我國是稀土儲貯及生產(chǎn)大國，在稀土的開采過程及開采后，往往會產(chǎn)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(qū)，不少是水源的上游，容易引起水源的氨氮污染。
若采用常規(guī)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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?shù)卣畮磔^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(shù)。而最節(jié)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(jié)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(yè)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(wěn)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(fā)現(xiàn)50mg/L的氨氮也能穩(wěn)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(nèi)外學術(shù)期刊上發(fā)表了20多篇論文，申請的10多項發(fā)明專利中已有4項獲得授權(quán)。
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(chǔ)研究，探尋低濃度氨氮的穩(wěn)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(qū)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(jié)束。但只要有點希望，我們都盡量爭取。
轉(zhuǎn)機看似偶然，實則必然。贛州當?shù)刈畲蟮囊患噎h(huán)保公司負責人是我大學（合肥工業(yè)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(shè)施，這正是我一直尋找的將開發(fā)技術(shù)實際應用的機會。
在校友的礦山稀土廢水處理現(xiàn)場，我看到了三處現(xiàn)場中試裝置。
一處是國內(nèi)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(guī)模節(jié)省碳源節(jié)省能耗的低碳節(jié)能的效果，且裝置已處于停止運行狀態(tài)。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(fā)單位是國內(nèi)一家知名公司的安全環(huán)保技術(shù)研究院。從技術(shù)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(jié)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(jīng)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(jié)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(shù)，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(shè)施來講，還是很有吸引力的。因此，校友同意并支持我們在現(xiàn)場也做一套工業(yè)化驗證系統(tǒng)，每天日處理200噸。該工業(yè)化驗證系統(tǒng)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(wěn)定性都可得到全面的考核和驗證，為日后萬噸級、數(shù)萬噸級的大規(guī)模工程化打下堅實的基礎(chǔ)。
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(yè)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(shè)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(tǒng)，能根據(jù)廢水的濃度對處理系統(tǒng)自動調(diào)整，且具有可遠程通過手機監(jiān)控系統(tǒng)的運行狀態(tài)等不少可圈可點的地方，但從技術(shù)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(tǒng)，使用厭氧氨氧化技術(shù)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(guī)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(fā)現(xiàn)的低濃度氨氮的穩(wěn)定亞硝化。從已發(fā)表的關(guān)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(wěn)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(tǒng)無法長期穩(wěn)定運行。
若我們建設(shè)的工程驗證化項目，能將這低濃度氨氮廢水通過低碳節(jié)能的方式穩(wěn)定處理運行，則理論上不僅是我們最先發(fā)現(xiàn)，工程應用上我們也是在世界上首次得到大規(guī)模工程化應用，其意義是重大的。
國家自然科學基金結(jié)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(shù)能不能真正推廣應用的關(guān)鍵，其成果將為低濃度無機氨氮廢水處理領(lǐng)域的碳達峰和碳中和作出貢獻。
來源：《中國科學報》
