隨著污水處理廠持續(xù)將水中的碳源朝著能源再生或者其他的方向轉(zhuǎn)化，水體里殘留的營養(yǎng)物質(zhì)，尤其是氮，卻越來越難以去除。現(xiàn)階段，營養(yǎng)物質(zhì)的過量排放使得自然水體面臨富營養(yǎng)化以及極度缺氧的問題。

在實際的污水處理中，為保證污染物去除過程中有充足的氧氣供給，曝氣環(huán)節(jié)占據(jù)了近52%的能源消耗。然而，這個比例還會持續(xù)增長，因為有越來越多的污水處理廠需要解決氨氮達(dá)標(biāo)排放的問題。通常，污水處理廠多選擇通過物理方式解決曝氣問題（如通過改進(jìn)曝氣閥、曝氣口的設(shè)計來提高曝氣池的曝氣效率），而在實際操作時會十分受限。因此，深刻認(rèn)識污水生物處理機(jī)制就顯得極為重要。它將會打破現(xiàn)階段的僵局，為污水處理能源消耗帶來真正意義上的革新。而AvN技術(shù)正是污水生物處理機(jī)制研究所孕育的產(chǎn)物。

AvN技術(shù)的原理與核心

AvN是由美國World Water Works研發(fā)推廣的一項污水處理過程控制及優(yōu)化的專利技術(shù)。它具有極大的靈活性，能夠幫助污水處理廠達(dá)到氨氮和總氮的出水排放標(biāo)準(zhǔn)，并且不需要對現(xiàn)有污水廠的規(guī)模進(jìn)行擴(kuò)建改造。整個過程能實現(xiàn)能源高效利用并且能在低碳需求的條件下達(dá)到目的。因此，污水中更多的碳源能夠被導(dǎo)向厭氧消化從而增加生物沼氣的產(chǎn)量。

在主流式短程生物脫氮過程中，一方面需要維持高效的氨氧化細(xì)菌（AOB）速率，另一方面需要抑制亞硝酸鹽氧化細(xì)菌（NOB）的活性。AvN技術(shù)通過控制二者之間的平衡來達(dá)到篩選分離出理想優(yōu)勢菌種，并達(dá)到短程生物脫氮的目的。與傳統(tǒng)硝化/反硝化相比，如果能夠成功抑制NOB的亞硝酸鹽氧化，那么就可以節(jié)省25%的氧氣消耗以及40%的有機(jī)碳源。在美國，大多數(shù)厭氧氨氧化技術(shù)被應(yīng)用在側(cè)流式脫氮過程中，而AvN則可以將這項脫氨技術(shù)應(yīng)用在主流式脫氮領(lǐng)域。整個過程控制體現(xiàn)在以下幾個方面：氨氮，氮氧化物，溶解氧，側(cè)流式厭氧氨氧化過程中AOB的引入，污泥停留時間（SRT）的調(diào)控等。AvN通過控制脫氨過程中的出水氨氮與氮氧化物之間的濃度關(guān)系，進(jìn)而做到“硝化/部分硝化能夠被反硝化的那部分氨氮”，最終在給定碳氮比的條件下達(dá)到最低出水總氮濃度的目標(biāo)。

AvN技術(shù)的控制手段

在美國，基于短程脫氮的AvN技術(shù)能夠大大減少反硝化過程中所需的碳源。也正因為如此，AvN技術(shù)為前段工藝碳捕捉/碳轉(zhuǎn)移提供了極大的空間，進(jìn)而使得厭氧消化過程中有更多的碳源，大大提高了甲烷產(chǎn)量。在新式短程脫氮技術(shù)體系中，AvN技術(shù)包含了運(yùn)行過程的工藝控制以及反應(yīng)池運(yùn)行條件的配置。NOB的淘汰則是主流式短程脫氮過程的技術(shù)核心。AvN技術(shù)對于NOB淘汰的調(diào)控策略主要包括：

1. 維持一定的出水氨氮濃度；

2. 在較高溶解氧濃度的條件下操作（一般要高于1.2 mg/O2-L）；

3. 好氧與缺氧條件之間的迅速轉(zhuǎn)換；

4. 較短的SRT；

5. AOB以及厭氧氨氧化細(xì)菌（AMX）的生物強(qiáng)化

前三個調(diào)控策略尤為重要，主要通過AvN曝氣控制來實現(xiàn)。 AvN SRT調(diào)控的主要原則在于維持較短的SRT，通過人為或者自動排放一定量的剩余污泥使得實際SRT接近AOB的沖刷SRT，從而使NOB得到有效的抑制。AOB生物強(qiáng)化可實現(xiàn)較短SRT，主要是從測流式短程脫氮池里接種AOB到主流池，而AMX生物強(qiáng)化和反應(yīng)池中較長時間的停留則能有效幫助主流脫氨。實際上，AvN技術(shù)調(diào)控系統(tǒng)下的出水水質(zhì)主要取決于NOB的淘汰程度、進(jìn)水碳氮比以及生物脫氮的主要途徑。根據(jù)AvN的調(diào)控原理，出水包含不同程度的氨氮和氮氧化物，后續(xù)還需進(jìn)一步的反硝化處理。

