“碳達峰、碳中和”背景下低碳污水處理綜合實驗設計與教學應用

李 祥，袁 硯，吳建華，劉 峰，潘 楊

（1.蘇州科技大學環境科學與工程學院 江蘇 蘇州 215009；2.蘇州科技大學環境生物技術研究所 江蘇 蘇州 215009）

隨著國家“碳達峰、碳中和”目標的提出，各行各業都在開展節能減排行動。工業廢水處理作為諸多生產行業的最后一道工序，對“青山綠水”的生態環境保護具有重要的意義[1]。因此，在污水處理過程中，選擇使用一些低碳、環保、高效的污水處理新技術，可降低處理工藝的能耗和物耗，對“碳減排”和企業運行成本降低具有雙收益作用[2]。

水污染控制工程是環境工程專業一門重要的專業基礎課程，是培養污水處理專業人才的必修環節。該課程的實驗課時在水污染控制工程中占據較大的比重，是學生將理論轉化為實踐，鞏固專業基礎知識，強化動手能力和實戰經驗的重要橋梁[3，4]。然而現有的實驗課程更多的是基于傳統理論知識設立的基礎驗證性實驗，難以體現學生的創新能力和對前沿熱點的追求。因此，在強化現有污水處理基礎實驗課的同時，結合學校教師現有的相關科研成果，合理開展綜合實驗課程教學，對拓展學生的污水處理前沿知識，培養學生的創新力和科研興趣具有舉足輕重的作用[5，6]。

生物脫氮一直被認為是污水處理工藝中最經濟的氮處理方法。基于傳統的硝化反硝化原理，開發了A/O、氧化溝等諸多污水處理工藝，并被廣泛應用于世界各地的污水處理廠[7]。然而該過程需要在好氧環境下將氨全部轉化為硝酸鹽，然后在厭氧環境下利用有機物將硝酸鹽轉化為N2。很多工業廢水中COD偏低，采用此類原理的脫氮工藝需要投加大量有機物，同時處理過程還涉及硝化液回流、污泥回流等機械設備及電耗，經濟性難以進一步降低[8]。近年來，基于厭氧氨氧化的自養生物脫氮耦合工藝在處理此類廢水時因無須有機物，能耗低及效能高受而到廣泛關注，并被認為是21世紀生物脫氮的方向[2，9]。蘇州科技大學（以下簡稱“本校”）在此領域也進行了近20年的基礎研究和技術開發，并將其應用于垃圾滲濾液等高氨廢水的工業化處理[10，11]。

為此，本校在水污染控制工程的實驗環節，以“降碳增效”為目標構建污水處理的綜合實驗。目的是讓學生通過實驗原理的學習、裝備運行和數據分析，增強對新知識的求知欲，強化低碳污水處理認識，激發其科研創新的興趣。同時通過對比分析，進一步鞏固對已有污水知識的理解。

1 實驗設計原理與系統構建

1.1 實驗原理

傳統的生物脫氮原理是通過硝化反硝化過程實現脫氮（圖1），即在好氧的環境下硝化菌利用氧將氨經亞硝酸鹽最終氧化為硝酸鹽，然后在厭氧的環境下反硝化菌利用有機物將硝酸鹽轉化為氮氣。為充分利用原水中的有機碳源，需要將厭氧反硝化前置并增設硝化液回流泵。整個脫氮過程需要大量物耗和能耗。近年來，一種不依賴有機物脫氮的厭氧氨氧化耦合工藝逐步受到關注，并在諸多高氨廢水中開展應用。所謂厭氧氨氧化就是指在厭氧環境下厭氧氨氧化菌將氨氮和亞硝酸鹽轉化為氮氣的過程[9]。因此將亞硝化和厭氧氨氧化耦合僅需將一半的氨氮轉化至亞硝酸鹽水平即可，可降低脫氮過程60%的曝氣量，降低100%有機物需求，同時還降低60%的污泥產量。厭氧氨氧化過程會產生10%的硝酸鹽，因此處理高濃度廢水會導致出水高硝酸鹽濃度。為了滿足出水總氮達標排放，還耦合硫自養反硝化實現硝酸鹽的深度處理（計量式1）[12]。

1.2 實驗系統的構建和創新性

為了使得系統高效穩定運行，同時體現低碳特征、創新理念，實驗中采用了多年開發的氣升回流一體化裝置（專利號：ZL2016110708699）耦合部分亞硝化-厭氧氨氧化[13]，同時串聯硫自養反硝化濾池（專利號：CN201810663009.9）強化硝酸鹽的深度處理[14]。該系統分別由原水箱、好氧池、厭氧池，沉淀池、氣升回流系統和濾池組成，工藝流程如圖2所示（p57）。原水箱有效體積500L。好氧池有效體積30L，內添加成熟的亞硝化移動膜，配有曝氣系統。厭氧池有效體積10L，接種厭氧氨氧化污泥，內置固定纖維填料，配有攪拌轉裝置。濾池體積為20L，接種普通活性污泥，內置固體硫顆粒和石灰石作為填料。該耦合系統在無須有機物的環境下處理廢水中氨氮。同時利用好氧區曝氣的尾氣作為動力，構建氣升回流系統，在無須機械設備的環境下，將厭氧池液體回流到好氧池，回流比200%，節省回流泵的設備購置、維修和電耗。實驗進水采用連續流，由蠕動泵控制流量。

1.3 系統性能評價指標

系統水質指標監測依據《水和廢水監測分析方法（第四版）》[15]。氨氮測定采用納氏試劑分光光度法；亞硝酸鹽和硝酸鹽測定采用離子色譜法；溶解氧測定采用便攜式溶解氧儀。

