日处理二十万立方的主流部分硝化和氨氮厌氧氧化: 反应器构型，运转和与传统生物脱氮工艺的比较

原创2017-11-19曹业始中国给水排水

题目：日处理二十万立方的主流部分硝化和氨氮厌氧氧化: 反应器构型，运转和与传统生物脱氮工艺的比较

报告人:曹业始--新加坡公用事业局(PUB)前首席专家，国际水协会会士(IWA Fellow), 国际水协会营养物去除和回用专家领导小组成员，世界银行环境顾问

主持人：天津创业环保集团股份有限公司 李金河 总工

摘要

主流氨厌氧氧化为污水厂能量自给提供了技术上可能性，同时该技术对低碳氮比污水营养化去除具有特别意义。本报告介绍了世界上最大(日处理量二十万立方污水，新加坡樟宜回用水厂)主流氨厌氧氧化工艺的反应器构型、运转、特征，并与生产规摸常規营养物去除过程在出流水质及能耗方面进行了比较，从而说明了主流氨厌氧氧化过程的独特的优越性。

好的，我们今天最后一个专家报告，我们以热烈掌声欢迎曹业始先生。他发言题目是日处理二十万立方主流部分硝化和氨氮厌氧氨氧化，反应器构型，并且与传统生物脱氮工艺的比较。

曹业始：

感谢有这么一个机会跟国内的同行交流。二十多年前我从苏州出去，去年从新加坡公用事业局(PUB相当一个副部级单位)回国。PUB管理所有的与水有关的收集、流域，供水、再生水（污水） 等，是新加坡国家的水务管理机构。我所在的部门是叫做回用水厂部，相当于我们污水处理司。

我今天主要介绍一个生产规模的主流厌氧氨氧化过程。这个项目跟美国DCWater HRSD和奥地利Strass废水处理厂在同一主题项目下一起获得了2014年度IWA应用创新大奖。是目前世界上最大也是第一个自身维持厌氧菌的过程。我介绍这个研究课题时，同时也指出好处在哪里，省钱在什么地方。与常规生物过程出水水质和曝气能耗做比较。最后我想提出这一个技术在新加坡能够应用，很大程度上与它的气候有关，对中国来说，广东和海南气候是不是也考虑尝试。

今天污水处理的根本难题是碳管理。在传统的生物处理过程中，原水当中的碳服务于两个目的，一个营养物去除，第二个送到硝化池里面产生沼气。营养物标准严格时实际没有多少碳源可以用作能源回收的。因此，发展一种营养去除不需要碳源的新过程，就提到议事日程上。氨氮厌氧氧化菌发现以后，引起了人们的注意。因为它可以节约60%的溶解氧，且不需要碳源进行氨氮去除。这是一个根本性的变化。就是今天上午彭老师讲，碳跟氮去除不用放在一起，可以分开来处理。理论上来说厌氧氧化全部成功可以把所有碳源拿去做能源回收。美国的切萨皮克（Chesapeake.） 地区有很严格排放标准。BluePlains污水处理厂每年花六百万美元买碳源。这是美国开发这项技术的主要驱动力。欧洲的驱动力是增加能源回收。从国外研发来看，已经花费六年时间进行改技术的开发。而对国内来说，我们相当部分的污水碳氮比比较低，如果能够应用这项技术，可以在低碳氮比情况下达到高标准的营养去除。樟宜回用水厂实行了主流氨氮厌氧化（60万吨每天），工艺是典型的五点进料，进料以20%的比例进每一个硝化池。回流比（50%）进入到第一个硝化池。硝化池和好氧池容积相同。整个水力停留时间为5.6 h。新加坡污水温度为28 ℃-32℃。 这个图是我们从2011年在现场取样分析的平均值制成。有两个典型现象：第一，氨氮不但好氧池里面去除，在厌氧池里也被去除；第二，每个好氧池的末端的亚硝酸氮浓度远远高于硝酸氮浓度。短程硝化很明显。部分硝化率为72%，相当于10个氨氮进入好氧去，有7个氨氮被氧化掉。而这7个被氧化掉的氨氮中70% 氧化成了亚硝酸，剩余的变成了硝酸根。亚硝酸氧化菌的活性被严重抑制。

两家当地的大学进行了微生物研究，证明这个系统当中单细胞形态的氨厌氧化菌种存在。TU-Delt进行了实验模拟，证明了在樟宜条件下单细胞形态的氨氮厌氧菌确实可以存在。最近日本OKABE研究组也发现了类似的现象。

现在回到基本的问题，跟常规系统比较优点何在？在进水水质BOD大概为140到150，TN为41，出水TN为 4.8，TN去除率为88.3%；而常规的过程出水TN一般高于10mg/L，TN去除率为70%。再看看总氮的组成，它的无机氮组成，这一张图也是2011年数据，1月1号到年底，实际每天早上和下午平均值，每个平均值做出来，黄的是氨氮，浓度最高。亚硝酸氮浓度为平均值为1.1 mg/L，这个最有意思的是硝酸根氮的浓度为1 mg/L。总的无机氮为3.8 mg/L。 而PUB所管辖的其它的常规污水厂出水的硝酸氮为8-12 mg/L。

