“碳達(dá)峰、碳中和”背景下低碳污水處理綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與教學(xué)應(yīng)用

李 祥，袁 硯，吳建華，劉 峰，潘 楊

（1.蘇州科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 江蘇 蘇州 215009；2.蘇州科技大學(xué)環(huán)境生物技術(shù)研究所 江蘇 蘇州 215009）

隨著國(guó)家“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的提出，各行各業(yè)都在開(kāi)展節(jié)能減排行動(dòng)。工業(yè)廢水處理作為諸多生產(chǎn)行業(yè)的最后一道工序，對(duì)“青山綠水”的生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要的意義[1]。因此，在污水處理過(guò)程中，選擇使用一些低碳、環(huán)保、高效的污水處理新技術(shù)，可降低處理工藝的能耗和物耗，對(duì)“碳減排”和企業(yè)運(yùn)行成本降低具有雙收益作用[2]。

水污染控制工程是環(huán)境工程專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，是培養(yǎng)污水處理專業(yè)人才的必修環(huán)節(jié)。該課程的實(shí)驗(yàn)課時(shí)在水污染控制工程中占據(jù)較大的比重，是學(xué)生將理論轉(zhuǎn)化為實(shí)踐，鞏固專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，強(qiáng)化動(dòng)手能力和實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)的重要橋梁[3，4]。然而現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)課程更多的是基于傳統(tǒng)理論知識(shí)設(shè)立的基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，難以體現(xiàn)學(xué)生的創(chuàng)新能力和對(duì)前沿?zé)狳c(diǎn)的追求。因此，在強(qiáng)化現(xiàn)有污水處理基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課的同時(shí)，結(jié)合學(xué)校教師現(xiàn)有的相關(guān)科研成果，合理開(kāi)展綜合實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)，對(duì)拓展學(xué)生的污水處理前沿知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)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(rèn)為是污水處理工藝中最經(jīng)濟(jì)的氮處理方法。基于傳統(tǒng)的硝化反硝化原理，開(kāi)發(fā)了A/O、氧化溝等諸多污水處理工藝，并被廣泛應(yīng)用于世界各地的污水處理廠[7]。然而該過(guò)程需要在好氧環(huán)境下將氨全部轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，然后在厭氧環(huán)境下利用有機(jī)物將硝酸鹽轉(zhuǎn)化為N2。很多工業(yè)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(jī)物，同時(shí)處理過(guò)程還涉及硝化液回流、污泥回流等機(jī)械設(shè)備及電耗，經(jīng)濟(jì)性難以進(jìn)一步降低[8]。近年來(lái)，基于厭氧氨氧化的自養(yǎng)生物脫氮耦合工藝在處理此類廢水時(shí)因無(wú)須有機(jī)物，能耗低及效能高受而到廣泛關(guān)注，并被認(rèn)為是21世紀(jì)生物脫氮的方向[2，9]。蘇州科技大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱“本?！保┰诖祟I(lǐng)域也進(jìn)行了近20年的基礎(chǔ)研究和技術(shù)開(kāi)發(fā)，并將其應(yīng)用于垃圾滲濾液等高氨廢水的工業(yè)化處理[10，11]。

為此，本校在水污染控制工程的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，以“降碳增效”為目標(biāo)構(gòu)建污水處理的綜合實(shí)驗(yàn)。目的是讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)原理的學(xué)習(xí)、裝備運(yùn)行和數(shù)據(jù)分析，增強(qiáng)對(duì)新知識(shí)的求知欲，強(qiáng)化低碳污水處理認(rèn)識(shí)，激發(fā)其科研創(chuàng)新的興趣。同時(shí)通過(guò)對(duì)比分析，進(jìn)一步鞏固對(duì)已有污水知識(shí)的理解。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理與系統(tǒng)構(gòu)建

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

傳統(tǒng)的生物脫氮原理是通過(guò)硝化反硝化過(guò)程實(shí)現(xiàn)脫氮（圖1），即在好氧的環(huán)境下硝化菌利用氧將氨經(jīng)亞硝酸鹽最終氧化為硝酸鹽，然后在厭氧的環(huán)境下反硝化菌利用有機(jī)物將硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氮?dú)?。為充分利用原水中的有機(jī)碳源，需要將厭氧反硝化前置并增設(shè)硝化液回流泵。整個(gè)脫氮過(guò)程需要大量物耗和能耗。近年來(lái)，一種不依賴有機(jī)物脫氮的厭氧氨氧化耦合工藝逐步受到關(guān)注，并在諸多高氨廢水中開(kāi)展應(yīng)用。所謂厭氧氨氧化就是指在厭氧環(huán)境下厭氧氨氧化菌將氨氮和亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氮?dú)獾倪^(guò)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(zhuǎn)化至亞硝酸鹽水平即可，可降低脫氮過(guò)程60%的曝氣量，降低100%有機(jī)物需求，同時(shí)還降低60%的污泥產(chǎn)量。厭氧氨氧化過(guò)程會(huì)產(chǎn)生10%的硝酸鹽，因此處理高濃度廢水會(huì)導(dǎo)致出水高硝酸鹽濃度。為了滿足出水總氮達(dá)標(biāo)排放，還耦合硫自養(yǎng)反硝化實(shí)現(xiàn)硝酸鹽的深度處理（計(jì)量式1）[12]。

