【視點】世界上第一個、目前規(guī)模最大的主流厭氧氨氧化項目�。宰畲蟪潭荣Y源回收為目標的新加坡污泥處理與處置
【視點】世界上第一個、目前規(guī)模最大的主流厭氧氨氧化項目！
來源 ：劉智曉水進展
一、新加坡樟宜再生水廠國際上率先實現(xiàn)穩(wěn)定主流厭氧氨氧化。
這些年，國內(nèi)外專業(yè)人士對主流厭氧氨氧化脫氮傾注的熱情和癡迷一直沒有消退。她又似乎是皇冠上的明珠，讓那么多專家學者追隨和癡迷，的確，這種工藝似乎蘊含了無窮的魅力，理論上可以降低63%的能耗需求，基本不需要有機碳源，還能降低80%的污泥產(chǎn)率。
圖1. 主流厭氧氨氧化PN/A工藝技術(shù)優(yōu)勢（理論上可實現(xiàn)）
現(xiàn)狀是，在國際上，很多學者和研究機構(gòu)、公司在持續(xù)性開發(fā)主流厭氧氨氧化工藝，一些團隊正在進行或者已經(jīng)進行了規(guī)�；闹性�，甚至很多廠已經(jīng)做完前期的概念方案設(shè)計。每個團隊都想盡快在世界范圍內(nèi)領(lǐng)先摘取這只明珠并領(lǐng)先國際同行。
令人羨慕不已的是，在國內(nèi)外學者機構(gòu)大規(guī)模中試同時，一個大規(guī)模的污水廠——新加坡樟宜再生水廠，率先在國際上實現(xiàn)了主流厭氧氨氧化。可以說，這也是目前世界上第一個、也是規(guī)模最大的主流厭氧氨氧化項目。見下圖（取自曹業(yè)始博士演講PPT，曹博士提供）
新加坡PUB前首席專家曹業(yè)始博士在前不久《中國城鎮(zhèn)污泥處理處置技術(shù)與應(yīng)用高級研討會》上的演講中向中國同行展示了樟宜再生水廠短程硝化-主流厭氧氨氧化（PN/A）的運行效果。其實，筆者注意到，這是曹博士在國內(nèi)會議這種正式公開場合向國內(nèi)同行透露的信息。
其實，如果你跟蹤曹業(yè)始博士及其團隊的研究，你會發(fā)現(xiàn)，其在近幾年的國際會議或相關(guān)重要學術(shù)期刊發(fā)表的論文中，已經(jīng)從實際工程尺度運行數(shù)據(jù)分析、30℃下Anammox理論動力學解析、和Anammox定量數(shù)據(jù)表征方面，已經(jīng)完全證明了樟宜再生水廠已經(jīng)在國際上率先實現(xiàn)了主流厭氧氨氧化。
以下是曹博士領(lǐng)銜發(fā)表的重要文章：
二、討論：Strass與樟宜哪個廠，誰是第一個公認的在主流實現(xiàn)穩(wěn)定deammonification過程的項目？
或許有人問，似乎奧地利Strass也實現(xiàn)了主流氨氧化，不久前曾有微信文章報導。但是筆者看來，Strass時至今日并未正式官方宣稱，他們在世界上率先實現(xiàn)了主流Anammox（deammonification）；其次，在國際主流學術(shù)期刊也未曾看到關(guān)于Strass廠實現(xiàn)主流厭氧氨氧化的定量研究性論文（奧地利Strass污水廠，是國際上公認的完全實現(xiàn)能量自給并有能量盈余的污水廠。這一點，毋庸置疑）。
其實，筆者也一直對此事保持關(guān)注，也不排除Strass已經(jīng)在曝氣池中實現(xiàn)了一定的deammonification功能，或者說Strass通過側(cè)流的Anammox向主流輸送了小比例的Anammox，這部分AMX確實為TN的去除貢獻了一部分。但是，似乎另一些學者，并不認同和確認此事。理由很簡單，沒有看到實際的定量數(shù)據(jù)。
Strass廠確實是按照主流AMX方式運行，且是采用側(cè)流AMX菌補充主流模式，至于在主生物池中，AMX和普通異養(yǎng)反硝化過程對TN的貢獻率到底各自是多少，筆者猜測，可能暫時無法量化表征。很大的可能性在于，Strass廠的主流厭氧氨氧化運行并不穩(wěn)定，因而無法給出一個理想的自養(yǎng)脫氮去除貢獻率。
當然，大家很感興趣一個問題，為何樟宜再生水廠活性污泥工藝這么容易實現(xiàn)了PN/A，而其它污水廠卻仍舊停留在試驗階段，即便是能耗完全自給的先驅(qū)Strass廠也沒有穩(wěn)定的實現(xiàn)deammonification？
