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一個瑞士教授眼中的硝化演變史 (上)
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Nitrification and Me:一個瑞士教授眼中的硝化演變史 (上)

關于Willi Gujer教授

  1946年1月6日,Willi Gujer教授出生于瑞士Rümlang。在蘇黎世聯邦理工學院(ETH Zurich)大學畢業后,他先到企業工作了一段時間,隨后就去美國攻讀博士,并于1974獲得了UC Berkeley的環境工程博士學位,其導師是著名的David Jenkins教授。博士畢業之后,他就回到瑞士聯邦水科學技術研究院(EAWAG)任職,并在1976~1994年期間負責工程科學部的管理工作。

  他的研究重點是污水的生物處理,尤其是數學建模方面的研究。他在活性污泥一號模型(ASM1)的建立中做了很多具體的工作,包括很多動力學參數測定方法的建立。他從1992年開始擔任EAWAG流體力學與水資源管理系城市水管理方向的教授,目前是ETH土木、環境與地理工程系的榮譽教授,同時仍負責研究生項目中城市水管理和水污染控制的研究。

  上圖是Gujer教授在DTU丹麥技術大學授課的珍貴視頻截圖。Gujer教授在幻燈片里說“污水處理是一個沒有結局的故事”:他將污水處理的工藝發展和時間軸巧妙地結合到一起,形象地展示了污水處理的發展史。這也說明了隨著大家對污水處理的認識的加深,營養物的處理日益受到行業的重視。另外他作為ASM模型的重要貢獻者,脫氮除磷也是模型的核心組成部分。

硝化研究受重視的原因

  在這篇綜合文章的標題和概述中,Gujer教授都很謙遜地強調這是他個人幾十年主觀經驗的總結。但在拜讀完此文后,可以說這是污水界截止到2010年的脫氮處理發展史。在此綜述里,Gujer教授向我們展示了生物硝化處理工藝是如何一步一步成為如今各種污水處理工藝模型(活性污泥、生物膜反應器)以及河流自凈作用的重要基礎。他說微生物基因遺傳技術時代到來之前,硝化作用是環境工程研究中被研究最多的微生物過程,而研究內容大致可以分為兩方面:

  1.從出水水質要求出發,為了實現可靠的生物脫氮表現和了解受納水體中氮的轉化,我們需要研究相關的工程信息,以全面利用硝化過程來實現水污染控制;

  2.從加深對微生物的認知需求出發,用硝化過程,甚至說氨循環中復雜的反應矩陣,來追蹤混合種群中特定微生物的行為和表現。這里硝化作用是判斷在各種環境條件下生長的微生物的種類及行為的代理指標(proxy)。

  這兩個方面的研究在過去幾十年里不斷演變,還反過來影響Gujer教授自身的研究以及他對污水生物處理的認知。在展開論述之前,他又一次強調者此文更多的是一些個人觀點的整理:“不要期待這篇綜述如何細致、詳盡以及縱深結合地探討硝化作用”。盡管如此,他還是洋洋灑灑寫了19頁,所以我們將分兩期微信介紹這篇綜述文章,但受篇幅所限,也僅僅能對文中要點作梗概介紹,想知道更多詳情的讀者可以下載全文來閱讀。

硝化反應—改變行業規范的催化劑

  在20世紀初期,基于生物處理的污水處理廠的基礎主要是HRT、水力負荷和有機負荷F/M等經驗參數。在20世紀50年代中期開始,受到化學工程師的影響,衛生工程師開始用系統分析方法來運營污水廠,引入了物料平衡、物質轉化過程和速率、動力學和化學計量等新的研究基礎。這是一次行業規范的轉變,并打通和改善了污水工程師和科學家之間的溝通之門。

  硝化反應就是一個易于辨識的轉化過程,是展示當時水污染控制新工具各種優點的完美模范。在隨后的30多年里,很多新概念的引入都是以硝化作用為基礎的。其實污水生物處理發展到今天,真的很多又要歸功于“硝化過程”。

“我入行前的硝化發展史”

