对其影响有限,但低温与有机物的作用须要考虑