零碳践行者：思普润BFM主流厌氧氨氧化技术的突破和实践

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    目前，主流城市污水传统脱氮技术存在一大难点就是能耗高、消耗大。在污水生物处理工艺的改良或升级技术发展中，厌氧氨氧化（Anammox）脱氮技术是最具前景的方向之一。厌氧氨氧化主导的城市污水脱氮工艺能够实现碳氮分离处理，脱氮以短程硝化-厌氧氨氧化为主要形式，无需有机物参与就实现高效总氮去除。厌氧氨氧化的发现打破了传统异养反硝化脱氮的单一途径，极大地减少了脱氮对于碳源的依赖，这一技术在城市污水处理中的应用入选2019年《研究前沿》与《全球工程前沿》。当前，厌氧氨氧化脱氮技术在高氨氮废水处理领域已成功实现一定程度产业化，但是在主流市政污水处理领域的厌氧氨氧化应用几乎为零。如果将厌氧氨氧化技术推广应用至氮污染排放体量最大的城市污水，对于水处理行业整体节能降耗和城市水环境的改善均具有重要意义。思普润的BFM工艺实现了首个具有规模效应的市政污水主流厌氧氨氧化技术应用，为探索和实践城市污水主流厌氧氨氧化脱氮技术提供了技术基础和案例经验，极具科研和工程价值。

1. 常规脱氮的高能耗高碳排窘境

    常规污水处理工艺中去除总氮的技术采用的是硝化反硝化工艺，即氨氮在自养菌的作用下首先被氧化为亚硝酸盐氮，然后被氧化为硝酸盐氮，这是硝化过程；在反硝化过程中，硝酸盐氮在异养菌的作用下，在缺氧环境中消耗碳源从而被转换为氮气。随后发现的短程硝化反硝化脱氮工艺中，氨氮只被氧化到亚硝酸盐氮为止，然后亚硝酸盐氮在异养菌的作用下还原为氮气。两种工艺的机理如图1.1所示。

图1.1 硝化反硝化脱氮与短程硝化反硝化脱氮途径

    上述两种脱氮工艺在去除总氮的过程中，都需要消耗大量氧气来完全或部分氧化氨氮为硝态氮或亚硝态氮，再消耗碳源还原为氮气，实现总氮的去除。根据污水处理经典计量理论，通过硝化反硝化去除1kgTN需要消耗1.74kg溶解氧（硝化耗氧与反硝化回收氧的和）、2.86kgBOD，而短程硝化反硝化与前者相比理论上可减少25%供氧量，节省40%碳源。实际应用中，供氧量为理论值（考虑水温、气压、水质等因素）的1.15~1.2倍。此外，为达到脱氮效果，污水碳源量/TN去除量要求为BOD/TN≥4，当BOD/TN<4时，一般需要投加碳源进行强化脱氮。当需要进一步提高出水水质达到类Ⅳ类及更高要求时，需补充投加碳源来实现深度脱氮。 因此，供氧和有机物碳源是常规污水处理工艺脱氮必不可少的能耗和碳排。

    据《世界环境》统计，2019年全国用电调查显示，污水处理厂电力资源消耗总量中占据全国社会总用电量的1~2%。此外，国内有43%的污水处理厂进水BOD5/TKN<3，有超过65%以上的污水处理厂存在碳源不足的现象。 一个中等城市，每年为保证污水处理达标需要投加的碳源成本都是数百万元计，增加5~10倍的碳排放量。例如，青岛市某10万吨/天规模污水厂每年的碳源投加成本约为600万元，增加碳排放量约5000吨。2019年的统计数据表明，污水处理厂的温室气体排放总量已经达到9100万吨二氧化碳当量。相关研究发现，污水处理行业尽管经济总量、投资规模和从业人员只有经济全行业的千分之一，但碳排放量却占全社会总排放量的1%~2%，是一个名副其实的高碳行业。

    节能减排已成为全世界共同关注的发展命题，2022年1月24日，国务院印发《“十四五”节能减排综合工作方案》指出到2025年，全国单位国内生产总值能源消耗比2020年下降13.5%，能源消费总量得到合理控制，化学需氧量、氨氮、氮氧化物、挥发性有机物排放总量比2020年分别下降8%、8%、10%以上、10%以上。节能减排政策机制更加健全，重点行业能源利用效率和主要污染物排放控制水平基本达到国际先进水平，经济社会发展绿色转型取得显著成效。2022年6月17日，生态环境部等七部门联合印发《减污降碳协同增效实施方案》明确提出要推进水环境治理环节的碳排放协同控制，增强污染防治与碳排放治理的协调性。在碳达峰、碳中和这场“硬仗”中，水环境治理再次成为减污降碳关键领域之一，加快推进水环境治理减污降碳协同增效，将推动我国水生态环境保护工作进入新发展阶段。我国污水处理行业虽然没有发电、钢铁、化工等行业那么高，但属于高耗能产业，是重要的碳排放行业，亟需系统全面地开展碳减排工作。中国人民大学王洪臣教授表示：“在获得良好的污水处理效果的前提下，挖掘所有潜力降低能耗物耗、最大程度地减少碳排放，实现低碳污水处理，是污水处理行业可持续发展的必然方向。”