  盡管在BOD、COD等參數面世之前,二級處理出水硝化程度的高地會被人們作為評價污水處理好壞的標準之一,但從受納水體的角度來看,硝化過程最初并沒有受到正確的對待,相反被當作發生水體富營養化的罪魁禍首。顯然當時人們還沒將硝化過程用作判斷工藝表現以及水體接納還原/氧化氮的參照指標。

  硝化研究有以下一些里程碑事件:Monod在1942年最早提出連續發酵的概念,在這基礎上Novick和Szilard在1950年發明了連續發酵的反應器,并開創了恒化培養器(chemostat)的概念。他們的工作為連續式微生物培養系統奠定了理論和數學建模的基礎。1964年,英國水污染研究實驗室的研究員Downing將硝化過程的研究推進了一大步——他首次指出硝化作用依賴于自養硝化菌的最大比增長速率,該速率低于異養菌的比增長速率,需要足夠長的泥齡以防止硝化菌的流失,并開發了基于動力學概念和反應器技術的硝化活性污泥工藝的設計理論。到了1970年,SRT、MCRT等參數已經成為硝化活性污泥污水廠模型和設計的必要組成。1975年前后,第一批硝化動力學模型也相繼亮相。

  在70年代初期,少數全尺寸的污水廠開始研究并實現脫氮處理的方法,比較流行的方法折點氯化、離子交換和氨吹脫等物理-化學方法。這說明人們開始重視氨氮和硝態氮問題。1975年美國環保署發布了代表當時最高水平的《氮控制設計手冊》就是以物理-化學方法為主,盡管涉及了去除COD的高負荷活性污泥法、硝化系統和添加甲醇的反硝化系統。值得一提的是該手冊前言說道:“這本書沒法在5年前就出版,因為當時的脫氮技術還不成熟?!?而在這書1993年再版的時候,前言變成了:“自第一版發行以來,生物工藝已經成為了脫氮工藝的主流,只有很少的案例還在使用物理-化學方法?!?/p>

  這是在這樣的背景之下,當時還是一個博士生的Gujer教授于1971年開始了他的污水處理工藝工程生涯。他說他的第一個貢獻就是接觸穩定活性污泥工藝(contact stabilization activated sludge process)中的硝化反應靜態模型。

硝化工藝開始唱主角

  可以說20世紀70年代是污水處理氮控制登上歷史舞臺的開端。很多地區都在當時建立了氨氮、亞硝態氮和硝態氮的排放標準。蘇黎世Werdh?lzli污水處理廠,作為瑞士當時最大的污水處理廠(約43.3萬人口當量),成為首個將硝化列為必須工序的污水廠,當時的出水標準為2mg NH4-N/L(80%的采樣通過率,>10℃)。1973年蘇黎世市政府還發起了一次面向全球的污水廠擴建設計方案征集大賽。在這次比賽中可以看出很多工藝方案都缺乏可靠的設計信息,大型污水廠的成功經驗少之又少。

  當時的Gujer教授被委以重任,根據當時EAWAG的幾個用實際污水作實驗的中試項目的結果去制定Werdh?lzli污水廠擴建的設計標準。同時也因為這個項目,他的職業道路跨上了一個新的臺階。

▲ Werdh?lzli 污水廠全景

活性污泥法中的硝化作用

  在這一節里,Gujer教授對活性污泥硝化作用的很多方面進行了總結介紹,包括分別講述了采樣頻率如何影響測定結果、工藝設計“安全系數”的引入、長期(季節間)和短期(晝夜間)溫度變化對工藝的影響、硝化的抑制作用、工藝控制、峰值調節、地理因素對處理表現的影響、影響硝化作用動力學的環境因素,以及硝化反硝化的相互作用會導致一氧化二氮釋放等。同時他也表達一些觀點,包括他認為我們需要重新審視設計理念、加深氨氧化反應的認識需要酶動力學的知識等。其中的細節在這里無法詳述,只摘取以下幾個亮點作為分享:

  1. 計算機技術的發展大大促進了污水處理的模型研究

  在自動采樣儀器還未面市的上世紀70年代,當時還以濕式化學分析為主。EAWAG的中試研究使污水處理的動力學模型成為了Gujer教授日后研究工作的中心。他的第一個動力學模型是關于活性污泥硝化活性的預測。他回憶說當時做模型用的還是FORTRAN代碼,而且要動用EAWAG大量人力資源來運行,盡管如此也要花上幾周的時間。如今通過使用各種先進的模擬工具,只需要幾小時就能完成跟當年類似的模型或項目,而且還有系統分析工具作支持,使模型的開發變得更簡易。

