“碳达峰、碳中和”背景下低碳污水处理综合实验设计与教学应用

李 祥，袁 砚，吴建华，刘 峰，潘 杨

（1.苏州科技大学环境科学与工程学院 江苏 苏州 215009；2.苏州科技大学环境生物技术研究所 江苏 苏州 215009）

随着国家“碳达峰、碳中和”目标的提出，各行各业都在开展节能减排行动。工业废水处理作为诸多生产行业的最后一道工序，对“青山绿水”的生态环境保护具有重要的意义[1]。因此，在污水处理过程中，选择使用一些低碳、环保、高效的污水处理新技术，可降低处理工艺的能耗和物耗，对“碳减排”和企业运行成本降低具有双收益作用[2]。

水污染控制工程是环境工程专业一门重要的专业基础课程，是培养污水处理专业人才的必修环节。该课程的实验课时在水污染控制工程中占据较大的比重，是学生将理论转化为实践，巩固专业基础知识，强化动手能力和实战经验的重要桥梁[3，4]。然而现有的实验课程更多的是基于传统理论知识设立的基础验证性实验，难以体现学生的创新能力和对前沿热点的追求。因此，在强化现有污水处理基础实验课的同时，结合学校教师现有的相关科研成果，合理开展综合实验课程教学，对拓展学生的污水处理前沿知识，培养学生的创新力和科研兴趣具有举足轻重的作用[5，6]。

生物脱氮一直被认为是污水处理工艺中最经济的氮处理方法。基于传统的硝化反硝化原理，开发了A/O、氧化沟等诸多污水处理工艺，并被广泛应用于世界各地的污水处理厂[7]。然而该过程需要在好氧环境下将氨全部转化为硝酸盐，然后在厌氧环境下利用有机物将硝酸盐转化为N2。很多工业废水中COD偏低，采用此类原理的脱氮工艺需要投加大量有机物，同时处理过程还涉及硝化液回流、污泥回流等机械设备及电耗，经济性难以进一步降低[8]。近年来，基于厌氧氨氧化的自养生物脱氮耦合工艺在处理此类废水时因无须有机物，能耗低及效能高受而到广泛关注，并被认为是21世纪生物脱氮的方向[2，9]。苏州科技大学（以下简称“本校”）在此领域也进行了近20年的基础研究和技术开发，并将其应用于垃圾渗滤液等高氨废水的工业化处理[10，11]。

为此，本校在水污染控制工程的实验环节，以“降碳增效”为目标构建污水处理的综合实验。目的是让学生通过实验原理的学习、装备运行和数据分析，增强对新知识的求知欲，强化低碳污水处理认识，激发其科研创新的兴趣。同时通过对比分析，进一步巩固对已有污水知识的理解。

1 实验设计原理与系统构建

1.1 实验原理

传统的生物脱氮原理是通过硝化反硝化过程实现脱氮（图1），即在好氧的环境下硝化菌利用氧将氨经亚硝酸盐最终氧化为硝酸盐，然后在厌氧的环境下反硝化菌利用有机物将硝酸盐转化为氮气。为充分利用原水中的有机碳源，需要将厌氧反硝化前置并增设硝化液回流泵。整个脱氮过程需要大量物耗和能耗。近年来，一种不依赖有机物脱氮的厌氧氨氧化耦合工艺逐步受到关注，并在诸多高氨废水中开展应用。所谓厌氧氨氧化就是指在厌氧环境下厌氧氨氧化菌将氨氮和亚硝酸盐转化为氮气的过程[9]。因此将亚硝化和厌氧氨氧化耦合仅需将一半的氨氮转化至亚硝酸盐水平即可，可降低脱氮过程60%的曝气量，降低100%有机物需求，同时还降低60%的污泥产量。厌氧氨氧化过程会产生10%的硝酸盐，因此处理高浓度废水会导致出水高硝酸盐浓度。为了满足出水总氮达标排放，还耦合硫自养反硝化实现硝酸盐的深度处理（计量式1）[12]。

1.2 实验系统的构建和创新性

为了使得系统高效稳定运行，同时体现低碳特征、创新理念，实验中采用了多年开发的气升回流一体化装置（专利号：ZL2016110708699）耦合部分亚硝化-厌氧氨氧化[13]，同时串联硫自养反硝化滤池（专利号：CN201810663009.9）强化硝酸盐的深度处理[14]。该系统分别由原水箱、好氧池、厌氧池，沉淀池、气升回流系统和滤池组成，工艺流程如图2所示（p57）。原水箱有效体积500L。好氧池有效体积30L，内添加成熟的亚硝化移动膜，配有曝气系统。厌氧池有效体积10L，接种厌氧氨氧化污泥，内置固定纤维填料，配有搅拌转装置。滤池体积为20L，接种普通活性污泥，内置固体硫颗粒和石灰石作为填料。该耦合系统在无须有机物的环境下处理废水中氨氮。同时利用好氧区曝气的尾气作为动力，构建气升回流系统，在无须机械设备的环境下，将厌氧池液体回流到好氧池，回流比200%，节省回流泵的设备购置、维修和电耗。实验进水采用连续流，由蠕动泵控制流量。

1.3 系统性能评价指标

系统水质指标监测依据《水和废水监测分析方法（第四版）》[15]。氨氮测定采用纳氏试剂分光光度法；亚硝酸盐和硝酸盐测定采用离子色谱法；溶解氧测定采用便携式溶解氧仪。

