【視點】世界上第一個、目前規模最大的主流厭氧氨氧化項目！

來源 ：劉智曉水進展

一、新加坡樟宜再生水廠國際上率先實現穩定主流厭氧氨氧化。

這些年，國內外專業人士對主流厭氧氨氧化脫氮傾注的熱情和癡迷一直沒有消退。她又似乎是皇冠上的明珠，讓那么多專家學者追隨和癡迷，的確，這種工藝似乎蘊含了無窮的魅力，理論上可以降低63%的能耗需求，基本不需要有機碳源，還能降低80%的污泥產率。

圖1. 主流厭氧氨氧化PN/A工藝技術優勢（理論上可實現）

現狀是，在國際上，很多學者和研究機構、公司在持續性開發主流厭氧氨氧化工藝，一些團隊正在進行或者已經進行了規模化的中試，甚至很多廠已經做完前期的概念方案設計。每個團隊都想盡快在世界范圍內領先摘取這只明珠并領先國際同行。

令人羨慕不已的是，在國內外學者機構大規模中試同時，一個大規模的污水廠——新加坡樟宜再生水廠，率先在國際上實現了主流厭氧氨氧化。可以說，這也是目前世界上第一個、也是規模最大的主流厭氧氨氧化項目。見下圖（取自曹業始博士演講PPT，曹博士提供）

新加坡PUB前首席專家曹業始博士在前不久《中國城鎮污泥處理處置技術與應用高級研討會》上的演講中向中國同行展示了樟宜再生水廠短程硝化-主流厭氧氨氧化（PN/A）的運行效果。其實，筆者注意到，這是曹博士在國內會議這種正式公開場合向國內同行透露的信息。

其實，如果你跟蹤曹業始博士及其團隊的研究，你會發現，其在近幾年的國際會議或相關重要學術期刊發表的論文中，已經從實際工程尺度運行數據分析、30℃下Anammox理論動力學解析、和Anammox定量數據表征方面，已經完全證明了樟宜再生水廠已經在國際上率先實現了主流厭氧氨氧化。

以下是曹博士領銜發表的重要文章：

二、討論：Strass與樟宜哪個廠，誰是第一個公認的在主流實現穩定deammonification過程的項目？

或許有人問，似乎奧地利Strass也實現了主流氨氧化，不久前曾有微信文章報導。但是筆者看來，Strass時至今日并未正式官方宣稱，他們在世界上率先實現了主流Anammox（deammonification）；其次，在國際主流學術期刊也未曾看到關于Strass廠實現主流厭氧氨氧化的定量研究性論文（奧地利Strass污水廠，是國際上公認的完全實現能量自給并有能量盈余的污水廠。這一點，毋庸置疑）。

其實，筆者也一直對此事保持關注，也不排除Strass已經在曝氣池中實現了一定的deammonification功能，或者說Strass通過側流的Anammox向主流輸送了小比例的Anammox，這部分AMX確實為TN的去除貢獻了一部分。但是，似乎另一些學者，并不認同和確認此事。理由很簡單，沒有看到實際的定量數據。

Strass廠確實是按照主流AMX方式運行，且是采用側流AMX菌補充主流模式，至于在主生物池中，AMX和普通異養反硝化過程對TN的貢獻率到底各自是多少，筆者猜測，可能暫時無法量化表征。很大的可能性在于，Strass廠的主流厭氧氨氧化運行并不穩定，因而無法給出一個理想的自養脫氮去除貢獻率。

當然，大家很感興趣一個問題，為何樟宜再生水廠活性污泥工藝這么容易實現了PN/A，而其它污水廠卻仍舊停留在試驗階段，即便是能耗完全自給的先驅Strass廠也沒有穩定的實現deammonification？

實際上，這就是樟宜再生水廠獨特的地理區位優勢，新加坡地處熱帶，常年污水溫度保持在27-32度，這種水質特性是其實現PN/A工藝的先天優勢。因為該廠好氧SRT只有2.5d左右，這為實現穩定的亞硝化過程的關鍵原因；系統總SRT只有5天，就可以實現PN/A過程，這在其他地域是不可想象的。

曹業始博士團隊采用熒光原位雜交技術和定量 PCR 技術獲得的初步研究結果表明:樟宜活性污泥樣品中明顯存在懸浮或游離的厭氧氨氧化菌(Candidatus Brocadia).根據微生物學結果,提出了繁殖快、生長周期短的懸浮或游離的厭氧氨氧化菌在系統中起主要作用的假設. 并在后續荷蘭Delft大學進一步研究中得到證實，代爾夫特理工大學環境生物技術研究室在污泥停留時間約 3 d,溫度 30 ℃的缺氧反應器里進行了厭氧氨氧化菌的生長動力學研究,該培養條件與樟宜回用水 處 理 廠 運 行 條 件 相 似. 結 果表 明, 以Candidatus Brocadia sp. 40為主的懸浮的游離厭氧氨氧化菌能在相對較低的污泥齡下得到持留。