實際上，這就是樟宜再生水廠獨特的地理區(qū)位優(yōu)勢，新加坡地處熱帶，常年污水溫度保持在27-32度，這種水質(zhì)特性是其實現(xiàn)PN/A工藝的先天優(yōu)勢。因為該廠好氧SRT只有2.5d左右，這為實現(xiàn)穩(wěn)定的亞硝化過程的關(guān)鍵原因；系統(tǒng)總SRT只有5天，就可以實現(xiàn)PN/A過程，這在其他地域是不可想象的。
曹業(yè)始博士團隊采用熒光原位雜交技術(shù)和定量 PCR 技術(shù)獲得的初步研究結(jié)果表明:樟宜活性污泥樣品中明顯存在懸浮或游離的厭氧氨氧化菌(Candidatus Brocadia).根據(jù)微生物學結(jié)果,提出了繁殖快、生長周期短的懸浮或游離的厭氧氨氧化菌在系統(tǒng)中起主要作用的假設(shè). 并在后續(xù)荷蘭Delft大學進一步研究中得到證實，代爾夫特理工大學環(huán)境生物技術(shù)研究室在污泥停留時間約 3 d,溫度 30 ℃的缺氧反應(yīng)器里進行了厭氧氨氧化菌的生長動力學研究,該培養(yǎng)條件與樟宜回用水 處 理 廠 運 行 條 件 相 似. 結(jié) 果表 明, 以Candidatus Brocadia sp. 40為主的懸浮的游離厭氧氨氧化菌能在相對較低的污泥齡下得到持留。
進一步的分析研究表明，樟宜廠生物系統(tǒng)總脫氮量PN/A自養(yǎng)脫氮過程貢獻了52%，也就是說，生化過程的脫氮兩種過程并存，常規(guī)異養(yǎng)反硝化和短程亞硝化-厭氧氨氧化過程，且后者Anammox的貢獻率更高。2016年曹業(yè)始博士發(fā)表的論文中，對TN的物料衡算分析結(jié)論是，主流自養(yǎng)脫氮過程貢獻了62%。
從現(xiàn)有的公開的報導和研究性論文來看，新加坡樟宜再生水廠理應(yīng)是國際上第一個大規(guī)模尺度上穩(wěn)定實現(xiàn)主流自養(yǎng)脫氮（PN/A工藝）的污水廠。
當然，樟宜WRP的技術(shù)路線與Strass完全不同。
三、思考？國內(nèi)是否能效仿樟宜模式？
樟宜污水廠的先天獨特優(yōu)勢是：常年水溫保持在27-32度，且樟宜廠生物池總的SRT僅僅是5天。僅此2點，國內(nèi)污水廠根本無法效仿這條技術(shù)路線（除非設(shè)計規(guī)范和排放出水水質(zhì)指標進行調(diào)整）。即便南方地區(qū)也很難實現(xiàn)，因為目前的設(shè)計SRT都是在15d以上，這種條件下NOB很難抑制。
如果利用南方地域幾個月的高水溫季節(jié)，設(shè)計一個短SRT系統(tǒng)，是可以嘗試模范樟宜這種step-feed&短SRT模式。
其實，樟宜項目的成功，不但是得益于當?shù)氐臒釒ё匀粭l件，還有一個重要的原因，PUB的強大的國際一流的應(yīng)用型研究技術(shù)團隊和卓有成效的研究，這個技術(shù)團隊的研究方向與國際緊密接軌。
其實，未來主流厭氧氨氧化在低水溫地區(qū)的應(yīng)用還要很長路要走，水溫從30度到10度，Anammox的比活性要降低10倍，這個技術(shù)瓶頸目前還沒有突破。在中國大多數(shù)地域，一年水溫變化較大，在主流實現(xiàn)ANAMMOX穩(wěn)定過程的路還很遙遠。
荷蘭Delft大學的Mark C. M. van Loosdrecht先生，最近得悉，他好像目前終止了主流厭氧氨氧化中試。
如若有夢，可繼續(xù)追尋。
以最大程度資源回收為目標的新加坡污泥處理與處置
原創(chuàng)2017-06-21曹業(yè)始中國給水排水
曹業(yè)始-- 新加坡公用事業(yè)局（PUB） 首席專家(污水處理) 荷蘭代爾夫特科技大學（TUD） 博士
新加坡PUB是新加坡公用事業(yè)局的縮寫，隸屬于新加坡水資源和環(huán)境部，是一個副部級國家的水管理機構(gòu)，所有跟新加坡水有關(guān)的業(yè)務(wù)都在他的管理之下。