2 实验运行结果与讨论

2.1 实验运行结果

自养生物脱氮系统的各个单元氮素转化如图3所示。在进水氨氮浓度200mg/L的条件下，好氧池的亚硝酸盐浓度逐步增加，经过30d的运行，出水氨氮、亚硝酸盐浓度分别维持在85mg/L和105.2mg/L，出水亚硝酸盐/氨氮的比值维持在1.24，基本满足后续厌氧池的厌氧氨氧化对进水水质的要求。出水硝酸盐浓度基本小于10mg/L，说明亚硝化系统很稳定，硝化菌被有效抑制。经过30d的运行，厌氧池出水氨氮、亚硝酸盐浓度基本小于10mg/L，出水硝酸盐浓度约30mg/L。说明厌氧氨氧化具有较好的脱氮效能。硫自养反硝化滤池对硝酸盐进行了深度处理，最终下降到3mg/L以内。同时，出水氨氮和亚硝酸盐也获得进一步下降，推测部分厌氧氨氧化菌流失到反硝化滤池。

整体而言，在无须有机物的环境下，该自养系统实现了氨氮的高效去除，去除率达到97%以上，出水氨氮和总氮达到城市污水厂的纳管排放标准，同时总氮去除速率达到0.39kg/(m3·d)，显著高于现有硝化反硝化处理工艺的脱氮能力。

2.2 实验结果分析

以往的实验课程很少注重实验结果的分析，主要是因为实验内容单一，仅以单个原理进行相关实验，学生能够很快地模拟出正确的实验结果，并且课程的每个实验之间呈现平行状态，没有上下衔接，无法进行深入分析。而本实验系统是多原理耦合的复杂系统，并且在设置方面具有明显的上下衔接关系，具有牵一发而动全身的特点（图4）。例如亚硝化不稳定，必然导致出水氨氮和亚硝酸盐不匹配，必导致系统出现单一的亚硝酸盐或者氨氮逐步累积，累积的氨氮或者亚硝酸盐将会产生毒性物质（游离氨和有利亚硝酸），并因水的正向流向和回流影响亚硝化、厌氧氨氧化和硫自养反硝化系统微生物。再例如亚硝化需要溶解氧环境进行亚硝化生产，而厌氧氨氧化需要厌氧环境进行脱氮，如果亚硝化过程的溶解氧过高，也将会对后续的厌氧氨氧化过程产生氧的抑制。综上所述，系统的稳定运行需要探索适宜的控制参数，某一单元参数不适宜将会对整个系统产生严重的影响。通过上述综合实验的设计和运行，学生会新奇地发现，在无须有机物的环境下，废水中氨氮出现快速地去除。但是如何实现氨氮稳定并且高效地去除需要学生对理论进行理解，拥有较强的动手能力和严谨的解决问题的逻辑思维能力。通过脱氮理论、工艺构建及运行数据的对比分析，学生会进一步发现该全程自养脱氮工艺还具有脱氮效能高，设备少、能耗低和碳源需求低的特点。这与现有认知的硝化反硝化原理存在较大的差异，有助于学生对传统脱氮工艺和现有脱氮工艺进行对比分析，强化其对知识的理解和记忆。因此，综合实验结果的分析对提升学生综合实验的效果具有重要的作用。

3 教学考核方式

传统的基础实验教学更多的是教师对实验内容的讲解与演示，然后要求学生能够重现实验现象，最后教师依据学生实验数据重现的效果好坏直接对其理解能力和动手能力进行评分。该过程内容单一、难度低、标准清晰，难以突出学生思考的过程，即学生难以获得创新的能力和突破现有知识面的欲望[3,16]。本综合实验通过回答问题的形式要求学生在实验之前对相关实验原理进行预习，通过文献查阅了解实验过程参数控制及其变化对微生物的影响；在实验过程中，要求学生重视每一个实验数据的变化，强调如何通过实验数据解读微观环境中功能微生物的生活状态，理解内在的科学含义。提倡进行不同工艺参数的优化，敢于失败。但需要对失败的问题进行科学的分析，找出失败的原因。在实验结束后要求学生科学合理地书写实验报告，不单以实验效果评定成绩。无论实验结果好坏，均要求每个学生通过查阅相关文献，科学合理地解析实验过程中出现的不同现象和原因，突出解决问题的逻辑思维能力和表达能力。这可以避免整个班级实验报告千篇一律的抄袭。实验成绩的最终给定分为三部分：基础实验要求（30%）+实验运行结果（30%）+实验报告（40%）。本综合实验的考核不仅体现在学生要有较强的理论基础知识、较强的动手能力对实验系统进行构建和维护，还需要严谨的逻辑思维对实验数据进行科学分析，是通过一定周期性考核的结果，能够客观地评价每个学生的学习效果。

4 结语

基于部分亚硝化-厌氧氨氧化-硫自养反硝化耦合工艺的构建和运行，可弥补水污染控制工程的实验课缺乏创新性的短板，使学生对废水低碳处理的理解走上一个新的台阶，实现多层次人才培养，激发了学生对科研兴趣和进一步深造的信心，使本科毕业走上污水处理工艺岗位的学生树立低碳污水处理理念，对未来污水处理人才的培养具有重要的意义。