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建和創(chuàng)新性

為了使得系統(tǒng)高效穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)體現(xiàn)低碳特征、創(chuàng)新理念，實(shí)驗(yàn)中采用了多年開(kāi)發(fā)的氣升回流一體化裝置（專利號(hào)：ZL2016110708699）耦合部分亞硝化-厭氧氨氧化[13]，同時(shí)串聯(lián)硫自養(yǎng)反硝化濾池（專利號(hào)：CN201810663009.9）強(qiáng)化硝酸鹽的深度處理[14]。該系統(tǒng)分別由原水箱、好氧池、厭氧池，沉淀池、氣升回流系統(tǒng)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(nèi)添加成熟的亞硝化移動(dòng)膜，配有曝氣系統(tǒng)。厭氧池有效體積10L，接種厭氧氨氧化污泥，內(nèi)置固定纖維填料，配有攪拌轉(zhuǎn)裝置。濾池體積為20L，接種普通活性污泥，內(nèi)置固體硫顆粒和石灰石作為填料。該耦合系統(tǒng)在無(wú)須有機(jī)物的環(huán)境下處理廢水中氨氮。同時(shí)利用好氧區(qū)曝氣的尾氣作為動(dòng)力，構(gòu)建氣升回流系統(tǒng)，在無(wú)須機(jī)械設(shè)備的環(huán)境下，將厭氧池液體回流到好氧池，回流比200%，節(jié)省回流泵的設(shè)備購(gòu)置、維修和電耗。實(shí)驗(yàn)進(jìn)水采用連續(xù)流，由蠕動(dòng)泵控制流量。

1.3 系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

系統(tǒng)水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測(cè)依據(jù)《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法（第四版）》[15]。氨氮測(cè)定采用納氏試劑分光光度法；亞硝酸鹽和硝酸鹽測(cè)定采用離子色譜法；溶解氧測(cè)定采用便攜式溶解氧儀。

2 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果

自養(yǎng)生物脫氮系統(tǒng)的各個(gè)單元氮素轉(zhuǎn)化如圖3所示。在進(jìn)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(jīng)過(guò)30d的運(yùn)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(xù)厭氧池的厭氧氨氧化對(duì)進(jìn)水水質(zhì)的要求。出水硝酸鹽濃度基本小于10mg/L，說(shuō)明亞硝化系統(tǒng)很穩(wěn)定，硝化菌被有效抑制。經(jīng)過(guò)30d的運(yùn)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(shuō)明厭氧氨氧化具有較好的脫氮效能。硫自養(yǎng)反硝化濾池對(duì)硝酸鹽進(jìn)行了深度處理，最終下降到3mg/L以內(nèi)。同時(shí)，出水氨氮和亞硝酸鹽也獲得進(jìn)一步下降，推測(cè)部分厭氧氨氧化菌流失到反硝化濾池。

整體而言，在無(wú)須有機(jī)物的環(huán)境下，該自養(yǎng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了氨氮的高效去除，去除率達(dá)到97%以上，出水氨氮和總氮達(dá)到城市污水廠的納管排放標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)總氮去除速率達(dá)到0.39kg/(m3·d)，顯著高于現(xiàn)有硝化反硝化處理工藝的脫氮能力。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