我曾經(jīng)在新加坡PUB污水管理部（司級單位），稱之為回用水管理部，擔任相當長時間的首席工程師。
今天，主要介紹一下新加坡污泥處理和處置的特征，以能量回收為重點。首先講一下背景，資源回收的優(yōu)先順序、現(xiàn)狀、技術(shù)參數(shù)、路線圖。而新加坡現(xiàn)在已經(jīng)制定了到2025年污水處理規(guī)劃，并且已經(jīng)到工藝設(shè)計階段，這階段哪些技術(shù)應(yīng)用在污泥資源回收呢？我也會給大家做一個介紹。
（詳見PPT）新加坡現(xiàn)有4個污水處理廠，總處理量是160萬噸。三個紅塊稱之為第二階段的污水處理廠。這兩個現(xiàn)有污水處理廠在新廠建成以后就要廢除了，到2025年新加坡會就有三個污水處理廠，總處理量到時候是240萬立方米/天。
當我們談污泥污水回收的時候要介紹一下背景，在新加坡污水處理是分流系統(tǒng)，有機碳是550-650，新加坡華人占人口約75%，飲食習慣和大陸沒有區(qū)別。但是污水的COD的含量是在正常水平。污水處理量目前是160萬噸，污水處理主要是應(yīng)用脫氮活性污泥工藝，污泥每天約800立方米，20%的含固量。
資源回收的優(yōu)先順序：作為一個很小的缺乏天然資源的城市國家，新加坡把資源回收作為放在很重要的地位，像大家知道由于天然的水資源的短缺，水的回收放在第一位，現(xiàn)有的150萬噸的污水處理，一半以上的出水用雙模技術(shù)生產(chǎn)新生水。而到2025年的時候，除初期雨水外，其余的出水做飲用水級的再應(yīng)用。
第二是能源的回收，能源的回收最終目標是整個廠的運行最后能夠達到不需要從外部輸入能源。再就是資源節(jié)約，作為一城市國家土地的稀有，要求建設(shè)占地面積盡可能小。
（詳見PPT）這張圖看似很簡單，今天污水處理廠能源回收主要是應(yīng)用污泥厭氧反應(yīng)器。厭氧反應(yīng)器主要是由初沉池排放的泥和活性污泥池剩余污泥作為“飼料”輸?shù)竭@個反應(yīng)器里，而產(chǎn)生的生物氣再由發(fā)電機轉(zhuǎn)化供應(yīng)電源。當然，在理論上來說，脫水的污泥可以再產(chǎn)生能源，但目前使用還不普遍。所以從現(xiàn)有的污水處理廠產(chǎn)生能源來看，重要的因素是高效的初沉池和厭氧消化反應(yīng)器、高效的發(fā)電機。
如果抓住這幾個環(huán)節(jié)以后，就可以有相當?shù)碾娔艿幕厥�，即我們稱之為能源回收的第一版。目前，在新加坡所有的污泥都進行中溫的厭氧消化，固體揮發(fā)物的去除率是大約40%，達到國際上的公認的水平。
能源的轉(zhuǎn)換，發(fā)電機從煤氣的能量到電轉(zhuǎn)換電的效率約為25%。污水發(fā)電水平是每立方米可以產(chǎn)生0.13kW·h的電量，這相當于工藝過程用電量的1/3。這個水平相當于歐洲的平均水平。而干燥和脫水后的污泥都是焚燒處置。
（詳見PPT）這張圖就顯示干化率、污泥體積和能源的需求關(guān)系，新加坡最早是脫水達到20%含固率以后就進行的土地的填埋，但是沒有多久就填滿填埋場了，所以現(xiàn)在進行焚燒處置。據(jù)我所知，在北歐許多國家焚燒是最后處置方法。當然北京、上海最后怎么樣做？我們眼前下結(jié)論還為時尚早。
簡單講，如果污泥含固率為20%，焚燒以后含固率達90%，這個體積比為1/10。
當新加坡規(guī)劃提高能源效率時，首先學習國際先進水平在哪里？我們知道世界有一個廠在奧地利的Strass廢水廠，在2005年的時候已經(jīng)達成了能源自給，我們參觀該廠，也派了人去仔細學習，也請他們的人到我們這邊來做介紹。
這張圖是整個廠里面碳的流向，你可以看到每一個過程碳的分布，而重要的是有多少碳進入了厭氧消化池，而產(chǎn)生的多少甲烷氣。
采用他們的經(jīng)驗，我們在新加坡幾個大廠也進行了物料衡算研究，我們要知道碳氮磷在這個廠是怎么的流向的。
我們用我們的結(jié)果與Strass廠進行比較，看看差距在什么地方，可以在什么方面進行改進。迄今為止，我們4個廠都建立了物料衡算，每個月的月報首先要報告你物料衡算有什么樣的變化，反應(yīng)在運作上有什么問題。