2. 厌氧氨氧化的零碳脱氮开发历程

    厌氧氨氧化是公认最具“颠覆性可能”的构想之一，对其表观现象——无氧条件下氨氮的大规模消失——基于热力学原理的猜想最早见报于1977年。奥地利理论化学家Broda根据化学反应热力学，预言自然界存在以硝酸盐或亚硝酸盐为氧化剂的氨氧化反应，因为与以氧为氧化剂的氨氧化反应相比，它们释放出的自由能一点也不逊色。

    大约十年之后，厌氧氨氧化作为微生物和作为环保的课题几乎同时起步。其时，工程师Arnolder Mulder在偶然之中关注到脱硫厌氧池中的“氮损”规律，随即找到Delft大学的Gijs Kuenen着手其中机理的探索。

    1989年，Mulder申请了该领域第一项专利，并正式以“厌氧氨氧化”为其命名；1997年，Kuenen团队发布节点性成果，初步形成其“代谢途径”的结构性认识；2002年，Mark van Loosdrecht推动在鹿特丹Dokhaven污水厂建立了第一个示范工程；2010年，Kartal、Kuenen、Mark携手在《Science》发表文章，提出该技术在市政污水主流中应用将使污水厂达成“净产能”的构想。至此，厌氧氨氧化技术基本完成了实践意义上的诞生过程。

图2.1 厌氧氨氧化机理图

    厌氧氨氧化的机理是在厌氧（实际为缺氧）条件下，以氨为电子供体，以亚硝酸盐为电子受体，反应生成氮气及少量硝酸盐，以氨为电子供体可以节省传统生物脱氮工艺中所需的碳源，如图2.1所示。

    厌氧氨氧化反应实质上是一个由微生物引起的生化反应，厌氧氨氧化反应是全球氮循环的重要途径之一。厌氧氨氧化菌呈红色，异常不规则形态，具有古细菌的特点，为革兰氏阴性光阻断球状菌，如图2.2所示。厌氧氨氧化菌为自养厌氧菌，完全不需外加有机碳源，不需要进行曝气操作，并且产泥量少，无剩余污泥排放问题，在废水脱氮的实际应用中有很大的价值。厌氧氨氧化过程的提出推动了一批新型脱氮工艺的发展，如：SHARON-ANAMMOX工艺、CANON工艺、SNAP工艺和SNAD工艺等。 相比于常规的脱氮过程，厌氧氨氧化可以减少60%能耗、100%碳源、80%污泥产率、90%碳排放，能够极大地降低污水处理的成本，实现污水处理由高能耗、高碳耗、高排放转向绿色低碳的发展之路。

图2.2 厌氧氨氧化细菌实验及镜检照片

3.“侧流”的配角角色

    厌氧氨氧化反应发生的环境条件比较苛刻，对pH、温度、溶解氧、氧化还原电位等都有较为狭小的适应空间要求。根据彭永臻院士的研究，厌氧氨氧化技术主要有3个特点：一是附着性，厌氧氨氧化技术中存在的颗粒污泥和填料使得悬浮污泥很难进行培养；二是该技术需要较高的温度，32℃最好，低温则不行；三是增殖速度非常慢。城市污水一般存在低氨氮、低温、大水量等特点，而正因为这三个理由，厌氧氨氧化技术在城市污水处理应用中受到了很大的阻碍。当前，厌氧氨氧化技术只能在特定有限场景内得以应用。根据《厌氧氨氧化极简创新史：一个颠覆性构想的“主流化”之路》相关报道，在全世界已实施的厌氧氨氧化项目中，“污泥消化液”占比70%以上，其高氨氮、低COD、中温等工况特征是现实中最天然的“合适、特定条件”，是目前该技术市场最成熟的场景。这种侧流的单位负荷虽高，却只占一个水厂脱氮任务的10%~15%，尚不足以达到“节能降耗”的规模效应，更无法达成我们所构想的“零碳”污水厂前景。

4.BFM主流厌氧氨氧化创纪元-辛安河的胜利

    烟台辛安河污水厂，原处理规模12万m³/d，厂内长期超水量负荷运行，急需新建1万m³/d的污水处理设施来缓解厂区压力。项目采用思普润BFM工艺，利用厂内零星空地，装配式形式建设实施，仅用时36天即完成项目建设、调试工作，吨水占地面积仅为0.14㎡，吨水占地较原有工艺节省83%。生化段停留时间仅为10.75h，出水TN平均值可稳定控制2mg/L以下，项目如图4.1所示。

