【视点】世界上第一个、目前规模最大的主流厌氧氨氧化项目！

来源 ：刘智晓水进展

一、新加坡樟宜再生水厂国际上率先实现稳定主流厌氧氨氧化。

这些年，国内外专业人士对主流厌氧氨氧化脱氮倾注的热情和痴迷一直没有消退。她又似乎是皇冠上的明珠，让那么多专家学者追随和痴迷，的确，这种工艺似乎蕴含了无穷的魅力，理论上可以降低63%的能耗需求，基本不需要有机碳源，还能降低80%的污泥产率。

图1. 主流厌氧氨氧化PN/A工艺技术优势（理论上可实现）

现状是，在国际上，很多学者和研究机构、公司在持续性开发主流厌氧氨氧化工艺，一些团队正在进行或者已经进行了规模化的中试，甚至很多厂已经做完前期的概念方案设计。每个团队都想尽快在世界范围内领先摘取这只明珠并领先国际同行。

令人羡慕不已的是，在国内外学者机构大规模中试同时，一个大规模的污水厂——新加坡樟宜再生水厂，率先在国际上实现了主流厌氧氨氧化。可以说，这也是目前世界上第一个、也是规模最大的主流厌氧氨氧化项目。见下图（取自曹业始博士演讲PPT，曹博士提供）

新加坡PUB前首席专家曹业始博士在前不久《中国城镇污泥处理处置技术与应用高级研讨会》上的演讲中向中国同行展示了樟宜再生水厂短程硝化-主流厌氧氨氧化（PN/A）的运行效果。其实，笔者注意到，这是曹博士在国内会议这种正式公开场合向国内同行透露的信息。

其实，如果你跟踪曹业始博士及其团队的研究，你会发现，其在近几年的国际会议或相关重要学术期刊发表的论文中，已经从实际工程尺度运行数据分析、30℃下Anammox理论动力学解析、和Anammox定量数据表征方面，已经完全证明了樟宜再生水厂已经在国际上率先实现了主流厌氧氨氧化。

以下是曹博士领衔发表的重要文章：

二、讨论：Strass与樟宜哪个厂，谁是第一个公认的在主流实现稳定deammonification过程的项目？

或许有人问，似乎奥地利Strass也实现了主流氨氧化，不久前曾有微信文章报导。但是笔者看来，Strass时至今日并未正式官方宣称，他们在世界上率先实现了主流Anammox（deammonification）；其次，在国际主流学术期刊也未曾看到关于Strass厂实现主流厌氧氨氧化的定量研究性论文（奥地利Strass污水厂，是国际上公认的完全实现能量自给并有能量盈余的污水厂。这一点，毋庸置疑）。

其实，笔者也一直对此事保持关注，也不排除Strass已经在曝气池中实现了一定的deammonification功能，或者说Strass通过侧流的Anammox向主流输送了小比例的Anammox，这部分AMX确实为TN的去除贡献了一部分。但是，似乎另一些学者，并不认同和确认此事。理由很简单，没有看到实际的定量数据。

Strass厂确实是按照主流AMX方式运行，且是采用侧流AMX菌补充主流模式，至于在主生物池中，AMX和普通异养反硝化过程对TN的贡献率到底各自是多少，笔者猜测，可能暂时无法量化表征。很大的可能性在于，Strass厂的主流厌氧氨氧化运行并不稳定，因而无法给出一个理想的自养脱氮去除贡献率。

当然，大家很感兴趣一个问题，为何樟宜再生水厂活性污泥工艺这么容易实现了PN/A，而其它污水厂却仍旧停留在试验阶段，即便是能耗完全自给的先驱Strass厂也没有稳定的实现deammonification？

实际上，这就是樟宜再生水厂独特的地理区位优势，新加坡地处热带，常年污水温度保持在27-32度，这种水质特性是其实现PN/A工艺的先天优势。因为该厂好氧SRT只有2.5d左右，这为实现稳定的亚硝化过程的关键原因；系统总SRT只有5天，就可以实现PN/A过程，这在其他地域是不可想象的。

曹业始博士团队采用荧光原位杂交技术和定量 PCR 技术获得的初步研究结果表明:樟宜活性污泥样品中明显存在悬浮或游离的厌氧氨氧化菌(Candidatus Brocadia).根据微生物学结果,提出了繁殖快、生长周期短的悬浮或游离的厌氧氨氧化菌在系统中起主要作用的假设. 并在后续荷兰Delft大学进一步研究中得到证实，代尔夫特理工大学环境生物技术研究室在污泥停留时间约 3 d,温度 30 ℃的缺氧反应器里进行了厌氧氨氧化菌的生长动力学研究,该培养条件与樟宜回用水 处 理 厂 运 行 条 件 相 似. 结 果表 明, 以Candidatus Brocadia sp. 40为主的悬浮的游离厌氧氨氧化菌能在相对较低的污泥龄下得到持留。

