我國是稀土儲貯及生產大國，在稀土的開采過程及開采后，往往會產生一種主要成分是無機氨氮的礦山廢水。該廢水的氨氮濃度不高，只有100 mg/L左右，但水量很大。這些山間的礦區，不少是水源的上游，容易引起水源的氨氮污染。
若采用常規的硝化反硝化，硝化段要投加大量的堿度，將廢水中的氨氮轉化為硝酸根，然后再投加大量的碳源，通過厭氧反硝化，將硝酸根轉化為氮氣而脫除。此工藝硝化時曝氣不僅需要消耗大量的電源，反硝化還需要投加大量的碳源，處理水量也比較大，給當地政府帶來較重的財政負擔。
在各種脫氮的工藝中，生化法是比較便宜的脫氮技術。而最節能低碳的生物脫氮工藝是厭氧氨氧化，如果礦山廢水采用此新工藝，電耗費用能從0.5元降到0.3元，堿度的成本也能從1元降到0.5元。這種低碳節能的處理工藝有非常好的應用前景。
對于低濃度氨氮的厭氧氨氧化處理，目前世界上成功工業化運行的實例很少，其中最困難的工藝步驟就是低濃度氨氮的穩定亞硝化。為了解決此難題，我們團隊在實驗室嘗試了不少方法。
兩年前，我們發現50mg/L的氨氮也能穩定亞硝化，且反復驗證，證明它的可靠性。其間，我們團隊在國內外學術期刊上發表了20多篇論文，申請的10多項發明專利中已有4項獲得授權。
今年，我們團隊申請了國家自然科學基金，希望開展需求牽引型的應用基礎研究，探尋低濃度氨氮的穩定亞硝化機理，從而解決這個世界難題。
我們多次從廣州前往稀土礦的重點地區江西贛州，都無功而返，因為礦山稀土氨氮廢水處理的招標工作已全部結束。但只要有點希望，我們都盡量爭取。
轉機看似偶然，實則必然。贛州當地最大的一家環保公司負責人是我大學（合肥工業大學）的校友。他邀請我去看一看他們的稀土氨氮廢水處理設施，這正是我一直尋找的將開發技術實際應用的機會。
在校友的礦山稀土廢水處理現場，我看到了三處現場中試裝置。
一處是國內某大學提供的一套MBBR（移動床生物膜反應器）的裝置，從原理上看這套裝置仍是硝化—反硝化的工藝，只不過添加了填料、膜分離，從而可以減少占地，提高一些處理效率，但并不具有大規模節省碳源節省能耗的低碳節能的效果，且裝置已處于停止運行狀態。另一處是一個集裝箱式的中試裝置，上面寫著部分亞硝化—厭氧氨氧化脫氮裝置，研發單位是國內一家知名公司的安全環保技術研究院。從技術原理上看他們的思路與我們大致相似，也想通過厭氧氨氧化這一低碳節能的新工藝來解決氨氮污染問題。由于這套裝置不讓參觀，我立即問陪同參觀的廢水處理廠經理，獲知這套中試裝置已在這里做了近兩年的試驗，好像還沒有取得最終令人滿意的結果。最后一處是一個不銹鋼反應桶裝置，反應裝置外沒有任何文字和圖形說明。
如果稀土礦山低濃度的氨氮廢水采用厭氧氨氧化的技術，一噸水能省2元左右的實際運行硬成本，對于日處理幾萬噸的大型廢水處理設施來講，還是很有吸引力的。因此，校友同意并支持我們在現場也做一套工業化驗證系統，每天日處理200噸。該工業化驗證系統成功運行后，它的運行成本、處理效果，以及工藝的可靠性、運行的穩定性都可得到全面的考核和驗證，為日后萬噸級、數萬噸級的大規模工程化打下堅實的基礎。
這低濃度氨氮的厭氧氨氧化工程化驗證項目特別值得重視。我們集中力量完成了紡織行業液氨絲光廢水的高濃度氨氮厭氧氨氧化處理工程，且在進水氨氮濃度在1000～6000 mg/L的濃度范圍，該處理設施在不投加碳源的條件下，可以成功地將氨氮脫除95%以上。工程上使用了自動控制系統，能根據廢水的濃度對處理系統自動調整，且具有可遠程通過手機監控系統的運行狀態等不少可圈可點的地方，但從技術上來講，歐洲在20年前就完成了類似的高濃度氨氮廢水的厭氧氨氧化工程化應用。
我們團隊雖然也改造了兩套垃圾滲濾液的生化系統，使用厭氧氨氧化技術大幅降低垃圾滲濾液生化脫氮的處理成本，但這方法在歐洲已得到大規模工程化應用。學生告訴我，北歐的不少垃圾滲濾液處理，就是采用厭氧氨氧化脫氮，所以我們也沒有什么值得驕傲的地方。
值得一提的是，這低濃度氨氮的稀土采礦廢水則不同，它的處理方法是基于我們首次發現的低濃度氨氮的穩定亞硝化。從已發表的關于低濃度氨氮的厭氧氨氧化的研究報告來看，大多是中試或工程失敗的原因分析，其核心的問題仍是無法穩定亞硝化，即形成的亞硝酸根很容易氧化為硝酸根，而讓系統無法長期穩定運行。
若我們建設的工程驗證化項目，能將這低濃度氨氮廢水通過低碳節能的方式穩定處理運行，則理論上不僅是我們最先發現，工程應用上我們也是在世界上首次得到大規模工程化應用，其意義是重大的。
國家自然科學基金結果公布在即，我當然想著“雙喜臨門”，既拿到“國基”，工程化驗證項目又能達到預期的處理效果。若只能有一喜，我更希望工程化驗證項目獲得成功，因為工程化驗證項目是新技術能不能真正推廣應用的關鍵，其成果將為低濃度無機氨氮廢水處理領域的碳達峰和碳中和作出貢獻。
來源：《中國科學報》