  2. 工業廢水對硝化活性的影響可能是個誤解

  Gujer教授說早年很多(如果不是所有也至少是大部分)關于涉及工業廢水的活性污泥工藝的論文報告都說可能有硝化作用受抑制的問題。盡管我們知道一些重金屬和有機物確實會抑制硝化菌的生長,但Gujer教授的個人經歷(雖沒有科學驗證)卻跟這些論文報告的結論不太相同。他說那個年代還沒有溶解氧測量儀,生物系統的動力學行為還不太為人熟知,導致當時的實際運行都很糟糕,并不能實現理想的“靜態”。隨著對氧濃度的控制變得越加可靠,這方面的文章也越來越少見了。他認為很多工業化發達國家的控制工作都做得很好,意思是做好源頭控制,有害化合物進入污水廠的幾率不大。

  3. 城市規劃對污水處理表現的影響

  Gujer教授提醒我們污水處理系統除了污水處理廠之外,管網也是其重要的組成。污水廠的進水負荷變化在某程度是由于污染物進入管網時間的差異,以及管網分布的長度造成的,這兩個因素都跟時間這個變量有關。Gujer教授用下圖闡述了同軸排列和線性排列兩種排放模式的區別——前者的負荷變化更大,而后者的收集方式能使進水水質更穩定。由于晝夜負荷變化很大程度上控制了生物處理過程中的硝化性能,所以使用后者的城市規劃模式對該地區的污水處理是有好處的。

▲ 城市同軸排列和線性排列對污水廠晝夜污染物負荷變化的影響

  下圖總結了不同污水收集方式下氨的極端負荷和日平均負荷的比值。由于硝化處理設計的安全系數通常按照最大負荷和平均負荷的比值來設定,因此該圖能提供重要的設計信息。根據此圖,我們會發現安全系數的選定是個很有趣的事情——安全系數(也就是相應的SRT)設定越大,污水廠的處理能力就變小,因此專業性就降低,而且更加難以運行。

▲ 通過日平均負荷和污水廠規模的函數來表示氨極端負荷情況(2h),假設人均排放量為10 gN/人/天,X軸覆蓋1000-1000000人口當量的范圍

  4. 污水廠永遠不會完全依照設計時的方式運行

  Gujer教授和Dominguez教授曾經在2006發表過一篇文章,討論了Werdh?lzli污水廠在1985-2003年間的演變。該污水廠原先是為硝化處理設計的,還包括了同步的磷沉淀。設計負荷是當時預估負荷的115%。當時的設想是原有的活性污泥法工藝線可以用來預處理約50%的初沉池出水,這樣有利于新建的第二段活性污泥工藝的硝化作用。然而,在這之后18年里,蘇黎世的人口不僅沒有增長,反而減少了近20%,而且許多污水排放大戶(例如啤酒廠、牛奶加工廠、屠宰場等)都搬離了城市。由于紡織洗滌劑不再添加磷,沉淀的污泥也少了。地下水下滲進入管網的情況急劇減少,飲用水消耗也減少了約33%,這使得污水廠的最大水力負荷大大降低,使得活性污泥的濃度增加了。

  運營方撤掉那條舊的活性污泥工藝線,然后在無需新增反應器體積的情況下在新的處理線上引進了前置反硝化(28%流量)。蘇黎世另外一間污水處理廠被關閉,污水接入Werdh?lzli污水廠,約占總負荷的20%。蘇黎世機場的除冰液也有段時間運至該污水廠來處理。

▲ Werdh?lzli污水廠的工藝路程圖

  通過這個案例Gujer教授想表達,污水廠就像一個有生命的有機體,它幾乎從來不會按照設計的方式來運作。18年其實并非一段很長的時間,但這個污水廠的邊界條件和工藝流程已經發生了翻天覆地的變化。未來難以預測,污水廠的設計應該將這些不確定性考慮在內。

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