进一步的分析研究表明，樟宜厂生物系统总脱氮量PN/A自养脱氮过程贡献了52%，也就是说，生化过程的脱氮两种过程并存，常规异养反硝化和短程亚硝化-厌氧氨氧化过程，且后者Anammox的贡献率更高。2016年曹业始博士发表的论文中，对TN的物料衡算分析结论是，主流自养脱氮过程贡献了62%。

从现有的公开的报导和研究性论文来看，新加坡樟宜再生水厂理应是国际上第一个大规模尺度上稳定实现主流自养脱氮（PN/A工艺）的污水厂。

当然，樟宜WRP的技术路线与Strass完全不同。

三、思考？国内是否能效仿樟宜模式？

樟宜污水厂的先天独特优势是：常年水温保持在27-32度，且樟宜厂生物池总的SRT仅仅是5天。仅此2点，国内污水厂根本无法效仿这条技术路线（除非设计规范和排放出水水质指标进行调整）。即便南方地区也很难实现，因为目前的设计SRT都是在15d以上，这种条件下NOB很难抑制。

如果利用南方地域几个月的高水温季节，设计一个短SRT系统，是可以尝试模范樟宜这种step-feed&短SRT模式。

其实，樟宜项目的成功，不但是得益于当地的热带自然条件，还有一个重要的原因，PUB的强大的国际一流的应用型研究技术团队和卓有成效的研究，这个技术团队的研究方向与国际紧密接轨。

其实，未来主流厌氧氨氧化在低水温地区的应用还要很长路要走，水温从30度到10度，Anammox的比活性要降低10倍，这个技术瓶颈目前还没有突破。在中国大多数地域，一年水温变化较大，在主流实现ANAMMOX稳定过程的路还很遥远。

荷兰Delft大学的Mark C. M. van Loosdrecht先生，最近得悉，他好像目前终止了主流厌氧氨氧化中试。

如若有梦，可继续追寻。

以最大程度资源回收为目标的新加坡污泥处理与处置

原创2017-06-21曹业始中国给水排水

曹业始-- 新加坡公用事业局（PUB） 首席专家(污水处理) 荷兰代尔夫特科技大学（TUD） 博士

新加坡PUB是新加坡公用事业局的缩写，隶属于新加坡水资源和环境部，是一个副部级国家的水管理机构，所有跟新加坡水有关的业务都在他的管理之下。

我曾经在新加坡PUB污水管理部（司级单位），称之为回用水管理部，担任相当长时间的首席工程师。

今天，主要介绍一下新加坡污泥处理和处置的特征，以能量回收为重点。首先讲一下背景，资源回收的优先顺序、现状、技术参数、路线图。而新加坡现在已经制定了到2025年污水处理规划，并且已经到工艺设计阶段，这阶段哪些技术应用在污泥资源回收呢？我也会给大家做一个介绍。

（详见PPT）新加坡现有4个污水处理厂，总处理量是160万吨。三个红块称之为第二阶段的污水处理厂。这两个现有污水处理厂在新厂建成以后就要废除了，到2025年新加坡会就有三个污水处理厂，总处理量到时候是240万立方米/天。

当我们谈污泥污水回收的时候要介绍一下背景，在新加坡污水处理是分流系统，有机碳是550-650，新加坡华人占人口约75%，饮食习惯和大陆没有区别。但是污水的COD的含量是在正常水平。污水处理量目前是160万吨，污水处理主要是应用脱氮活性污泥工艺，污泥每天约800立方米，20%的含固量。

资源回收的优先顺序：作为一个很小的缺乏天然资源的城市国家，新加坡把资源回收作为放在很重要的地位，像大家知道由于天然的水资源的短缺，水的回收放在第一位，现有的150万吨的污水处理，一半以上的出水用双模技术生产新生水。而到2025年的时候，除初期雨水外，其余的出水做饮用水级的再应用。

第二是能源的回收，能源的回收最终目标是整个厂的运行最后能够达到不需要从外部输入能源。再就是资源节约，作为一城市国家土地的稀有，要求建设占地面积尽可能小。

（详见PPT）这张图看似很简单，今天污水处理厂能源回收主要是应用污泥厌氧反应器。厌氧反应器主要是由初沉池排放的泥和活性污泥池剩余污泥作为“饲料”输到这个反应器里，而产生的生物气再由发电机转化供应电源。当然，在理论上来说，脱水的污泥可以再产生能源，但目前使用还不普遍。所以从现有的污水处理厂产生能源来看，重要的因素是高效的初沉池和厌氧消化反应器、高效的发电机。

