ANITA Mox工程化的十年：我们学到了什么?
由于疫情原因，原定于2020年在丹麦首都哥本哈根举办的IWA世界水大会延迟到了2022年9月。在期盼线下世界水大会回归的同时，IWA在今年5月组织了网络版世界水大会。但无论是线上还是线下举行，都不会影响世界各地的水业同行分享他们的知识。在网络版世界水大会上，厌氧氨氧化依然是大家关注的焦点之一。来自瑞典隆德的Magnus Christensson先生分享了过去十年他的团队在侧流厌氧氨氧化工程化过程中的经验和心得体会。
背景介绍
2010年，Veolia公司第一个侧流厌氧氨氧化工程案例落户瑞典的Sjolunda污水处理厂，并为这个案例取名Biofarm。时至今日，已经走过十多个年头，累积超过30个案例。在这些案例中，Veolia的团队都遭遇了什么挑战，又有什么新的认知值得我们去学习呢？
侧流厌氧氨氧化(side-stream anammox) 的工艺案例我们在以往的推送里都有过介绍，它用更少的能耗和碳源去除传统厌氧消化后消化液中的氨氮。厌氧氨氧化菌生长相对缓慢，为了避免氨氧化菌(AOB)和厌氧氨氧化菌的流失，很多反应器都使用了生物膜系统。Veolia在这个设计理念下，基于移动床生物膜反应器 (MBBR) ，开发了一套名为ANITA Mox的厌氧氨氧化脱氮系统。
图. 厌氧氨氧化的生物膜脱氮原理 | 图源：MDPI
ANITA Mox如今已经应用于传统的厌氧消化液和经热水解前处理的厌氧消化液。同时也在MBBR和IFAS两种工艺反应构造中得到实践应用。Magnus Christensson分享了他们在这些应用上的经验和心得体会。
表. ANITA Mox处理传统AD或者THP+AD的主要案例列表
处理传统AD的教训
美国弗吉尼亚的James River污水厂是ANITA Mox在美国的第一个案例。项目始于2013年12月，预制调料比为10%(已经长好生物膜)，使用的是从瑞典Malmo的Biofarm运来的填料。Christensson 表示，用已有填料接种能够大大缩短启动时间。在接种3个月后，新的填料也开始显示活性。而在接种4个月后，如下图所示，氨氮去除率已经超过85%。2014年5月的测试显示，氨氮负荷可以高至375kgN/d，即设计负荷的150%，氨氮平均去除率为90%。出水氨氮约为100mgN/L。因为是中温消化，所以无需额外的加热设备。
图. James River污水厂的ANITA Mox测试结果 | 图源：MDPI
芝加哥的Egan污水资源回收工厂是另一个案例，它位于伊利诺伊州的Schaumburg。在这个项目里，他们将4个闲置的DAF浓缩池改造成一个调节池+4个平行ANITAMox反应器。该案例的接种比例也为10%。
图. 所谓的老和新填料外观对比 | 图源：MDPI
该项目始于2016年，因为中途经历了污泥线的维修翻新工作，启动时间长达10个月。如下图所示，维修工作结束后，该系统在不到3个月的时间里达到了设计负荷的水平。在2018年为期90天的测试显示，虽然由于调节池过小导致进水负荷波动，但实际负荷可以超过设计负荷的20%，氨氮和TIN的去除率分别为89%和81%，出水氨氮为140 mg-N/d。
图. Egan污水厂的ANITA Mox测试结果 | 图源：MDPI
目前ANITA Mox最大的案例位于科罗拉多州的丹佛Robert W. Hite再生水厂。如下图所示，改造方案是将其中一个回流污泥再氧化池改为两个平行的MBBR反应器。
图. 位于丹佛的改造案例 | 图源：MDPI
尽管这个项目的接种比只有5%，但启动时间仅需要13周。此外，在这个案例里，工程团队遇到了实际负荷超过设计负荷、进水流量波动、聚合物残留多、高TSS冲击等影响。该污水厂的目标负荷是设计负荷的120-150%，出水氨氮在200-300mgN/L之间，这使得氨氮的实际去除率仅为67-75%。但这是在没有投加额外碱度的情况下完成的。ANITA Mox的出水则通过剩下的回流污泥曝气池做进一步处理。
图. Denver污水厂的ANITA Mox启动时间 | 图源：MDPI
处理THP+AD出水的经验
