早在2008年，荷兰应用水研究基金会(STOWA)就提出了未来污水厂的新概念——NEWs。NEWs是Nutrient(营养物)+Energy(能量)+Water(水) factories的缩写，旨在打造回收营养物、能源和再生水的新一代污水厂，实现污水处理厂的可持续发展。STOWA还制定了2030污水处理路线图，目标是让荷兰污水厂在2030年前以NEWs为框架完成升级改造。荷兰各地的水委会因地制宜，按此计划探索适合旗下污水厂的改造方案。
　　
　　图1.截至2019年2月荷兰污水能量工厂的分布图 | 图源：EEGF
　　荷兰De Dommel水委会负责荷兰东南部8座污水厂的运营，人口当量达150万(1人口当量相当于150g COD)。他们也对STOWA的NEWs方针积极响应：2017年10月，蒂尔堡再生水和资源回收工厂(Tilburg WRRF)在蒂尔堡污水厂正式投产运营。De Dommel水委会运营的8座污水厂的污泥都集中到这里来进行处理，包括初始污泥和剩余污泥。项目初衷是要降低污泥处理的运营成本，尽可能地回收沼气和磷。这个项目主要有四部分组成：
　　污泥热水解设备– Cambi THP, 165°C，29500 吨干污泥/年
　　厌氧消化– 3个4400m³反应器，25500吨干污泥/年
　　污泥脱水设备– 离心脱水
　　侧流处理线– Phospaq+Anammox，1850kgNH4-N/天 &240kg P/天
　　升级改造项目在2017年底全面投产运行。所谓的侧流处理是对污泥脱水后产生的废液做进一步处置。热水解+中温厌氧消化后会产生污泥，这些污泥经脱水后的废液会回流进入污水厂的主流处理线。这些回流液是否对主流线的微生物有抑制作用？这是当时运行团队不确定的一个点。为了降低回流液的氨氮负荷，运行团队增加了侧流处理线来使回流总氮负荷低于450kgTN/天。他们对侧流处理线进行长达22个月的观察研究，研究结果发表在IWA期刊《Water Practice & Technology》上。
　　侧流处理方法
　　如下图所示，侧流处理线位于厂区的中间位置，由一个500m³的PHOSPAQ鸟粪石反应器和1100m³的Anammox厌氧氨氧化反应器组成。这套结合了PHOSPAQ和Anammox工艺的最早案例是荷兰的Olburgen污水厂，建于2006年，用于处理其中温厌氧消化产生的消化液和工业废水。该方案由Waterstromen公司设计运营。
　　
　　图2. Tilburg污水厂鸟瞰图及测流处理线在Tilburg污水厂的位置图
　　PHOSPAQ是荷兰Paques公司开发的技术，概括地说它是一个可以同时去除BOD和磷的曝气系统。通过收集产生的磷酸铵镁沉淀(鸟粪石)实现磷回收。曝气过程在使鸟粪石晶体悬浮的同时，也氧化了BOD。系统选用中粗孔的曝气器，目的是实现最大程度的搅拌，但又将结垢程度最小化。反应器底部的鸟粪石先采用旋流器进行分离，再用螺杆压滤机脱水，然后装入鸟粪石容器中。如果BOD过载，Phospaq反应器可充当调峰装置，减轻对下游工艺的不利影响。目前一共有11个PHOSPAQ反应器案例，总处理量为4940 kg P/天。
　　
　　图3. Anammox和PHOSPAQ反应器外观
　　这套系统中的Anammox反应器采用的是单阶部分亚硝化/厌氧氨氧化颗粒污泥工艺，由于反应器内设有内部截留区，所以anammox颗粒不会轻易流失，确保系统可以在很高的MLSS下运行。
　　消化污泥脱水后的废液的微量营养素是足够的，但在热水解工艺产生的富里酸和胡敏酸类有机质往往会和金属离子键合，这会降低微量元素的生物利用率。为了确保最佳的生物活性和颗粒污泥的生长，将微量营养素（痕量金属）添加到Anammox反应器中。
　　下图是整个侧流系统的工艺流程图，所谓的浓缩废水(centrate)由两部分组成，其中80%是经过污泥经热水解+厌氧消化+脱水后的废液，剩下20%是热水解前的废液。设计允许加入稀释进水，目的是减轻因热水解和中温硝化生成的抑制物产生的抑制作用。这些稀释用水在进入反应器之前会先被加热，热源来自热水解的热交换器。侧流系统的运行温度在30-35°C之间，平均为32°C。稳定状态下，anammox反应器的pH值为6.8±0.2。
　　
　　图4. Tilburg侧流处理线工艺流程图
　　结果讨论
　　在启动阶段，他们遇到了不少运行问题，例如固体和COD过载，脱水聚合物过量、泡沫和管道结垢等。在一些极端条件下，进水浓缩液的TSS可高达5g/L。通过对污泥离心机和脱水聚合物的优化，TSS负荷下调回1g/L以下，而且大多是胶体性质的细小颗粒。
