氮磷回收與資源化系統
厭氧發酵系統
經過“九五”“十五”“十一五”期間的不懈努力，遼河流域水污染得到有效控制，水質得到一定改善。“十一五”期間遼河流域水環境治理過程中，由于加強了對化學需氧量（COD）的污染控制，2009年流域斷面COD達標率首次達到100%。但是，流域近6年的斷面氨氮達標率在15.4%～48.1%之間波動，嚴重影響了河流和飲用水水源地的水環境質量。
是什么原因造成了遼河流域水環境質量改變？又該如何破局？“水體污染控制與治理科技重大專項”（以下簡稱“水專項”）的重點課題之一，由東北大學牽頭，大連理工大學、中國環境科學研究院、遼寧省環境科學研究院和北京農業大學共同參與完成的遼河流域氨氮污染控制關鍵技術與示范（2013ZX07202-010）項目（課題）尋找到了答案。
遼河流域水質為何會波動？
課題組經過調研分析發現，遼河流域存在氨氮排放總量超出環境承載力、缺乏高氨氮工業廢水治理技術和有效的低碳氮比廢水脫氮技術、農業面源氨氮源頭污染控制薄弱、氨氮污染仍然嚴重等問題，導致水環境質量難以改善。
針對這些問題，課題開展了遼河流域氨氮污染控制與治理關鍵技術研究與工程示范，形成了遼河流域氨氮污染特征及控制方案、典型行業高濃度氨氮廢水低耗高效氨氮削減技術、低碳氮比污水生物與電化學脫氮技術、畜禽養殖廢水氨氮削減及糞污資源化技術及農村生活面源氨氮污染全過程控制等適用于遼河流域重點行業、生活源、面源氨氮污染治理與控制的成套技術。
課題組經過4年的研發，研制出一套寒冷地區污水處理廠無需外加碳源的脫氮升級改造成套技術（處理后出水氨氮濃度可達到5mg/L以下）以及兩套石化等典型重污染行業高氨氮廢水污染負荷削減短程硝化——反硝化、厭氧氨氧化整裝成套技術（出水氨氮濃度達到8mg/L以下，TN<15mg/L）兩項標志性研究成果。搭建了厭氧氨氧化種泥基地、厭氧氨氧化快速啟動驗證平臺、新型生物脫氮技術實驗驗證平臺。建成撫順礦業集團有限公司頁巖煉油廠干餾污水廠、撫順石化公司2501污水處理單元改造工程、遼中縣污水生態處理廠脫氮升級改造工程、老虎沖生活垃圾衛生填埋場滲瀝液處理擴建和畜禽養殖廢水氨氮削減及糞污資源化處理工程等5項示范工程，為遼河流域石化等企業推廣高氨氮工業廢水的脫氮新技術和遼河流域小規模城鎮污水處理廠提標改造提供技術保障和支撐，直接為蒲河斷面水質改善、達標做出貢獻。
截至2016年12月，課題組已經完成課題總體指標，申請國家發明專利19項，獲得國家發明專利授權9項。
揭示未來水環境發展趨勢 指導污染治理工程實踐
遼河流域氨氮污染控制與治理方案是課題組的成果之一。
課題在開展遼河流域氨氮污染特征與規律研究基礎上，進行了遼河流域城鎮污水處理廠脫氮問題診斷及技術評估。構建了基于系統動力學模型的鐵嶺市、沈陽市和撫順市水環境模擬與環境容量分配。
研究結果顯示：撫順市的地表水COD水環境容量可以容納當前的社會經濟發展對于COD排放空間的需求，撫順市地表水氨氮環境容量無法支撐社會經濟發展的氨氮排放，氨氮水環境狀態呈現出較差的狀態；鐵嶺市地表水COD環境容量是能夠承載社會經濟發展的，模擬期的后期，COD環境容量逐漸被工業生產擴大以及生活排放COD所消耗，COD環境容量的消耗是不可持續的。氨氮環境容量主要被非點源污染所消耗，無法承載社會經濟發展產生的氨氮排放量，并且其生產排放的趨勢逐漸上升，對于鐵嶺市氨氮水環境狀況構成了嚴峻的挑戰；沈陽市地表水COD容量能夠支持沈陽市的社會經濟發展，但水環境容量逐漸被社會經濟發展所消耗，目前發展模式不可持續。沈陽市的氨氮環境容量尚可以支持沈陽市的社會經濟發展，社會經濟發展排放的氨氮量與氨氮的水環境容量接近。
