Lodomat工艺: FNA游离亚硝酸增强厌氧消化工程化应用获新进展
澳大利亚昆士兰大学袁志国院士团队最近在Water Research上发表了该团队用游离亚硝酸增强厌氧污泥发酵的最新研究成果:
1. 游离亚硝酸(FNA)对剩余污泥进行预处理可以使厌氧污泥消化池HRT降低至7.5天。
2. 和对照组污泥厌氧消化反应器(HRT=15天)比,污泥厌氧消化系统在较低HRT(12天和7.5天)条件下仍能取得更高的VS去除率和甲烷产率(>30%);
3. 由于氨释放量增加,FNA预处理并未引起厌氧消化池酸化。
这一研究为污泥厌氧消化池升级改造开辟了一条新途径,尤其是对于用地紧张地区。
剩余活性污泥(WAS)是污水生物处理工艺的主要副产物,其处理处置过程会极大地增加污水处理厂的处理成本。厌氧消化(AD)工艺,由于其相对较高且低成本的挥发性固体(VS)去除率,已被广泛应用于剩余污泥稳定化处理。然而,剩余污泥较难以被水解,常常是厌氧消化过程的限速步骤。为了达到满意的VS去除率和沼气产率,污泥厌氧消化过程通常需要约15至20天,甚至更长的水力停留时间(HRT)。因此,如何强化污泥水解、缩短HRT成为厌氧消化工艺应用的一个关键因素。
图1. FNA预处理技术提高污泥厌氧消化概念图(Lodomat工艺)
昆士兰大学高级水管理中心(AWMC)袁志国院士团队自2010年以来,在游离亚硝酸(FNA,ppm水平)污泥预处理提高厌氧消化方面开展了系统性的研究。该技术利用侧流污水对进入厌氧反应器的剩余污泥进行预处理,促进污泥的水解,以增强厌氧消化的效果(图1技术概念图)。在前期连续流厌氧生物反应器(HRT=15d)对比试验中(连续运行超过半年),采用浓度为1.8 mgN/L FNA预处理(NO2-N = 250 mg/L, pH = 5.5, T =25 oC)的污泥厌氧消化系统的VS去除率和污泥脱水性相比对照系统,分别改善了17%和14%(Wei et al., 2018)。
基于上述背景,AWMC团队最新研究验证了FNA预处理技术改善污泥水解及降低污泥厌氧消化工艺HRT的可行性。这项研究成果将为现有污水厂污泥厌氧消化系统的升级改造提供一条新途径,尤其是用地紧张地区。
采用两套连续流厌氧污泥消化池(对照组和实验组)处理取于实际污水处理厂的浓缩剩余活性污泥,两套系统连续运行6个月,期间分为3个阶段。实验组在第二,第三段采用浓度为6.1 mgN/L的FNA(NO2-N = 250 mg/L, pH = 5.0, T =25 oC)对污泥预处理24h,3个运行阶段HRT分别为15d、12d和7.5d。通过测定VS去除率、甲烷产率、氨氮释放、pH、碱度、脱水性等指标综合评价两套系统的处理性能。考虑到剩余活性污泥厌氧消化通常需要15-20d,对照组在3个阶段则保持固定的HRT=15d。
如下图所示,与对照组相比,经FNA预处理的实验组在第2阶段和第3阶段VS去除率分别改善了39%和30%。与此相应,实验组在第2阶段和第3阶段甲烷产率(单位进泥产甲烷量)增加了31-35%,而产甲烷速率(单位时间产甲烷量)分别增加了64%和165%。产甲烷速率的大幅增加是由负荷增加和甲烷产率增加的叠加造成的。
图2. 两个厌氧反应器三个阶段内VS去除率和甲烷产率。第一阶段为基线段(实验组和对照组AD反应器运行条件相同,即无FNA预处理)
在第2阶段初期,由于降低HRT和FNA预处理的协同作用导致了短暂的过负荷,此过程对产甲烷菌活性产生了一定的影响,同时也发现了VFA的累积(图3B),经过约2周左右产甲烷菌逐步恢复活性,实验组反应器的VFA累积也逐步消失并最终达到稳定状态。在第3阶段再度降低HRT至7.5d时,产甲烷菌仅经过5天过渡期就达到了稳定的高效产甲烷活性(图2B),此时,VFA浓度有所增加(图3B),说明经过FNA预处理后显著改善了污泥水解酸化效率,污泥水解已不是厌氧消化过程的限速步骤,FNA预处理作用得到充分显现。