進一步的分析研究表明，樟宜廠生物系統總脫氮量PN/A自養脫氮過程貢獻了52%，也就是說，生化過程的脫氮兩種過程并存，常規異養反硝化和短程亞硝化-厭氧氨氧化過程，且后者Anammox的貢獻率更高。2016年曹業始博士發表的論文中，對TN的物料衡算分析結論是，主流自養脫氮過程貢獻了62%。

從現有的公開的報導和研究性論文來看，新加坡樟宜再生水廠理應是國際上第一個大規模尺度上穩定實現主流自養脫氮（PN/A工藝）的污水廠。

當然，樟宜WRP的技術路線與Strass完全不同。

三、思考？國內是否能效仿樟宜模式？

樟宜污水廠的先天獨特優勢是：常年水溫保持在27-32度，且樟宜廠生物池總的SRT僅僅是5天。僅此2點，國內污水廠根本無法效仿這條技術路線（除非設計規范和排放出水水質指標進行調整）。即便南方地區也很難實現，因為目前的設計SRT都是在15d以上，這種條件下NOB很難抑制。

如果利用南方地域幾個月的高水溫季節，設計一個短SRT系統，是可以嘗試模范樟宜這種step-feed&短SRT模式。

其實，樟宜項目的成功，不但是得益于當地的熱帶自然條件，還有一個重要的原因，PUB的強大的國際一流的應用型研究技術團隊和卓有成效的研究，這個技術團隊的研究方向與國際緊密接軌。

其實，未來主流厭氧氨氧化在低水溫地區的應用還要很長路要走，水溫從30度到10度，Anammox的比活性要降低10倍，這個技術瓶頸目前還沒有突破。在中國大多數地域，一年水溫變化較大，在主流實現ANAMMOX穩定過程的路還很遙遠。

荷蘭Delft大學的Mark C. M. van Loosdrecht先生，最近得悉，他好像目前終止了主流厭氧氨氧化中試。

如若有夢，可繼續追尋。

以最大程度資源回收為目標的新加坡污泥處理與處置

原創2017-06-21曹業始中國給水排水

曹業始-- 新加坡公用事業局（PUB） 首席專家(污水處理) 荷蘭代爾夫特科技大學（TUD） 博士

新加坡PUB是新加坡公用事業局的縮寫，隸屬于新加坡水資源和環境部，是一個副部級國家的水管理機構，所有跟新加坡水有關的業務都在他的管理之下。

我曾經在新加坡PUB污水管理部（司級單位），稱之為回用水管理部，擔任相當長時間的首席工程師。

今天，主要介紹一下新加坡污泥處理和處置的特征，以能量回收為重點。首先講一下背景，資源回收的優先順序、現狀、技術參數、路線圖。而新加坡現在已經制定了到2025年污水處理規劃，并且已經到工藝設計階段，這階段哪些技術應用在污泥資源回收呢？我也會給大家做一個介紹。

（詳見PPT）新加坡現有4個污水處理廠，總處理量是160萬噸。三個紅塊稱之為第二階段的污水處理廠。這兩個現有污水處理廠在新廠建成以后就要廢除了，到2025年新加坡會就有三個污水處理廠，總處理量到時候是240萬立方米/天。

當我們談污泥污水回收的時候要介紹一下背景，在新加坡污水處理是分流系統，有機碳是550-650，新加坡華人占人口約75%，飲食習慣和大陸沒有區別。但是污水的COD的含量是在正常水平。污水處理量目前是160萬噸，污水處理主要是應用脫氮活性污泥工藝，污泥每天約800立方米，20%的含固量。

資源回收的優先順序：作為一個很小的缺乏天然資源的城市國家，新加坡把資源回收作為放在很重要的地位，像大家知道由于天然的水資源的短缺，水的回收放在第一位，現有的150萬噸的污水處理，一半以上的出水用雙模技術生產新生水。而到2025年的時候，除初期雨水外，其余的出水做飲用水級的再應用。

第二是能源的回收，能源的回收最終目標是整個廠的運行最后能夠達到不需要從外部輸入能源。再就是資源節約，作為一城市國家土地的稀有，要求建設占地面積盡可能小。

（詳見PPT）這張圖看似很簡單，今天污水處理廠能源回收主要是應用污泥厭氧反應器。厭氧反應器主要是由初沉池排放的泥和活性污泥池剩余污泥作為“飼料”輸到這個反應器里，而產生的生物氣再由發電機轉化供應電源。當然，在理論上來說，脫水的污泥可以再產生能源，但目前使用還不普遍。所以從現有的污水處理廠產生能源來看，重要的因素是高效的初沉池和厭氧消化反應器、高效的發電機。