遼河流域水環境模擬及環境容量計算可以揭示典型城市水環境系統與人口、經濟、工農業發展以及氨氮污染排放等子系統的響應關系，揭示未來水環境發展趨勢，因此可用于指導遼河氨氮控制的技術研發和污染治理工程實踐。
低耗高效處理典型行業高濃度氨氮廢水
課題組研發的典型行業高濃度氨氮廢水低耗高效氨氮削減技術，成功進行了工程示范，為實現工業點源氨氮污染負荷削減，河流水質改善提供技術支撐。
課題研發的厭氧氨氧化菌種的快速培養、儲存、保養和活性恢復技術，采用循環生物氣曝氣厭氧氨氧化膜生物反應器進行厭氧氨氧化菌的快速培養，低溫條件下（4℃）添加氧化石墨烯進行厭氧氨氧化菌儲存，并添加電氣石提高厭氧氨氧化菌活性。
高濃度氨氮廢水自養生物脫氮技術研究以典型高氨氮工業廢水營養物大幅度削減為目標，構建無需外加碳源、低碳節能的自養脫氮技術體系。當系統進水水力負荷為0.01-0.024m3/h，水力循環比為50%~100％，NH4+-N∶NO2--N∶NO3--N的化學計量轉化系數為，1∶1.26∶0.21，總氮進水負荷為0.1-0.5kg-N/m3/d，去除負荷為0.35kg-N/m3/d。
Canon工藝是廢水處理中經濟高效的可選方案，是完全自養型的，所以無需投加有機物。另外，在一個單獨的反應器中利用少量曝氣，可實現88％氮的去除。這項自養工藝比傳統脫氮工藝節省63％的氧和100％的外加碳源。
針對油頁巖干餾廢水氨氮濃度高、碳氮比低的問題，課題研發了高濃度氨氮工業廢水短程硝化反硝化脫氮技術，構建了油頁巖干餾廢水的SDN-A/O-MBR短程硝化反硝化成套技術體系,并應用于撫順礦業集團有限責任公司頁巖煉油廠干餾污水處理廠工程中。第三方評估單位連續6個月的監測數據表明，污水處理廠總出水口氨氮<5mg/L，COD<60mg/L，出水達到一級A標準。
以油頁巖干餾廢水為處理對象，研究低溫和低碳氮比條件下A/O-MBR耦合低電壓電凝聚技術的處理效果，考察了各工藝參數對亞硝酸鹽氮積累效果的影響。研究結果表明： ECMMBBR體系中的污泥濃度及MLVSS/MLSS均高于MMBR。其SVI也優于普通MMBR中。各溫度下ECMMBR的污泥混合液硝化速率和反硝化速率總體亦高于MMBR。
利用鐵陽極電凝聚提高高濃度氨氮工業廢水脫氮效果，改善難降解有機物的可生化性，是課題的主要創新之一。
電化學強化A/O-MBR工藝（ECMMBR）進行生物脫氮，可以提高低溫條件下污泥的活性和脫氮能力，改善污泥性能。解決低溫條件下污水處理廠處理效率低，保證東北寒冷地區冬季工業及城鎮污水處理廠的穩定運行；在此基礎上開發了電凝聚膜生物反應器技術和分段進水多級A/O處理油頁巖干餾廢水技術，形成了電凝聚強化油頁巖干餾廢水生物脫氨技術。
課題組開發了“臭氧催化氧化耦合BAF同步硝化反硝化工藝技術”，并在撫順石化公司2501污水處理單元改造工程中進行示范，取得較好的處理效果。
通過投加自主研發的催化劑，其表面積較大的催化劑可對有機物進行選擇吸附性，使易分解的羥基自由基在催化劑表面與有機物發生原位氧化反應，從而提高降解效率。研究結果表明：經過非均相臭氧催化氧化小試實驗（HRT為1 h），石化污水COD可從平均90 mg/L降至38.5 mg/L，去除率可達55.8%，而單獨臭氧氧化去除率只有15%。非均相臭氧催化氧化工藝出水經過曝氣生物濾池后NH4+-N去除效果較為明顯。曝氣生物濾池運行穩定后，NH4+-N去除率穩定在50%以上，出水NH4+-N穩定在6-10 mg/L。非均相臭氧催化氧化工藝出水經過曝氣生物濾池后TN去除效果較為明顯。曝氣生物濾池運行穩定后，TN去除率穩定在40%-50%之間，出水TN穩定在10-15 mg/L。
撫順大乙烯廠采用課題組研發的關鍵技術“臭氧催化氧化耦合BAF同步硝化反硝化技術”對原有工藝進行改造。目前，進水量按照設計負荷運行，關鍵技術“臭氧催化氧化耦合BAF同步硝化反硝化技術”運轉正常，效果良好，污水處理站出水NH4+-N小于10mg/L，出水達標。