图4.1  烟台辛安河污水处理厂新建扩容工程

    烟台辛安河污水厂项目中，在BFM工艺的缺氧区发现了主流厌氧氨氧化现象，其“脱氮贡献25%”的表现颇为亮眼，超过了2021年国家重点专项中的考核目标20%，也超过了“西安四污”的指标（约15%）。 通过小试试验及微生物亚种研究，确定了厌氧氨氧化细菌为PND-Anammox菌种，其缺氧池载体中的菌群丰度有1.5%，相当于西安四污的15倍；同时，辛安河反应器的填充率是55%、西安四污则是5%；两项叠加，前者的红菌数量相当于后者的100倍之多。进一步探索显示：生物膜中反硝化菌相对丰度为12%-25%，尤其好氧区所达到的400-500μm厚度，非常有利于同步硝化反硝化的发生，经测算贡献率约为13%。则 厌氧氨氧化（AMX）+同步硝化反硝化（SND）的总氮去除贡献率为38%。思普润“BFM工艺”的AMX-SND系统结构，让辛安河污水厂出水总氮平均值稳定在2mg/L以下，同时又节省了0.34元/吨的碳源药剂费。

    BFM工艺实现了市政污水处理厂主流厌氧氨氧化途径，其38%的自养脱氮贡献率也大大削减了项目供氧的能耗和脱氮碳源的消耗，同时降低了项目的碳排放总量，开辟了多年来实现污水处理厂“零碳”真正可行之路。辛安河项目的胜利是思普润BFM工艺开创城镇污水主流厌氧氨氧化处理的新开端。

5.BFM主流厌氧氨氧化技术的成熟

图5.1  BFM与传统工艺核心工艺段流程示意

    思普润BFM工艺通过悬浮载体专性培养，实现了生化处理功能菌的分级分布、专性富集。好氧区、缺氧区富集硝化菌、反硝化菌的效率分别是活性污泥法的10倍、3倍以上，处理性能大幅度提高，HRT较传统活性污泥法降低50%以上，能大幅降低生化池容并提高系统抗冲击负荷能力。如图5.1所示。

    BFM工艺采用纯膜生物膜法原理，厌氧氨氧化细菌的附着性和增殖速率慢的特征能够得到很好满足，利于这类细菌长期富集成为优势菌种。同时，将BFM工艺设置为AOAO流程，首段缺氧区的填料填充率高达65%，微生物浓度远超过12g/L，因此微生物有机负荷较低，生物膜微环境中有机物浓度较低，化学反应稳定导致pH、氧化还原电位、溶解氧等环境要素稳定，为厌氧氨氧化细菌的生长创造了稳定有利的环境条件。

    BFM工艺由智水优控智慧水务管控平台作控制，实现对整个系统的全智能化控制，提高系统控制精准度，使得系统的运行始终保持在相对稳定的状态区间，为保护弱势菌种厌氧氨氧化细菌的富集提供了必备的外部条件。

    综合来看，BFM工艺运行以进出水为唯一输入、中间不再有任何人工干扰，缩小时间尺度、剔除效率冗余，使反应器“宏环境”保持特定和恒定，做到“高标准定制化服务”和“交钥匙工程服务”。同时，充分自然的模糊控制，基于溶氧、温度、PH、基质等多维因子构建的“工艺模型”，使微生物生存、活动之“微环境”的生态和稳态成为可能。 BFM工艺正是集微生物学、材料学、水力学、软件信息学等多学科技术综合效果，才实现了城镇污水处理厂主流厌氧氨氧化技术的规模化脱氮成果，是偶然中的必然成功。

6.BFM主流厌氧氨氧化技术的意义及价值

    BFM工艺开创了城镇污水处理厂主流厌氧氨氧化的先河，是可规模化实现污水处理厂节能降耗和“零碳排”目标的可行技术。 对于城镇污水处理厂，如果实现了类似烟台辛安河项目38%的自养脱氮效率，可以节省约30%的脱氮能耗，削减全部的补充碳源，大大降低了污水处理厂的运营成本，彻底改变“耗散式”污水处理方式，使得更绿色更环保更零碳的污水处理厂成为可能。

    根据烟台市城市管理局发布的报道， 辛安河污水处理厂技术改造项目自2021年投产以来，各项出水水质稳定达标，并且在缺氧区和好氧区出现了效率较高的厌氧氨氧化及同步硝化反硝化效果，是国内目前具备上述效果的唯一稳定运行的工艺；彭永臻院士莅临烟台考察调研污水处理技术改造工作时，高度认可辛安河污水处理厂与项目建设单位对厌氧氨氧化及同步硝化反硝化研究的成果汇报。BFM工艺契合目前国家的“双碳战略”，具备巨大的市场前景，广泛使用将会使得城镇污水厂主流厌氧氨氧化技术得以真正的规模化复制，彻底改变“污水提标=多加碳源”的窘迫现状，使得污水处理厂的建设和提标变得更为经济友善，为中国的水环境质量提升及双碳减排目标提供了切实可行的技术路线。

青岛思普润水处理

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