▲ AvN控制策略

案例分析

目前，AvN技術(shù)在全球已有兩例實際規(guī)模的應(yīng)用，分別是美國HRSD（Hampton Road Sanitation District）的Boat Harbor污水處理廠（BHTP）以及奧地利的Strass污水處理廠。

1. 美國Boat Harbor污水處理廠

Boat Harbor污水處理廠最先于2015年夏實施AvN調(diào)控體系。該污水處理廠的占地面積十分有限，如下圖所示。

▲ Boat Harbor污水處理廠平面圖

該污水廠日處理量為94600 m3/d。其脫氮處理過程沒有專門的硝酸鹽內(nèi)回流，只是通過活性污泥的回流來回收硝酸鹽。系統(tǒng)的堿度很低，無法保證正常的硝化作用，需要額外補(bǔ)充大量的堿度。AvN技術(shù)的應(yīng)用使得該污水處理廠，在無需擴(kuò)建構(gòu)筑物的基礎(chǔ)上，能夠達(dá)到出水總氮10 mg/L的排放標(biāo)準(zhǔn)（氨氮排放沒有限制）并同時減少了堿度的投加。作為典型的AvN調(diào)控體系，參數(shù)的設(shè)定值要能夠滿足減少堿度投加以及降低出水總氮濃度的要求。

▲ BHTP主流脫氮自控系統(tǒng)

▲ BHTP在AvN自控體系下的堿度消耗以及出水總氮

2. 奧地利Strass污水處理廠

奧地利Strass水處理廠始建于1988年，位于奧地利Innsbruck市的Strass Valley。其設(shè)計日處理規(guī)模為15萬人口當(dāng)量（60 gBOD/PE）。Strass廠總氮的年去除率高于80%，出水總氮濃度小于5 mg/L，氨氮濃度小于1.5 mg/L， COD和BOD去除率大于90%。在1996年時已經(jīng)可以生產(chǎn)50%其運(yùn)行所需的能量。到2005年，工廠實現(xiàn)了能源自給和額外產(chǎn)能（108%能源自給率）。Strass污水處理廠采取了一系列措施來實現(xiàn)能源自給，采用兩段生物系統(tǒng)的AB工藝就是其中之一。A段可以去除55%-65%的有機(jī)物負(fù)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。

▲ 奧地利Strass污水處理廠COD/能源桑基圖

自2016年2月，主流DEMON系統(tǒng)也更新了Anammox富集分離設(shè)備。該設(shè)備專利權(quán)屬于美國的DC Water。此外，也應(yīng)用了與主流DEMON系統(tǒng)配套的自控系統(tǒng)（AvN）。該系統(tǒng)通過一系列的傳感器和控制系統(tǒng)，實時控制NH4-N和NOx-N的比例。Strass污水處理廠的出水總氮大約在4 mg/L，如果實際情況中總氮排放要求更為嚴(yán)格，需添加末端深度處理裝置。

▲ Strass污水廠中主流和側(cè)流中的Anammox富集分離設(shè)備

Boat Harbor污水處理廠和Strass污水處理廠運(yùn)用AvN自控技術(shù)的時間并不長且兩個處理廠的處理量、排放標(biāo)準(zhǔn)、實施目標(biāo)等均有所不同。如上述所描述的，Boat Harbor污水處理廠主要想解決堿度投加量的問題，而Strass污水處理廠則是朝著減少能耗的目標(biāo)前進(jìn)。接下來的一年內(nèi)將有第三個污水處理廠開始全面應(yīng)用AvN自動體系。

隨著人口的增加以及污水排放標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格，巨大的能源消耗必將是未來水處理過程中的首要問題。相較于傳統(tǒng)的脫氮處理技術(shù)，AvN另辟蹊徑，從生物處理機(jī)制著手，為新興的主流短程脫氮處理技術(shù)提供了強(qiáng)有力的保障。目前WWW正致力于將AvN技術(shù)產(chǎn)品化，作為簡單易操作的插入式部件，推廣至全球市場，使世界各地的客戶都能方便快捷地應(yīng)用。