解決低碳氮比污水處理難題
課題組開展低碳氮比污水生物與電化學高效脫氮技術的研究，構建低碳條件下高效脫氮的生物脫氮技術體系，并形成示范工程，為低碳氮比污水處理提供技術支撐。
針對難降解低碳氮比垃圾滲瀝液氨氮與總氮去除困難的問題，課題組提出并研發了兩級A/O—MBR反應器—UF /RO膜分離的“生化處理+膜處理”耦合處理技術，并進行工程示范。這項集成工藝技術不但提高了整體工藝的去除效率，而且可以減少工藝占地和水力停留時間，對于處理高有機濃度、低碳氮比的垃圾滲濾液具有較強的適用性和應用前景。
這個集成工藝中的“兩級A/O-MBR反應器—UF/RO膜分離”耦合工藝中，兩級A/O-MBR系統，HRT=7d，進水COD7000-9000mg/L、氨氮2000-2400mg/L、總氮2100-2500mg/L條件下，COD、氨氮及TN去除率可分別達到80％、99％和70％以上，出水COD<1500mg/L、氨氮<18mg/L、TN<680mg/L，經NF/RO膜分離后出水可滿足《遼寧省污水綜合排放標準》（DB21/1627-2008）要求。經沈陽市老虎沖垃圾填埋場滲濾液處理二期工程示范應用，第三方檢測分析表明出水COD<50mg/L、NH3-N<0.5mg/L、TN<10mg/L、TP<0.1mg/L。
這項集成工藝技術中膜分離濃水回灌原位反硝化單元可節約垃圾填埋場滲濾液膜分離處理過程中濃水的處理成本。經測算，這項技術應用于示范工程可實現遼河流域減排COD 580噸/年、氨氮73噸/年、總氮110噸/年。這項技術支撐了遼河流域氨氮治理共性技術平臺的建立和示范區域“十二五”氨氮污染物的控源減排，為改善水環境質量提供創新治理模式和管理決策提供科學依據。
課題組研發出無需外加碳源和低能耗的“人工增菌強化脫氮技術”，實現了脫氮微生物高效原位富集和馴化，通過菌種與活性污泥復配形成可以廣泛應用的高效脫氮微生物人工強化種泥（即人工構建的穩定高效脫氮菌群），在污水處理廠的生化處理單元內投加使用，大幅提升生化系統脫氮性能。現已應用于遼中縣污水生態處理廠脫氮升級改造工程。
實驗結果顯示，增菌后，出水水質穩定且COD和NH4+-N濃度分別低于50mg/L和5mg/L，達到一級A標準。微生物群落結構分析顯示，生物強化不僅使污泥中硝化菌（Nitrospira和Nitrosomonas）含量增加，同時能夠改善污泥膨脹狀況（Haliscomenobacter含量明顯降低）。目前，示范工程運行穩定，第三方評估單位開展連續6個月的監測結果顯示，處理規模為20000 m3/d，出水氨氮由20-18mg/L降至5mg/L以下，出水穩定在一級A標準。
課題組對污水處理廠初沉污泥和剩余污泥的基本性質進行了全面分析，提出將污泥破解液與水解酸化液作為反硝化碳源技術，建立了高壓均質污泥破解技術和污泥水解酸化技術。這項技術獲得的污水破解—水解酸化液可以替代常用外加反硝化碳源的可行性、穩定性、高效性，確定了相應的污水處理參數，建立了完整的污泥破解液與水解酸化液作為反硝化碳源技術。低碳氮比污水在污泥破解—水解酸化液作為反硝化碳源條件下，出水可以滿足城鎮污水處理廠一級A排放標準。目前，這項技術已申請兩項國家發明專利。
實現畜禽養殖糞污資源化利用
針對畜禽養殖廢水氨氮排放量大、缺乏糞污回收利用技術的問題,課題組構建了畜禽養殖廢水氨氮削減及糞污資源化技術體系，同時建立畜禽養殖廢水氮磷削減與糞污處理示范工程，有效解決了在畜禽養殖糞污治理過程中后續廢水處理的難題。