　　泡沫问题，一般与固体和聚合物过多有关。通过优化脱水运行条件、调整聚合物类型以及投加抑泡剂，泡沫过多的问题得以解决。由于侧流处理区和污泥脱水区有一定距离（>100m），输送管道出现结垢现象，添加抑泡剂解决了这个问题。
　　浓缩液的日进水量在200-1200m³/天之间，最初的稀释比是1:1，而在试验最后8个月，稀释比已经降为1:0.5，而且没有发现明显的抑制作用。
　　下图5和6是侧流废液的COD、BOD5、氨氮和磷酸的浓度。随着热水解工艺处理能力的稳定提升，我们可以看到这四个参数的数值也在逐步增加。到了第300天，THP工艺需要关停维护，在300-400天这段低负荷时期，这四个参数也相应减少。随后在THP增加了污泥负荷之后，这些参数又恢复到和之前的水平。
　　
　　图5. BOD5和总COD的浓度
　　
　　图6. 脱水废液的氨氮和磷酸浓度
　　在热水解设备正常运行时，进入侧流的COD负荷为4000-5000kg/天，而处理后的COD为1500-2100 kg/天。但BOD的去除效果很好，尽管进水的BOD5波动很大（200-1000kg/天，最高达1910kg/天），但出水的BOD5值能维持在100kg/天以内。正如上述提到的，很大一部分是在PHOSPAQ反应器里去除的。
　　至于磷回收表现，则低于预期。主要原因是进水的磷酸浓度低。直到第500天，进水磷酸浓度还只有43mg/L，相当于40kg/天的负荷，远低于设计值240kg/天。到了第550天之后在逐渐上升到100-120kg/天的水平。他们找到的其中一个原因是厌氧消化器里的氯化铁(FeCl3)。在反应器里，这些三价铁还原成二价铁，然后会跟磷酸一氢根离子反应生成蓝铁矿（vivianite - Fe3(PO4)2·8(H2O)）。他们从消化器去除的沉积物的主要成分也是蓝铁矿。当然，还有一个原因就是污水厂主流处理线用化学方法除磷了，这意味着大部分磷转移到污泥中了。
　　Anammox反应器的接种污泥来自几个不同的厌氧氨氧化反应器的污泥颗粒。它们用于处理工业废水和污泥脱水废液。如下图所示，这些接种污泥的粒径和颜色有所区别。但在150天运行之后，反应器开始形成新的污泥，并最终稳定在2-4mm的大小，外观如下图最右侧的小图所示。
　　
　　图7. 三种用于接种的颗粒污泥和经过1年运行后形成的anammox颗粒污泥
　　对于脱氮表现，研究团队考察了两个指标，一个是氨氮去除率，一个是出水的氨氮浓度。氨氮去除率在热水解设备维护期前后的都能维持在85%的水平，而出水的氨氮浓度一直为之在140mg/L的水平，这意味着回流到主流的氨氮负荷在150-250kg/天，远低于400kg/天的阈值目标。
　　
　　图8. 侧流进水和出水的氨氮负荷
　　
　　图9.侧流进水和出水的氨氮浓度
　　其实在第一年的运行期间，氨氮的去除率并不理想。研究团队发现原因是进水的碱度不够。厌氧氨氧化反应会生成氢离子，pH会下降。进水中的碱度能充当缓冲作用，“吸收”这些氢离子，确保pH的稳定。理论计算显示，每去除一份氨氮，会产生1.1份氢离子，但第一年碱度/氨氮比值只有0.65，这说明碱度不够。他们还发现投加到消化器的氯化铁，不仅降低了侧流进水的磷酸浓度，也是导致碱度不足的主要原因。考虑到出水的氨氮负荷已经满足目标要求，De Dommel水委会因此决定停止投加氯化铁来改善碱度。这决定使得在第400天之后，氨氮的去除率升至超过90%。有趣的是，如下图10所示，他们发现在目前的氨氮负荷范围内，进水氨氮的增加并不会影响出水的浓度和去除率，但进水浓度和去除率呈正相关。
　　
　　图10.氨氮负荷和去除率的相关性
　　最后他们考察了硝态氮的浓度。目前的理论认为anammox反应会产生10%的硝态氮，超过这个值说明亚硝酸氧化菌(NOB)活跃。在整个实验阶段，出水硝酸盐的浓度平均值仅为42mg/L，NH4-NO3转化率只有在启动阶段超过10%（12%），随后很快维持在低于5%的水平，这说明NOB菌得到有效抑制。
　　小结
　　加入热水解的厌氧消化虽然能提高沼气产率，但也会带来一些的潜在问题，例如其副产物对后续处理的抑制作用。为期22个月的研究结果显示，PHOSPAQ-ANAMMOX工艺处理消化污泥脱水产生的废液的可行性。研究过程中发现的问题和解决措施对其他侧流厌氧氨氧化系统很有参考价值。更重要的是，这套综合系统的稳定运行有望助力DeDommel水委会在2025前实现污水厂能量中和的目标。