主流厭氧氨氧化和200%能源自給？奧地利STRASS污水廠技術
采用傳統AB處理工藝的奧地利Strass污水廠，因在能源自給方面取得的成功而名聲大噪。早在20世紀90年代，Strass污水廠就開始關注如何能在滿足工廠運行之外實現產能。其合理性在于污水中蘊含的能量遠高于處理污水所需的能耗。典型的歐洲污水按人口當量計算，理論上污水中蘊含的能量為18W/person，而處理污水的能耗約為5-7W/person。
Strass污水廠始建于1988年，位于奧地利因斯布魯克市的StrassValley。后續經過一系列的技術改造升級，其設計日處理規模為15萬人口當量（60gBOD/PE），旅游高峰期時，日處理規模可達25萬人口當量，平均處理規模約為3萬立方米每天。Strass污水廠的總氮年去除率高于80%，出水TN的濃度小于5mg/L，NH4-N小于1.5mg/L，COD和BOD去除率大于90%。Strass污水廠在1996年已經可以生產50%其運行所需的能量；到2005年，工廠實現了能源自給和額外產能（108%能源自給率）。
有機質產能利用最大化
Strass污水廠采取了一系列措施來實現能源自給，采用兩段生物系統的AB工藝就是其中之一。A段可以去除55%-65%的有機物負荷，污泥停留時間少于半天。B段的污泥停留時間約為10天，這樣可以去除80%的氮。在線的氨氮分析器控制著曝氣量和曝氣時間，并且如果需要，所有的活性污泥池都可以進行有效曝氣。這種工藝可以保證有機質最大程度地進入污泥消化系統。Strass污水廠最終保證了污水中約35.4%的有機質用于產生物沼氣。
▲COD負荷平衡圖（按每天每人口當量COD120g計算）
DEMON厭氧氨氧化技術的應用
（1）側流厭氧氨氧化
剩余污泥被濃縮，厭氧消化和脫水。通過這種方式產生的消化液和污泥脫水液通常都有很高的氮負荷。Strass污水廠的一個獨到之處在于其從2004年開始在測流中利用DEMON工藝去除氨氮。工藝還含有結合硝化和厭氧氨氧化過程的序批式反應器（SBRs），在兩年半的時間內，該工藝分三個階段被放大應用。除了可以降低硝化反應的能源需求，采用DEMON工藝的轉化過程能夠使大部分的進水有機物負荷在消化器中被用于生成生物沼氣，而不是在反硝化作用中被消耗。并且和其前工藝相比，DEMON工藝的一大不同之處在于它不需要額外添加碳源。
▲側流厭氧氨氧化DEMON工藝運行的氨氮負荷變化
從上圖可以看出，自2004年Strass污水廠引入側流DEMON技術后，無需再外加碳源即可進行脫氮，脫氮的能耗也隨之降低近一半。自2016年初工廠還采用了最新的分離富集設備代替原先的旋流分離器，側流系統的氨氮負荷可提高至1.0KgN/m3/d以上，并穩定運行。
▲側流系統中采用的新型分離富集裝置
▲側流系統中的Anammox菌
值得一提的是，由于采用了新的分離裝置，側流DEMON可以在較高的氮負荷下穩定運行。Strass污水廠從周邊運來垃圾滲濾液，直接投入側流系統中，不僅進一步提高了氮負荷，同時為Strass帶來了新的收入來源。
（2）主流厭氧氨氧化
自2016年2月，污水廠主流DEMON系統也更新了Anammox富集分離設備。該設備專利權屬于美國的DCWater。此外，與主流DEMON系統配套的自控系統AvN也得到了應用，AvN系統通過一系列的傳感器和控制系統，實時控制NH4-N和NOx-N的比例。此外，由于側流系統中Anammox菌的穩定富集，在低溫和特殊運行條件下，可以用于補給主流系統。這些綜合技術手段的有效運用，有效保障了主流DEMON工藝的穩定運行。
▲主流厭氧氨氧化的污泥
▲AvN自控系統
另外，由于主流系統中Anammox菌及污泥的顆粒化，顯著提高了污泥的沉降性能。Strass廠原有的三個二沉池，在筆者參觀時，停用了其中一個。只需要兩個二沉池就能保障出水水質。這是新型分離富集裝置使用后的額外效果。
（3）氮平衡
奧地利國家標準中要求污水廠的年總氮去除率需高于80%。Strass污水廠進水總氮負荷為每人口當量(PE)每天11gN（TN濃度約為55mg/L）。下圖為氮平衡圖。側流厭氧氨氧化去除約20%-25%的總氮，主流厭氧氨氧化去除約45%的氨氮，剩余20%排放（TN排放年均濃度小于5mg/L）。
能耗自給
Strass污水廠有兩個2500立方米的厭氧消化罐。在熱電聯產(CHP)單元中采用全新發動機可以提高使用效率和電機效率，這也是是實現產能的重要因素。新機組可以達到40%的天然氣-電能轉化率。一系列的工藝組合大大地提高了能源自給的比例。
為了能提高生物沼氣的發電量，Strass污水廠從2008年開始采取了共同消化的方式。下圖為2003-2009年工廠產能和耗能的情況，里面的數據顯示了產能和耗能之間的比例。當產能大于耗能時（如2005年2月，啟動側流DEMON工藝后），污水處理廠達到了能源自給自足（108%）。
▲2003-2009年的耗能與產能變化趨勢
在2008年之后，通過外加有機質，工廠的能源生產量超過了消耗量，實現了額外產能。如在2014年，Strass污水廠每日沼氣發電量約為14,120Kwh。目前，通過污水有機質最大化利用、厭氧氨氧化DEMON以及共消化等一系列綜合技術手段，Strass污水廠已經實現了200%的能源自給率。
共消化的最優化
由于后續污泥處置費用相對較高，每噸脫水污泥（含水率30%計算）送去焚燒廠處理的費用為75-80歐元。Strass污水廠在如何最優化污泥與廚余共消化上做了很多細致的研究。一方面希望產沼氣最大化，一方面希望剩余污泥最小化。
實際的運行經驗表明，添加餐廚并不一定導致剩余污泥量增加。當添加餐廚的量在10%（按有機負荷計算），產沼氣量提高了20%，但共消化后剩余污泥量不升反降，約為原來的92%。這點表明適當的添加廚余，可有效促進了污泥的消化。但繼續添加更多的廚余后，剩余污泥量會有相應的增加。當廚余增加到1/3，沼氣產率提高60%，側流系統中總氮負荷提高25%，而剩余污泥量只增加了16%。
Strass污水廠的成功不僅僅歸功于對技術的應用。在項目設立之初，相關負責人就對最終的運營有著嚴格和全面的規劃。此外，污水廠還和當地的ARRConsult技術咨詢公司，比利時因斯布魯克大學以及美國兩家水務公司DCWater和HRSD保持著緊密的合作關系。同時，處理廠擁有出色的專業工作團隊，其員工不但能用自己領域的知識技能完成監督維護的工作，還活躍在社會公共領域。
原標題:奧地利STRASS污水廠的技術最新進展：主流厭氧氨氧化和200%能源自給
