在今年5月份的IWA-LET水處理前沿技術大會上，日本國立東北大學的李玉友教授作為“分散式污水處理”分會場的發言嘉賓之一，介紹了日本分散式污水處理的發展歷程，并結合其團隊的研究，提出了一種可以高效回收能量，而且具有經濟效益的新型處理工藝。本期IWA微信公眾號將為大家分享這一日本污水處理的最新研究進展成果。
日本污水處理概況
為了更高效地開展生活污水治理，日本堅持結合地區的特點進行生活污水處理設施的建設。根據對象地區的人口密度，來建設不同類型的生活污水處理設施。在人口密度高的城市地區或在居住比較密集的農村地區，主要建設下水道和農業村落排水設施這樣的集中式處理設施，而在人口密度低的城郊、農村、山區，則以安裝以凈化槽為代表的分散式處理設施。
凈化槽(Johkasou)技術包括處理以家庭為單位的生活污水的小型家用凈化槽、處理樓房和學校、醫院、超市等排放的生活污水的大中型凈化槽，現在使用中的凈化槽絕大部分都是小型家用凈化槽。數據顯示目前在日本凈化槽的服務人口超過900萬。日本的凈化槽技術應用范圍很廣，可以處理樓房住宅、醫院、超市等生活污水，一般由厭氧濾池、接觸曝氣池和消毒池組成，而且能適應不同情況的出水要求。
日本主要生活污水處理系統的概況
由此可見，分散式的污水處理理念在日本已經有一定的時間，而日本對污泥處理也十分重視，厭氧發酵回收沼氣、焚燒和堆肥都是常見的處理手段。盡管如此，日本的水處理研究者依然在不斷地尋找能耗更低、成本更實惠的解決方案。
在這樣的背景下，李玉友教授提出了一種可以回收能源，并且具有經濟效益的新型污水處理方案--基于厭氧MBR (AnMBR)和厭氧氨氧化兩種新興工藝的低碳設計。他表示學術圈對AnMBR和Anammox兩種工藝已經分開研究了很長的時間，但對于其結合應用的研究卻很少。
基于AnMBR和Anammox的有機廢水處理新概念
厭氧膜生物反應器AnMBR
日本早在2000年就有了第一個AnMBR的工程應用，研究也從早期的產氫發展到如今處理市政污水。關于AnMBR的研究，李玉友教授團隊主要關注六個方面的內容，即HRT和溫度的影響、懸浮固體和表面活性劑的降解情況、溶解性微生物產物(SMP)和胞外聚合物(EPS)對膜污染的影響以及中試應用。
HRT
AnMBR的出水COD可以低于40mg/L，BOD和COD的去除效率均高于90%。由于膜過濾的作用懸浮固體得到絕對的截留。隨著HRT縮短，AnMBR的沼氣產量會相應增加，而沼氣的甲烷含量可以穩定維持在80%的水平(常溫)，并且其污泥產量(0.06-0.09 gMLSS/gCOD)遠低于傳統活性污泥的對應值(0.25-0.4 gMLSS/gCOD)。這些數據顯示了AnMBR能同時實現高效厭氧消化以及優質出水。
溫度
當溫度低于15℃的時候，AnMBR的甲烷產量和COD去除率都受到顯著影響。溫度的降低一方面導致SMP和EPS釋出量的增加，導致膜污染情況惡化，一方面也增加了甲烷的溶解度。
懸浮固體的降解
廁紙是生活污水的主要不溶性COD組分。但是廁紙在AnMBR里可以得到完全溶解，而且不會在混合液和濾餅層積聚。生成的甲烷有26%來自廁紙的降解。懸浮固體中的纖維素在HRT長于12小時的時候影響不顯著，但在HRT降至6小時會發現污泥里的纖維素積聚現象。
表面活性劑的降解
研究團隊分別選取了聚氧乙烯醚(alcohol ethoxylates-AE)和直鏈烷基苯磺酸鈉( Linear Alkylbenzene Sulfonates -LAS)作為代表性的非離子和離子表面活性劑進行實驗。結果顯示，AE得到有效降解并轉化為甲烷。而且系統完成對AE的長期自適應后，污泥的產甲烷活性得到進一步提高。但是如果AE含量過高(F/M比>1)則可能破壞細胞結構，降低產甲烷活性。而LAS則明顯抑制了產甲烷活性，它的去除主要通過吸附而不是降解來進行。與產酸菌相比，LAS在污泥中的積聚對產甲烷菌產生更大的負面作用。
中試對比
研究團隊還對AnMBR進行了中試實驗，并且與傳統的活性污泥法工藝系統進行對比。結果顯示，通過使用AnMBR，可以獲得良好出水水質，甲烷產量大大增加，污泥產量比活性污泥法少2/3。
厭氧氨氧化Anammox
研究團隊在2011年開始對anammox展開了研究。最初先研究反應器的啟動和顆粒化，隨后兩年開始研究抑制機制和恢復方法，然后就開始了厭氧氨氧化附著膜膨脹床反應器(Anammox attached film expended bed -AAFEB)，同時開發對單階工藝使用的人工載體和微顆粒進行優化。
團隊開發的AAFEB厭氧氨氧化工藝通過pH的控制和人工和自然形成的anammox顆粒高效地處理高氨氮濃度的廢水。研究團隊為期220多天的跟蹤研究發現，曝氣率和溶解氧是影響脫氮表現的關鍵參數，HRT可以低至2小時，出水TN值在8-18mg/L之間，去除率為74±15%。
AnMBR+Anammox
團隊搭建的小規模實驗系統由一個運行體積為20L的AnMBR和一個含有懸浮載體的7L單階厭氧氨氧化反應器組成。這個新概念系統在日本仙臺的Senen污水處理廠已經運行了200多天。AnMBR的HRT已成功縮短至6小時，而單階厭氧氨氧化反應器的HRT成功縮短至2小時，載體填充率為20%，曝氣率為1L/分鐘。
結合AnMBR+單級anammox的反應器系統
李玉友教授表示該研究項目從2017年開始，將進行3年，目前仍在各種測試以及數據收集和分析階段，據透露他們目前正在搭建一個規模為20m?/d處理設施。
對于這個AAFEB工藝感興趣的讀者，可以參考李教授團隊發表在Bioresource Technology第253期的一篇相關文章Stoichiometric variation and loading capacity of a high-loading anammox attached film expanded bed (AAEEB) reactor。
小結
與傳統的活性污泥法相比，AnMBR具有可處理高COD濃度廢水、工序簡單、甲烷回收率高等優點，但依然要解決出水氨氮高的問題。李玉友教授及其研究團隊因為在AnMBR和anammox兩方面都有研究，因此想到了用anammox作為AnMBR后續處理工藝，通過使用AAFEB流化床反應器和投加人工載體的設計，實現了厭氧氨氧化主流脫氮和AnMBR的耦合。如果這個新概念能在進一步的長期實驗中得到驗證，這將是污水處理技術的又一重大突破。
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