如果抓住這幾個環節以后，就可以有相當的電能的回收，即我們稱之為能源回收的第一版。目前，在新加坡所有的污泥都進行中溫的厭氧消化，固體揮發物的去除率是大約40%，達到國際上的公認的水平。

能源的轉換，發電機從煤氣的能量到電轉換電的效率約為25%。污水發電水平是每立方米可以產生0.13kW·h的電量，這相當于工藝過程用電量的1/3。這個水平相當于歐洲的平均水平。而干燥和脫水后的污泥都是焚燒處置。

（詳見PPT）這張圖就顯示干化率、污泥體積和能源的需求關系，新加坡最早是脫水達到20%含固率以后就進行的土地的填埋，但是沒有多久就填滿填埋場了，所以現在進行焚燒處置。據我所知，在北歐許多國家焚燒是最后處置方法。當然北京、上海最后怎么樣做？我們眼前下結論還為時尚早。

簡單講，如果污泥含固率為20%，焚燒以后含固率達90%，這個體積比為1/10。

當新加坡規劃提高能源效率時，首先學習國際先進水平在哪里？我們知道世界有一個廠在奧地利的Strass廢水廠，在2005年的時候已經達成了能源自給，我們參觀該廠，也派了人去仔細學習，也請他們的人到我們這邊來做介紹。

這張圖是整個廠里面碳的流向，你可以看到每一個過程碳的分布，而重要的是有多少碳進入了厭氧消化池，而產生的多少甲烷氣。

采用他們的經驗，我們在新加坡幾個大廠也進行了物料衡算研究，我們要知道碳氮磷在這個廠是怎么的流向的。

我們用我們的結果與Strass廠進行比較，看看差距在什么地方，可以在什么方面進行改進。迄今為止，我們4個廠都建立了物料衡算，每個月的月報首先要報告你物料衡算有什么樣的變化，反應在運作上有什么問題。

PUB下一個目標就是要達到國際先進水平，每立方污水產生0.3 kW·h的電能，稱之為能源回收第二版。

為達到能源自給，采用了下面一系列的措施。

1.污泥的預處理。（詳見PPT）包括先進行了中試規模的超聲波預處理的實驗。緊跟著一個生產規模裝置的運行。可以帶來約10%的沼氣的增加。從前兩年開始我們也向Strass學習，更換了部分舊的發電機，安裝了具有38%轉化率的新的發電機，就帶來了50%的電量增加。

2.熱水解，我們建立了一個生產規模的熱水解，研究帶來的具體凈能量增加是多少。并且估計在今后維修和更新帶來的工作量。

3.把外面的碳源加到消化池當中去。在工業裝置當中我們已經做了實驗，證明可以把要處理的食品廢棄物加進去，由此產生了相當可觀的沼氣增長。

到2025年新加坡三個水廠建成的時候，能量回收的情況如何呢？污水處理最大的困境就是碳的管理，本身讓碳源要用來去除營養物又產能源的時候，是很難兩全其美的，這就是我們現在要談主流厭氧氨氧化的問題。未來處理廠的概念，如果這概念廠能實現，今后的處理廠可可以把盡量多的碳拿下來送到厭氧消化里面去產生能源。但是條件是什么呢？后面的營養物的去除不需要碳源，或者是需要的很少，這就提供了一種能源平衡和剩余的可能性。比如說我們先的現在的初沉池碳去除是40%，你就可以增長到60%，相當于50%能源的增加。

（詳見PPT）目前新加坡樟宜再生水廠，20萬噸的主流厭氧消化過程已經報告了，是世界上最大的部分短程氨氧化和氨厭氧化過程，并且在2014年，我們跟美國的兩家水務系統和Strass廢水處理廠一起贏得了國際水協的發明大獎。

（詳見PPT）這張圖是一年的操作數據，出水氨氮的平均濃度是1.7毫克升，亞硝酸氮是1.1毫克升，硝酸和氮只有1毫克升，這就顯示了這個過程的優越性，有沒有繼續改進的空間呢？有，現在還是用的傳統的初沉池，相當量的碳還是進入這個系統，要把這個過程更有效地應用到新的污水處理廠，有三大問題要解決：對現有的過程有深刻的理解。膜生物反應器帶來的額外的影響。因為我們現在用的是常規的活性污泥。而在第二階段深溝污水處理廠用膜生物反應器。另外高效率的碳捕捉的過程的開發和它的應用，這都是要解決的問題。