以往的實(shí)驗(yàn)課程很少注重實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，主要是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)內(nèi)容單一，僅以單個(gè)原理進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能夠很快地模擬出正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并且課程的每個(gè)實(shí)驗(yàn)之間呈現(xiàn)平行狀態(tài)，沒(méi)有上下銜接，無(wú)法進(jìn)行深入分析。而本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是多原理耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，并且在設(shè)置方面具有明顯的上下銜接關(guān)系，具有牽一發(fā)而動(dòng)全身的特點(diǎn)（圖4）。例如亞硝化不穩(wěn)定，必然導(dǎo)致出水氨氮和亞硝酸鹽不匹配，必導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)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(huì)產(chǎn)生毒性物質(zhì)（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(yǎng)反硝化系統(tǒng)微生物。再例如亞硝化需要溶解氧環(huán)境進(jìn)行亞硝化生產(chǎn)，而厭氧氨氧化需要厭氧環(huán)境進(jìn)行脫氮，如果亞硝化過(guò)程的溶解氧過(guò)高，也將會(huì)對(duì)后續(xù)的厭氧氨氧化過(guò)程產(chǎn)生氧的抑制。綜上所述，系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行需要探索適宜的控制參數(shù)，某一單元參數(shù)不適宜將會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。通過(guò)上述綜合實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行，學(xué)生會(huì)新奇地發(fā)現(xiàn)，在無(wú)須有機(jī)物的環(huán)境下，廢水中氨氮出現(xiàn)快速地去除。但是如何實(shí)現(xiàn)氨氮穩(wěn)定并且高效地去除需要學(xué)生對(duì)理論進(jìn)行理解，擁有較強(qiáng)的動(dòng)手能力和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕鉀Q問(wèn)題的邏輯思維能力。通過(guò)脫氮理論、工藝構(gòu)建及運(yùn)行數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，學(xué)生會(huì)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)該全程自養(yǎng)脫氮工藝還具有脫氮效能高，設(shè)備少、能耗低和碳源需求低的特點(diǎn)。這與現(xiàn)有認(rèn)知的硝化反硝化原理存在較大的差異，有助于學(xué)生對(duì)傳統(tǒng)脫氮工藝和現(xiàn)有脫氮工藝進(jìn)行對(duì)比分析，強(qiáng)化其對(duì)知識(shí)的理解和記憶。因此，綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析對(duì)提升學(xué)生綜合實(shí)驗(yàn)的效果具有重要的作用。

3 教學(xué)考核方式

傳統(tǒng)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)更多的是教師對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的講解與演示，然后要求學(xué)生能夠重現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，最后教師依據(jù)學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)重現(xiàn)的效果好壞直接對(duì)其理解能力和動(dòng)手能力進(jìn)行評(píng)分。該過(guò)程內(nèi)容單一、難度低、標(biāo)準(zhǔn)清晰，難以突出學(xué)生思考的過(guò)程，即學(xué)生難以獲得創(chuàng)新的能力和突破現(xiàn)有知識(shí)面的欲望[3,16]。本綜合實(shí)驗(yàn)通過(guò)回答問(wèn)題的形式要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)之前對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行預(yù)習(xí)，通過(guò)文獻(xiàn)查閱了解實(shí)驗(yàn)過(guò)程參數(shù)控制及其變化對(duì)微生物的影響；在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，要求學(xué)生重視每一個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化，強(qiáng)調(diào)如何通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)解讀微觀環(huán)境中功能微生物的生活狀態(tài)，理解內(nèi)在的科學(xué)含義。提倡進(jìn)行不同工藝參數(shù)的優(yōu)化，敢于失敗。但需要對(duì)失敗的問(wèn)題進(jìn)行科學(xué)的分析，找出失敗的原因。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后要求學(xué)生科學(xué)合理地書(shū)寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告，不單以實(shí)驗(yàn)效果評(píng)定成績(jī)。無(wú)論實(shí)驗(yàn)結(jié)果好壞，均要求每個(gè)學(xué)生通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，科學(xué)合理地解析實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的不同現(xiàn)象和原因，突出解決問(wèn)題的邏輯思維能力和表達(dá)能力。這可以避免整個(gè)班級(jí)實(shí)驗(yàn)報(bào)告千篇一律的抄襲。實(shí)驗(yàn)成績(jī)的最終給定分為三部分：基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)要求（30%）+實(shí)驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果（30%）+實(shí)驗(yàn)報(bào)告（40%）。本綜合實(shí)驗(yàn)的考核不僅體現(xiàn)在學(xué)生要有較強(qiáng)的理論基礎(chǔ)知識(shí)、較強(qiáng)的動(dòng)手能力對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建和維護(hù)，還需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬎季S對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)分析，是通過(guò)一定周期性考核的結(jié)果，能夠客觀地評(píng)價(jià)每個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

4 結(jié)語(yǔ)

基于部分亞硝化-厭氧氨氧化-硫自養(yǎng)反硝化耦合工藝的構(gòu)建和運(yùn)行，可彌補(bǔ)水污染控制工程的實(shí)驗(yàn)課缺乏創(chuàng)新性的短板，使學(xué)生對(duì)廢水低碳處理的理解走上一個(gè)新的臺(tái)階，實(shí)現(xiàn)多層次人才培養(yǎng)，激發(fā)了學(xué)生對(duì)科研興趣和進(jìn)一步深造的信心，使本科畢業(yè)走上污水處理工藝崗位的學(xué)生樹(shù)立低碳污水處理理念，對(duì)未來(lái)污水處理人才的培養(yǎng)具有重要的意義。