第3阶段VFA积累并未引起AD反应器的酸化。实际上,实验组反应器pH(7.29±0.01)高于对照组反应器pH(7.25±0.01)。这主要是因为而氨氮浓度在第2阶段和第3阶段均明显高于对照组(图3A),其稳定阶段分别增加了47%和38%。氨氮浓度的增加对于实验组厌氧反应器的稳定运行起到了重要的辅助作用。
图3. 两个厌氧反应器三个阶段内氨氮和tVFA浓度变化
综上所述,本研究表明与未经FNA预处理的对照组相比,经FNA预处理的污泥厌氧消化池可以在HRT下降50%的情况下取得更高的VS去除率和甲烷产率(>30%)。这项研究给目前由于用地紧张而处于瓶颈期的污泥厌氧消化池升级改造打开了新的一扇窗。目前,课题组正在进行中试研究,我们期待进一步的中试项目试验结果。
参考资料
Zhang, L., Duan, H., Ye, L., Liu, L.,Batstone, D. J., Yuan, Z. (2018) Increasing capacity of an anaerobic sludgedigester through FNA pre-treatment of thickened waste activated sludge, WaterResearch, https://doi.org/10.1016/j.watres.2018.11.008
Wei W., Wang, Q., Zhang,L., Laloo, A., Duan, H., Batstone, D. J. and Yuan, Z. (2018) Free nitrous acidpre-treatment of waste activated sludge enhances volatile solids destructionand improves sludge dewaterability in continuous anaerobic digestion. WaterResearch, 130: 13-19.
短期“千人计划”教授袁志国做客环境论坛 谈污水处理能量回收的新技术
5月23日上午,环境学院短期“千人计划”特聘教授,澳大利亚工程院院士、昆士兰大学高等水研究中心的袁志国教授做客环境论坛第87讲,作了题为《Lodomat-一种污水处理能量完全自给及实现回收的新技术》(Lodomat-An innovative technology to enable energy neutral/positive sewage treatment)的学术报告。本次环境论坛由水环境保护所的黄霞教授主持,40余名师生听取了报告。
袁志国教授首先介绍了澳大利亚城市污水处理的工艺特点,随后围绕近年污水处理工艺技术的在资源/能源回收方面的最新发展情况,重点介绍了Lodomat这一创新性的污水处理新工艺技术路线的研究发现和进展情况。研究发现,通过在污水处理工艺技术路线中巧妙引入游离亚硝酸(FNA)的作用,通过FNA在工艺过程中的原位制备和应用,一方面可以显著提升污泥厌氧消化过程中的甲烷产量,同时还可以稳定实现主流工艺低氨氮污水的亚硝化过程的定量调控,解决了主流厌氧氨氧化工艺中针对低氨氮废水亚硝化过程的稳定定量调控难以实现的难题。报告还介绍了DAMO技术在主流厌氧氨氧化工艺中的应用。基于这一创新性理念的Lodomat工艺可以实现超低标准出水氮排放的同时,还可以实现污水处理的能源自给及能源回收,目前该技术已经成功在实验室实现,并即将开展中试示范。讲座过程中袁志国教授还介绍了游离亚硝酸(FNA)在管网恶臭、腐蚀控制方面的研究和应用。讲座结束后,袁志国教授与到场的师生进行了深入的沟通与交流。
袁志国教授在排水管道腐蚀和臭味控制、反硝化厌氧甲烷氧化的碳氮循环、污水与污泥无害化和资源化等领域多有建树,共发表论文300余篇, H影响因子52。同时他是国际水协会(IWA)Fellow,曾获IWA全球项目创新奖、澳大利亚工程院CLUNIES ROSS奖。
原标题:短期“千人计划”教授袁志国做客环境论坛第87讲 谈污水处理能量回收的新技术