所以從2011年以來，新加坡PUB做了一系列的研發項目，三個中試的項目就著眼于回答這些問題。而最新的就是日處理1.2萬噸稱之為示范廠的項目，是模擬今后的第二階段的污水處理，看看主流厭氧氨氧化能不能實現。

我們也采用了側流的污泥回流液氨厭氧氧化過程，也保留著用側流過程強化主流氨厭氧氧化的可能性。

已建立生產規模的裝置，進行單獨的食物廢棄物消化和與污泥混合的厭氧消化，這兩個項目現在已經在運行。

最后一個項目把新的污水廠里脫水的污泥就近送到旁邊的城市固體廢棄物處理廠，與城市固體一起焚燒，產生的電源送回到污水處理廠。

到2025年的時候，新加坡再生水廠的能源回收在沒有外加碳源的情況下可以達到0.3千瓦時每立方米污水。應用食物殘渣和城市固體廢棄物的協同焚燒，整個新加坡污水處理廠包括新生水廠可以達到能源自給，從而實現新加坡污水能源回收的第三版。

總結一下：新加坡PUB的方法。

提早規劃，2025年離現在還有七八年，概念設計已經完成，主要技術路線已經選定，現在已經開始工藝設計。根據新加坡的條件制定高資源回收指標。采用一流的技術水準和實踐。投資在開發上一步一步的驗證，最佳技術適用性。

（詳見PPT）本手冊包括了對現有主要技術的篩選，根據新加坡的情況，哪些技術可以考慮并進行重點開發，這本書是我們根據若干與能源有關項目的一個出版物。

在此，感謝PUB提供許多照片，不少是現在正在進行的工程，PUB也同意與大家共享。謝謝大家！

主持人 王濤 (機械科學研究總院環保技術與裝備研究所 副總工 研究員級高工)： 謝謝曹博士，給我們帶來新加坡污泥處理處置方面的經驗，盡管新加坡與中國的情況可能有一些區別，但是在曹博士的演講中我們還有很多經驗值得吸取、借鑒。

來源　：

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曹業始

• 單位：

  新加坡公用事業局（PUB）

• 職位：

  首席專家(污水處理)

• 特長：

  廢水處理和回用，水質水資源及政策

• 領域：

  城鎮污水處理工藝技術、污水處理廠運營管理、污水深度處理與再生利用工藝技術、水資源管理

個人簡歷

教育概況（大學至今）：

博士: 生物科技（廢水處理）, 代爾夫特科技大學（TUD），代爾夫特，荷蘭， 1990-1994年。

研究生文憑: 環境科學與技術，國際水利和環境工程研究所(IHE），代爾夫特，荷蘭, 1985年-1986年。

碩士學位: 化學工程，南京理工大學, 南京, 中國, 1982年-1984年.

學士: 化學工程，華東理工大學，上海，中國，1973年-1977年

工作簡歷及成果業績：

2002年-至今 新加坡公用事業局（PUB）首席專家(污水處理).

生物技術與工藝組負責人。高級科學家。主要職責包括：研究和開發水和廢水處理技術，管理和領導項目。

1998年-2002年 環保技術研究所（ETI）

資深科學家,主要職責包括研究和開發廢水處理技術，管理和領導項目。

1994年-1998年 歐盟-新加坡環境技術學院(RIET) ，歐盟和新加坡政府合辦的機構。

經理，技術研究部。負責環境戰略研究，中國項目開發和技術服務。

國際水協(IWA)營養化去除與回用專家組領導小組成員　(2010-).

論文及專著：

曹業始(唯一作者) (2011)　大型城市污水處理廠物質轉化與能源效率.　國際水協(IWA)出版社,倫敦, 書號：ISBN: 9781843393825, 130頁.

曹業始(唯一作者) (2011)　溫帶氣溫下活性污泥的生物脫磷.　國際水協(IWA)出版社,　倫敦, 書號：ISBN: 9781843393818, 148頁.

曹業始 (第一作者）等（2008）。溫帶氣溫下活性污泥生物脫氮：生產規模研究，實驗室試驗和數學模擬。國際水協（IWA）出版社，倫敦。書號：978143391879，共168頁.

科研及項目動態：

擅長于生物廢水處理的過程開發,優化和模型.目前的研究主要集中在溫熱帶氣候條件下的生物脫氮除磷。一體化的厭氧與好氧污水處理及回用，活性污泥與膜技術的過程開發，大型污水廠的高效節能。工作范圍包括水污染控制，水質，水資源以及環境政策的研究.