課題組研發的畜禽養殖廢水ABR-MABR耦合處理技術具有同一反應器內產酸、產甲烷、硝化和反硝化的多相分離特征，不僅避免了不同生化過程中相互競爭和抑制現象的產生，而且充分發揮了不同微生物種群之間的協同互生作用，實現單一反應器處理中高濃度有機含氮廢水的同時去碳脫氮功效。
據介紹，ABR-MABR對COD去除效果良好（大于89%），氨氮去除效果優于單獨ABR處理，穩定運行期間氨氮去除率均為78.08%；適當增加曝氣量及反應器格室數量、控制溫度為32±1℃更有利于氮素污染物的去除。電鏡掃描及PCR-DGGE技術研究結果表明，耦合反應器中存在大量厭氧菌，同時還有硝化菌Uncultured Nitrospira sp.以及專性好氧菌Uncultured Arthrobacter sp.的存在，耦合反應器中微生物含量及豐富度均優于ABR。
課題組對鳥糞石技術及反滲透膜技術進行耦合，確定鳥糞石最優運行條件藥劑投加比為n(N)/n(P)/n(Mg)為1/0.9/0.9，鳥糞石產率為14.6kg/t；經優化后該技術鳥糞石單元出水氨氮濃度為130.35mg/L，經反滲透膜濃縮系統進一步處理后，整個系統出水的氨氮濃度可降至為7.47mg/L，氨氮去除率均值達94.27%。
課題組將研發的“畜禽養殖廢水回收鳥糞石及資源化技術”應用于遼中縣茨榆坨鎮太平村畜禽養殖廢水氨氮削減及糞污資源化處理工程，對原有農村環境連片整治項目進行技術改造，改造后日處理養殖廢水200噸/天，沼液回流比可提升至70%。
依據第三方檢測機構連續6個月監測結果顯示，出水水質穩定，氨氮指標在6.57-7.55mg/L之間，氨氮排放負荷從進水到出水削減90%以上。示范工程年削減氨氮 30噸/年，削減化學需氧量 99噸/年，環境效益顯著。這項工藝處理成本為16.5元/噸，處理1噸沼液回收的鳥糞石約為14kg，收益為11.26元/噸。
建立農村生活面源氨氮高效處理集成技術體系
課題組構建了農村生活面源氨氮污染全過程控制技術體系，包括高效生物移動床—地下滲濾系統脫氮集成技術、BAF強化人工濕地污水處理系統和方法、鄉鎮生活污水高效藻類塘處理技術等。上述技術體系非常適用于經濟相對落后、缺乏環保專業人員，沒有完善污水管網系統的地區和鄉鎮的生活污水處理。
高效生物移動床—地下滲濾系統脫氮技術集成，構建了農村生活面源氨氮高效生物移動床—地下滲濾系統脫氮集成技術體系。系統連續運行6個月，出水中氨氮、總磷的濃度未檢出，COD濃度小于45mg/L，并且有較強的抗負荷沖擊能力。
利用高效藻類塘小試裝置對模擬及實際農村生活污水進行處理，通過調節藻類接種量、曝氣量/攪拌速度、溫度和光照強度等條件，當進水NH4+-N為20mg/L，藻類塘對污水中NH4+-N的去除率高達93%以上。
針對某縣區生活污水處理廠出水氨氮未達標的情況，課題組利用藻類塘中試裝置對二沉池出水進行深度處理。運行時間從2016年4月7日~11月6日，歷時7個月。研究結果表明，高效藻類塘對污水中污染物尤其是NH4+-N降解效果很好，盡管進水污染物濃度有一定程度的波動，但藻類塘對水中污染物的處理效果穩定且一直較好，每個周期出水中NH4+-N、TP和COD的濃度都達到了《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級A標準，出水NH4+-N 濃度均小于 5 mg/L。
課題研發了BAF強化人工濕地污水處理系統和方法。小試研究結果表明：BAF強化人工濕地出水COD基本在40mg/L以下，去除率達到60%以上。當進水為1m3/h、充足曝氣情況下，出水氨氮在2mg/L以下，去除率能夠達到97%左右，對TN的去除率能夠達到60 %左右，對TP的去除率最高可達到 60 %；當進水為2m3/h，且充足曝氣的情況下，對氨氮的去除率能達到40%以上。