PUB下一個目標就是要達到國際先進水平，每立方污水產(chǎn)生0.3 kW·h的電能，稱之為能源回收第二版。
為達到能源自給，采用了下面一系列的措施。
1.污泥的預處理。（詳見PPT）包括先進行了中試規(guī)模的超聲波預處理的實驗。緊跟著一個生產(chǎn)規(guī)模裝置的運行�？梢詭砑s10%的沼氣的增加。從前兩年開始我們也向Strass學習，更換了部分舊的發(fā)電機，安裝了具有38%轉(zhuǎn)化率的新的發(fā)電機，就帶來了50%的電量增加。
2.熱水解，我們建立了一個生產(chǎn)規(guī)模的熱水解，研究帶來的具體凈能量增加是多少。并且估計在今后維修和更新帶來的工作量。
3.把外面的碳源加到消化池當中去。在工業(yè)裝置當中我們已經(jīng)做了實驗，證明可以把要處理的食品廢棄物加進去，由此產(chǎn)生了相當可觀的沼氣增長。
到2025年新加坡三個水廠建成的時候，能量回收的情況如何呢？污水處理最大的困境就是碳的管理，本身讓碳源要用來去除營養(yǎng)物又產(chǎn)能源的時候，是很難兩全其美的，這就是我們現(xiàn)在要談主流厭氧氨氧化的問題。未來處理廠的概念，如果這概念廠能實現(xiàn)，今后的處理廠可可以把盡量多的碳拿下來送到厭氧消化里面去產(chǎn)生能源。但是條件是什么呢？后面的營養(yǎng)物的去除不需要碳源，或者是需要的很少，這就提供了一種能源平衡和剩余的可能性。比如說我們先的現(xiàn)在的初沉池碳去除是40%，你就可以增長到60%，相當于50%能源的增加。
（詳見PPT）目前新加坡樟宜再生水廠，20萬噸的主流厭氧消化過程已經(jīng)報告了，是世界上最大的部分短程氨氧化和氨厭氧化過程，并且在2014年，我們跟美國的兩家水務(wù)系統(tǒng)和Strass廢水處理廠一起贏得了國際水協(xié)的發(fā)明大獎。
（詳見PPT）這張圖是一年的操作數(shù)據(jù)，出水氨氮的平均濃度是1.7毫克升，亞硝酸氮是1.1毫克升，硝酸和氮只有1毫克升，這就顯示了這個過程的優(yōu)越性，有沒有繼續(xù)改進的空間呢？有，現(xiàn)在還是用的傳統(tǒng)的初沉池，相當量的碳還是進入這個系統(tǒng)，要把這個過程更有效地應(yīng)用到新的污水處理廠，有三大問題要解決：對現(xiàn)有的過程有深刻的理解。膜生物反應(yīng)器帶來的額外的影響。因為我們現(xiàn)在用的是常規(guī)的活性污泥。而在第二階段深溝污水處理廠用膜生物反應(yīng)器。另外高效率的碳捕捉的過程的開發(fā)和它的應(yīng)用，這都是要解決的問題。
所以從2011年以來，新加坡PUB做了一系列的研發(fā)項目，三個中試的項目就著眼于回答這些問題。而最新的就是日處理1.2萬噸稱之為示范廠的項目，是模擬今后的第二階段的污水處理，看看主流厭氧氨氧化能不能實現(xiàn)。
我們也采用了側(cè)流的污泥回流液氨厭氧氧化過程，也保留著用側(cè)流過程強化主流氨厭氧氧化的可能性。
已建立生產(chǎn)規(guī)模的裝置，進行單獨的食物廢棄物消化和與污泥混合的厭氧消化，這兩個項目現(xiàn)在已經(jīng)在運行。
最后一個項目把新的污水廠里脫水的污泥就近送到旁邊的城市固體廢棄物處理廠，與城市固體一起焚燒，產(chǎn)生的電源送回到污水處理廠。
到2025年的時候，新加坡再生水廠的能源回收在沒有外加碳源的情況下可以達到0.3千瓦時每立方米污水。應(yīng)用食物殘渣和城市固體廢棄物的協(xié)同焚燒，整個新加坡污水處理廠包括新生水廠可以達到能源自給，從而實現(xiàn)新加坡污水能源回收的第三版。
總結(jié)一下：新加坡PUB的方法。
提早規(guī)劃，2025年離現(xiàn)在還有七八年，概念設(shè)計已經(jīng)完成，主要技術(shù)路線已經(jīng)選定，現(xiàn)在已經(jīng)開始工藝設(shè)計。根據(jù)新加坡的條件制定高資源回收指標。采用一流的技術(shù)水準和實踐。投資在開發(fā)上一步一步的驗證，最佳技術(shù)適用性。