若对厌氧消化进行热水解的前处理，不仅会提高进料的氨氮和溶解性COD水平，同时也会增加一些有害的中间化合物。对此，Veolia团队进料进行了稀释。稀释比在1:1-1.5:1之间。此外，对于使用THP的客户，他们改用IFAS工艺来取代MBBR，原因是在IFAS工艺中，MLSS中的异养菌和AOB有更好的缓冲能力，使得Anammox菌更好地保留在反应系统里。据悉，IFAS系统的脱氮率一般为2-3kg N/m³·d （MBBR则大于1kg N/m³·d）
图. IFAS工艺的构造示意图 | 图源：MDPI
图. MBBR和IFAS的氧浓度对比 | 图源：VEOLIA
目前ANITA Mox有7个处理THP+AD的案例。其中第一个IFAS ANITA Mox案例位于英国Wrexham的FiveFords污水厂。这个项目最初的计划是先用传统消化液作为启动进料，不过因为施工计划的改变，这个系统在调试期间就要接收来自经过THP处理的消化液，所以系统进行了两次接种，第一次的接种比为10%，第二次升至25%。
图. 位于英国Wrexham的IFAS ANITA Mox案例 | 图源：MDPI
他们在调试过程中，首先对IFAS的运行做了一些调整，以使悬浮液中的AOB活性和载体中的anammox活性得到平衡。然而在此过程中，他们发现进料的碱度也是个限制因素。他们就对出水的氨氮浓度进行控制，措施是将原来的离子选择性电极(ISE)传感器改为一个过滤后的分析仪器(HACH的FILTRAX和AMTAX单元)，以此提高测量的精准度。基于测得的出水氨氮值，调节曝气量。
图. Wrexham案例的进水和出水氨氮水平
尽管启动时间和状况超出预期水平，但最终，FiveFords污水厂还是顺利地进入稳定运行期，成功地对经过THP处理的消化液进行处理。他们还将载体样本送到法国和瑞典的实验室进行qPCR分析，结果显示，anammox菌的情况一直保持在正常的范围内。
运行控制的经验
该团队指出，要想顺利稳定地运行anammox系统，不能指望运行人员一直盯着运行状况，所以一定要依靠精准的在线传感器来制定运行控制策略。优势是可以实现全天24h的远程控制。
图. Veolia自家开发的工艺控制及优化系统
小结
在Christensson先生看来，ANITA Mox的成功离不开反应器的细节设计，其中包括了曝气、搅拌、载体、anammox菌截留器、泡沫控制等。五部分的对应设备如下图所示。
他特别提到了载体和截留筛筒的作用，实验数据显示，如果在理想条件下，使用生物膜厚度为400μm的载体，加上有足够的氨氮和亚硝态氮，载体面积的氨氮去除率可达27g/㎡/d，是实际单位去除效率的5倍多。当然在现实中这是不可能的，因为无法提供这么多的亚硝态氮。但另一方面，这说明现在的载体处理能力已经是过剩的，这意味着在未来，他们会尝试减少载体的比例，提供更多的空间用以AOB转化氨氮。
图. 理论和实际的载体单位面积去除率
最后，他表示，10年的侧流厌氧氨氧化的运行经验肯定能为日后的主流厌氧氨氧化的实现提供更多的参考。我们也为各位读者准备了Christensson先生的报告原片，感兴趣的朋友可以点击以下视频进行回看。
参考资料
https://www.mdpi.com/2227-9717/9/5/863/pdf
https://iwaponline.com/wst/article-abstract/67/12/2677/17495/Experience-from-start-ups-of-the-first-ANITA-Mox?redirectedFrom=fulltext
https://www.youtube.com/watch?v=8dlxu9i65js&t=1785s
https://conferences.aquaenviro.co.uk/wp-content/uploads/sites/7/2015/06/Romain-Lemaire-Veolia-Water.pdf
https://www.anoxkaldnes.com/en/technologies/z-mbbr
https://core.ac.uk/download/pdf/289949338.pdf