如果抓住这几个环节以后，就可以有相当的电能的回收，即我们称之为能源回收的第一版。目前，在新加坡所有的污泥都进行中温的厌氧消化，固体挥发物的去除率是大约40%，达到国际上的公认的水平。

能源的转换，发电机从煤气的能量到电转换电的效率约为25%。污水发电水平是每立方米可以产生0.13kW·h的电量，这相当于工艺过程用电量的1/3。这个水平相当于欧洲的平均水平。而干燥和脱水后的污泥都是焚烧处置。

（详见PPT）这张图就显示干化率、污泥体积和能源的需求关系，新加坡最早是脱水达到20%含固率以后就进行的土地的填埋，但是没有多久就填满填埋场了，所以现在进行焚烧处置。据我所知，在北欧许多国家焚烧是最后处置方法。当然北京、上海最后怎么样做？我们眼前下结论还为时尚早。

简单讲，如果污泥含固率为20%，焚烧以后含固率达90%，这个体积比为1/10。

当新加坡规划提高能源效率时，首先学习国际先进水平在哪里？我们知道世界有一个厂在奥地利的Strass废水厂，在2005年的时候已经达成了能源自给，我们参观该厂，也派了人去仔细学习，也请他们的人到我们这边来做介绍。

这张图是整个厂里面碳的流向，你可以看到每一个过程碳的分布，而重要的是有多少碳进入了厌氧消化池，而产生的多少甲烷气。

采用他们的经验，我们在新加坡几个大厂也进行了物料衡算研究，我们要知道碳氮磷在这个厂是怎么的流向的。

我们用我们的结果与Strass厂进行比较，看看差距在什么地方，可以在什么方面进行改进。迄今为止，我们4个厂都建立了物料衡算，每个月的月报首先要报告你物料衡算有什么样的变化，反应在运作上有什么问题。

PUB下一个目标就是要达到国际先进水平，每立方污水产生0.3 kW·h的电能，称之为能源回收第二版。

为达到能源自给，采用了下面一系列的措施。

1.污泥的预处理。（详见PPT）包括先进行了中试规模的超声波预处理的实验。紧跟着一个生产规模装置的运行。可以带来约10%的沼气的增加。从前两年开始我们也向Strass学习，更换了部分旧的发电机，安装了具有38%转化率的新的发电机，就带来了50%的电量增加。

2.热水解，我们建立了一个生产规模的热水解，研究带来的具体净能量增加是多少。并且估计在今后维修和更新带来的工作量。

3.把外面的碳源加到消化池当中去。在工业装置当中我们已经做了实验，证明可以把要处理的食品废弃物加进去，由此产生了相当可观的沼气增长。

到2025年新加坡三个水厂建成的时候，能量回收的情况如何呢？污水处理最大的困境就是碳的管理，本身让碳源要用来去除营养物又产能源的时候，是很难两全其美的，这就是我们现在要谈主流厌氧氨氧化的问题。未来处理厂的概念，如果这概念厂能实现，今后的处理厂可可以把尽量多的碳拿下来送到厌氧消化里面去产生能源。但是条件是什么呢？后面的营养物的去除不需要碳源，或者是需要的很少，这就提供了一种能源平衡和剩余的可能性。比如说我们先的现在的初沉池碳去除是40%，你就可以增长到60%，相当于50%能源的增加。

（详见PPT）目前新加坡樟宜再生水厂，20万吨的主流厌氧消化过程已经报告了，是世界上最大的部分短程氨氧化和氨厌氧化过程，并且在2014年，我们跟美国的两家水务系统和Strass废水处理厂一起赢得了国际水协的发明大奖。

（详见PPT）这张图是一年的操作数据，出水氨氮的平均浓度是1.7毫克升，亚硝酸氮是1.1毫克升，硝酸和氮只有1毫克升，这就显示了这个过程的优越性，有没有继续改进的空间呢？有，现在还是用的传统的初沉池，相当量的碳还是进入这个系统，要把这个过程更有效地应用到新的污水处理厂，有三大问题要解决：对现有的过程有深刻的理解。膜生物反应器带来的额外的影响。因为我们现在用的是常规的活性污泥。而在第二阶段深沟污水处理厂用膜生物反应器。另外高效率的碳捕捉的过程的开发和它的应用，这都是要解决的问题。