对比曝气能耗，樟宜处理每立方水电耗为0.13 kW·h，能耗比新加坡其它几个污水厂低10%-30%。 而樟宜污水厂的出水TN远低于新加坡其它几个污水厂，这充分说明樟宜污水厂的脱氮能耗最低。我在这里没有谈脱磷，我们也在厌氧区发现反硝化脱磷现象，今天时间有限就不讲了。

樟宜主流厌氧氨氧化的因素是什么？第一高温。第二残余氨氮的存在，缺氧好氧交换进行，短泥龄和在线控制。

本课题起始于2011年，有若干论文已经发表。大家有兴趣可以参考。我的报告就做完了。

谢谢大家！

提问1

樟宜生产实验当中发现这个现象，中试系统验证出来什么样的结果？

曹业始

实验室试验能重现现场的现象，做中试时用的是生物膜反应器，取得了部分硝化，但不稳定，挑战在于如何维持剩余氨氮。

提问2

设计的时候为什么选择五段呢？

曹业始

多点进料有三点也有五点，段数越多碳的利用效率越高，但基建费用较高。

提问3

美国原来很多老厂 用两点进料工艺，再增加进料点有顾虑，出水氨氮高达到5-6 mg/L。国内考虑这个工艺考虑氨氮可能不能稳定达到我们的要求。

曹业始

如果仅仅考虑要彻底硝化，最后好氧段可以设计的大一点，另外最后一条好氧区的大一点，比前面的好氧段长一点。现在工业规模装置氨氮的在线测试不是问题，出水的氨氮浓度可以控制。

提问4

就是说你这个缺氧段这个分隔是流态分隔吗？

曹业始

现场的实际整个的流态都是活塞流， 做分隔起不到很大作用。

提问5

不同的氨氮厌氧化菌活性差别是否是开发过程中遇到的一个难题？

曹业始

小于13 ℃ 的低温情况下,氨厌氧菌活性都比较低。

(附PPT)

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新加坡樟宜污水厂主流短程硝化和厌氧氨氧化运行及微生物研究总结（2011—2016）

2017-11-14water8848

新加坡樟宜污水厂主流短程硝化和厌氧氨氧化运行及微生物研究总结（2011—2016）

原创2017-11-13曹业始中国给水排水

在2017年11月7—10日由国际水协(IWA)和重庆大学主办的题为“可持续的废水处理：研究、规划、设计和运行”（IWA-NRR-LWWTP 2017）国际会议上，来自荷兰代尔夫特技术大学(TU Delft) 的Mark van Loosdrecht教授做了题为“新概念的废水处理的创新与实践（Innovations and Practical Experience of New Concepts in Wastewater Treatment）”的主题演讲。他举了2个已经工业化应用的实例。一个是新加坡樟宜污水厂的主流厌氧氨氧化，另一个是Nereda好氧颗粒污泥技术的应用。新加坡公用事业局(PUB)曹业始博士在此次会议上，对樟宜污水厂2011—2016年主流短程硝化和厌氧氨氧化的运行状况及微生物研究情况做了总结报告。

曹业始先生在荷兰代尔夫特技术大学(TU Delft）取得环境生物技术博士学位。曾作为新加坡公用事业局（PUB）回用水(污水) 处理首席专家，领导和参与了一系列的新加坡回用水处理项目和研发。其主要兴趣在生物废水处理的过程优化、开发和大型污水处理厂工艺管理， 成果除了在国际专业会议报告、期刊发表和出版专著外，相当部分被付诸工程实施。他领衔的樟宜主流厌氧氨氧化项目赢得国际水协技术发明应用研究大奖。他现为国际水协会士(IWA Fellow）、国际水协营养化去除与回用(NRR)专家组领导组成员，世界银行环境专家和咨询顾问，对亚洲地区和发达国家的污水处理、水环境状况和问题有深入的见解。

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2018年《中国给水排水》杂志社主办的会议信息：

核心提示：2018年《中国给水排水》杂志社主办的会议信息( 给水排水、污水处理 、污泥处理处置 、雨水 、海绵城市、黑臭水体、河道治理 、综合管廊、供水及饮用水安全、智慧水务、污水处理厂提标改造及水环境综合治理 、中水 再生水利用 、苦咸水及海水淡化、垃圾渗滤液 及高难度废水处理等研讨会 论坛 )

2018年《中国给水排水》杂志社主办的会议信息：

1、中国给水排水2018年中国城镇污泥处理处置技术与应用高级研讨会（第九届）。

2、2018年《中国给水排水》饮用水安全保障技术交流会（第六届）。

3、《中国给水排水》第八届城市雨污水管理国际研讨会。

4、中国给水排水2018年中国污水处理厂提标改造高级研讨会（第二届）。

5、2018年《中国给水排水》杂志社第十五届年会。

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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。

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