2 實驗運行結果與討論

2.1 實驗運行結果

自養生物脫氮系統的各個單元氮素轉化如圖3所示。在進水氨氮濃度200mg/L的條件下，好氧池的亞硝酸鹽濃度逐步增加，經過30d的運行，出水氨氮、亞硝酸鹽濃度分別維持在85mg/L和105.2mg/L，出水亞硝酸鹽/氨氮的比值維持在1.24，基本滿足后續厭氧池的厭氧氨氧化對進水水質的要求。出水硝酸鹽濃度基本小于10mg/L，說明亞硝化系統很穩定，硝化菌被有效抑制。經過30d的運行，厭氧池出水氨氮、亞硝酸鹽濃度基本小于10mg/L，出水硝酸鹽濃度約30mg/L。說明厭氧氨氧化具有較好的脫氮效能。硫自養反硝化濾池對硝酸鹽進行了深度處理，最終下降到3mg/L以內。同時，出水氨氮和亞硝酸鹽也獲得進一步下降，推測部分厭氧氨氧化菌流失到反硝化濾池。

整體而言，在無須有機物的環境下，該自養系統實現了氨氮的高效去除，去除率達到97%以上，出水氨氮和總氮達到城市污水廠的納管排放標準，同時總氮去除速率達到0.39kg/(m3·d)，顯著高于現有硝化反硝化處理工藝的脫氮能力。

2.2 實驗結果分析

以往的實驗課程很少注重實驗結果的分析，主要是因為實驗內容單一，僅以單個原理進行相關實驗，學生能夠很快地模擬出正確的實驗結果，并且課程的每個實驗之間呈現平行狀態，沒有上下銜接，無法進行深入分析。而本實驗系統是多原理耦合的復雜系統，并且在設置方面具有明顯的上下銜接關系，具有牽一發而動全身的特點（圖4）。例如亞硝化不穩定，必然導致出水氨氮和亞硝酸鹽不匹配，必導致系統出現單一的亞硝酸鹽或者氨氮逐步累積，累積的氨氮或者亞硝酸鹽將會產生毒性物質（游離氨和有利亞硝酸），并因水的正向流向和回流影響亞硝化、厭氧氨氧化和硫自養反硝化系統微生物。再例如亞硝化需要溶解氧環境進行亞硝化生產，而厭氧氨氧化需要厭氧環境進行脫氮，如果亞硝化過程的溶解氧過高，也將會對后續的厭氧氨氧化過程產生氧的抑制。綜上所述，系統的穩定運行需要探索適宜的控制參數，某一單元參數不適宜將會對整個系統產生嚴重的影響。通過上述綜合實驗的設計和運行，學生會新奇地發現，在無須有機物的環境下，廢水中氨氮出現快速地去除。但是如何實現氨氮穩定并且高效地去除需要學生對理論進行理解，擁有較強的動手能力和嚴謹的解決問題的邏輯思維能力。通過脫氮理論、工藝構建及運行數據的對比分析，學生會進一步發現該全程自養脫氮工藝還具有脫氮效能高，設備少、能耗低和碳源需求低的特點。這與現有認知的硝化反硝化原理存在較大的差異，有助于學生對傳統脫氮工藝和現有脫氮工藝進行對比分析，強化其對知識的理解和記憶。因此，綜合實驗結果的分析對提升學生綜合實驗的效果具有重要的作用。

3 教學考核方式

傳統的基礎實驗教學更多的是教師對實驗內容的講解與演示，然后要求學生能夠重現實驗現象，最后教師依據學生實驗數據重現的效果好壞直接對其理解能力和動手能力進行評分。該過程內容單一、難度低、標準清晰，難以突出學生思考的過程，即學生難以獲得創新的能力和突破現有知識面的欲望[3,16]。本綜合實驗通過回答問題的形式要求學生在實驗之前對相關實驗原理進行預習，通過文獻查閱了解實驗過程參數控制及其變化對微生物的影響；在實驗過程中，要求學生重視每一個實驗數據的變化，強調如何通過實驗數據解讀微觀環境中功能微生物的生活狀態，理解內在的科學含義。提倡進行不同工藝參數的優化，敢于失敗。但需要對失敗的問題進行科學的分析，找出失敗的原因。在實驗結束后要求學生科學合理地書寫實驗報告，不單以實驗效果評定成績。無論實驗結果好壞，均要求每個學生通過查閱相關文獻，科學合理地解析實驗過程中出現的不同現象和原因，突出解決問題的邏輯思維能力和表達能力。這可以避免整個班級實驗報告千篇一律的抄襲。實驗成績的最終給定分為三部分：基礎實驗要求（30%）+實驗運行結果（30%）+實驗報告（40%）。本綜合實驗的考核不僅體現在學生要有較強的理論基礎知識、較強的動手能力對實驗系統進行構建和維護，還需要嚴謹的邏輯思維對實驗數據進行科學分析，是通過一定周期性考核的結果，能夠客觀地評價每個學生的學習效果。

4 結語

基于部分亞硝化-厭氧氨氧化-硫自養反硝化耦合工藝的構建和運行，可彌補水污染控制工程的實驗課缺乏創新性的短板，使學生對廢水低碳處理的理解走上一個新的臺階，實現多層次人才培養，激發了學生對科研興趣和進一步深造的信心，使本科畢業走上污水處理工藝崗位的學生樹立低碳污水處理理念，對未來污水處理人才的培養具有重要的意義。