（詳見PPT）本手冊包括了對現(xiàn)有主要技術(shù)的篩選，根據(jù)新加坡的情況，哪些技術(shù)可以考慮并進行重點開發(fā)，這本書是我們根據(jù)若干與能源有關(guān)項目的一個出版物。
在此，感謝PUB提供許多照片，不少是現(xiàn)在正在進行的工程，PUB也同意與大家共享。謝謝大家！
主持人 王濤 (機械科學研究總院環(huán)保技術(shù)與裝備研究所 副總工 研究員級高工)： 謝謝曹博士，給我們帶來新加坡污泥處理處置方面的經(jīng)驗，盡管新加坡與中國的情況可能有一些區(qū)別，但是在曹博士的演講中我們還有很多經(jīng)驗值得吸取、借鑒。
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曹業(yè)始
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單位：
新加坡公用事業(yè)局（PUB）
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職位：
首席專家(污水處理)
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特長：
廢水處理和回用，水質(zhì)水資源及政策
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領(lǐng)域：
城鎮(zhèn)污水處理工藝技術(shù)、污水處理廠運營管理、污水深度處理與再生利用工藝技術(shù)、水資源管理
個人簡歷
教育概況（大學至今）：
博士: 生物科技（廢水處理）, 代爾夫特科技大學（TUD），代爾夫特，荷蘭， 1990-1994年。
研究生文憑: 環(huán)境科學與技術(shù)，國際水利和環(huán)境工程研究所(IHE），代爾夫特，荷蘭, 1985年-1986年。
碩士學位: 化學工程，南京理工大學, 南京, 中國, 1982年-1984年.
學士: 化學工程，華東理工大學，上海，中國，1973年-1977年
工作簡歷及成果業(yè)績：
2002年-至今 新加坡公用事業(yè)局（PUB）首席專家(污水處理).
生物技術(shù)與工藝組負責人。高級科學家。主要職責包括：研究和開發(fā)水和廢水處理技術(shù)，管理和領(lǐng)導項目。
1998年-2002年 環(huán)保技術(shù)研究所（ETI）
資深科學家,主要職責包括研究和開發(fā)廢水處理技術(shù)，管理和領(lǐng)導項目。
1994年-1998年 歐盟-新加坡環(huán)境技術(shù)學院(RIET) ，歐盟和新加坡政府合辦的機構(gòu)。
經(jīng)理，技術(shù)研究部。負責環(huán)境戰(zhàn)略研究，中國項目開發(fā)和技術(shù)服務(wù)。
國際水協(xié)(IWA)營養(yǎng)化去除與回用專家組領(lǐng)導小組成員 (2010-).
論文及專著：
曹業(yè)始(唯一作者) (2011) 大型城市污水處理廠物質(zhì)轉(zhuǎn)化與能源效率. 國際水協(xié)(IWA)出版社,倫敦, 書號：ISBN: 9781843393825, 130頁.
曹業(yè)始(唯一作者) (2011) 溫帶氣溫下活性污泥的生物脫磷. 國際水協(xié)(IWA)出版社, 倫敦, 書號：ISBN: 9781843393818, 148頁.
曹業(yè)始 (第一作者）等（2008）。溫帶氣溫下活性污泥生物脫氮：生產(chǎn)規(guī)模研究，實驗室試驗和數(shù)學模擬。國際水協(xié)（IWA）出版社，倫敦。書號：978143391879，共168頁.
科研及項目動態(tài)：
擅長于生物廢水處理的過程開發(fā),優(yōu)化和模型.目前的研究主要集中在溫熱帶氣候條件下的生物脫氮除磷。一體化的厭氧與好氧污水處理及回用，活性污泥與膜技術(shù)的過程開發(fā)，大型污水廠的高效節(jié)能。工作范圍包括水污染控制，水質(zhì)，水資源以及環(huán)境政策的研究.