所以从2011年以来，新加坡PUB做了一系列的研发项目，三个中试的项目就着眼于回答这些问题。而最新的就是日处理1.2万吨称之为示范厂的项目，是模拟今后的第二阶段的污水处理，看看主流厌氧氨氧化能不能实现。

我们也采用了侧流的污泥回流液氨厌氧氧化过程，也保留着用侧流过程强化主流氨厌氧氧化的可能性。

已建立生产规模的装置，进行单独的食物废弃物消化和与污泥混合的厌氧消化，这两个项目现在已经在运行。

最后一个项目把新的污水厂里脱水的污泥就近送到旁边的城市固体废弃物处理厂，与城市固体一起焚烧，产生的电源送回到污水处理厂。

到2025年的时候，新加坡再生水厂的能源回收在没有外加碳源的情况下可以达到0.3千瓦时每立方米污水。应用食物残渣和城市固体废弃物的协同焚烧，整个新加坡污水处理厂包括新生水厂可以达到能源自给，从而实现新加坡污水能源回收的第三版。

总结一下：新加坡PUB的方法。

提早规划，2025年离现在还有七八年，概念设计已经完成，主要技术路线已经选定，现在已经开始工艺设计。根据新加坡的条件制定高资源回收指标。采用一流的技术水准和实践。投资在开发上一步一步的验证，最佳技术适用性。

（详见PPT）本手册包括了对现有主要技术的筛选，根据新加坡的情况，哪些技术可以考虑并进行重点开发，这本书是我们根据若干与能源有关项目的一个出版物。

在此，感谢PUB提供许多照片，不少是现在正在进行的工程，PUB也同意与大家共享。谢谢大家！

主持人 王涛 (机械科学研究总院环保技术与装备研究所 副总工 研究员级高工)： 谢谢曹博士，给我们带来新加坡污泥处理处置方面的经验，尽管新加坡与中国的情况可能有一些区别，但是在曹博士的演讲中我们还有很多经验值得吸取、借鉴。

来源　：

微信号：cnww1985

投稿咨询：022-27835707

广告咨询：022-27835639

发行咨询：022-27835231

投稿邮箱：cnwater@vip.163.com

曹业始

• 单位：

  新加坡公用事业局（PUB）

• 职位：

  首席专家(污水处理)

• 特长：

  废水处理和回用，水质水资源及政策

• 领域：

  城镇污水处理工艺技术、污水处理厂运营管理、污水深度处理与再生利用工艺技术、水资源管理

个人简历

教育概况（大学至今）：

博士: 生物科技（废水处理）, 代尔夫特科技大学（TUD），代尔夫特，荷兰， 1990-1994年。

研究生文凭: 环境科学与技术，国际水利和环境工程研究所(IHE），代尔夫特，荷兰, 1985年-1986年。

硕士学位: 化学工程，南京理工大学, 南京, 中国, 1982年-1984年.

学士: 化学工程，华东理工大学，上海，中国，1973年-1977年

工作简历及成果业绩：

2002年-至今 新加坡公用事业局（PUB）首席专家(污水处理).

生物技术与工艺组负责人。高级科学家。主要职责包括：研究和开发水和废水处理技术，管理和领导项目。

1998年-2002年 环保技术研究所（ETI）

资深科学家,主要职责包括研究和开发废水处理技术，管理和领导项目。

1994年-1998年 欧盟-新加坡环境技术学院(RIET) ，欧盟和新加坡政府合办的机构。

经理，技术研究部。负责环境战略研究，中国项目开发和技术服务。

国际水协(IWA)营养化去除与回用专家组领导小组成员　(2010-).

论文及专著：

曹业始(唯一作者) (2011)　大型城市污水处理厂物质转化与能源效率.　国际水协(IWA)出版社,伦敦, 书号：ISBN: 9781843393825, 130页.

曹业始(唯一作者) (2011)　温带气温下活性污泥的生物脱磷.　国际水协(IWA)出版社,　伦敦, 书号：ISBN: 9781843393818, 148页.

曹业始 (第一作者）等（2008）。温带气温下活性污泥生物脱氮：生产规模研究，实验室试验和数学模拟。国际水协（IWA）出版社，伦敦。书号：978143391879，共168页.

科研及项目动态：

擅长于生物废水处理的过程开发,优化和模型.目前的研究主要集中在温热带气候条件下的生物脱氮除磷。一体化的厌氧与好氧污水处理及回用，活性污泥与膜技术的过程开发，大型污水厂的高效节能。工作范围包括水污染控制，水质，水资源以及环境政策的研究.