Nitrification and Me：一个瑞士教授眼中的硝化演变史 (上)

关于Willi Gujer教授

　　1946年1月6日，Willi Gujer教授出生于瑞士Rümlang。在苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)大学毕业后，他先到企业工作了一段时间，随后就去美国攻读博士，并于1974获得了UC Berkeley的环境工程博士学位，其导师是著名的David Jenkins教授。博士毕业之后，他就回到瑞士联邦水科学技术研究院(EAWAG)任职，并在1976~1994年期间负责工程科学部的管理工作。

　　他的研究重点是污水的生物处理，尤其是数学建模方面的研究。他在活性污泥一号模型（ASM1）的建立中做了很多具体的工作，包括很多动力学参数测定方法的建立。他从1992年开始担任EAWAG流体力学与水资源管理系城市水管理方向的教授，目前是ETH土木、环境与地理工程系的荣誉教授，同时仍负责研究生项目中城市水管理和水污染控制的研究。

　　上图是Gujer教授在DTU丹麦技术大学授课的珍贵视频截图。Gujer教授在幻灯片里说“污水处理是一个没有结局的故事”：他将污水处理的工艺发展和时间轴巧妙地结合到一起，形象地展示了污水处理的发展史。这也说明了随着大家对污水处理的认识的加深，营养物的处理日益受到行业的重视。另外他作为ASM模型的重要贡献者，脱氮除磷也是模型的核心组成部分。

硝化研究受重视的原因

　　在这篇综合文章的标题和概述中，Gujer教授都很谦逊地强调这是他个人几十年主观经验的总结。但在拜读完此文后，可以说这是污水界截止到2010年的脱氮处理发展史。在此综述里，Gujer教授向我们展示了生物硝化处理工艺是如何一步一步成为如今各种污水处理工艺模型（活性污泥、生物膜反应器）以及河流自净作用的重要基础。他说微生物基因遗传技术时代到来之前，硝化作用是环境工程研究中被研究最多的微生物过程，而研究内容大致可以分为两方面：

　　1.从出水水质要求出发，为了实现可靠的生物脱氮表现和了解受纳水体中氮的转化，我们需要研究相关的工程信息，以全面利用硝化过程来实现水污染控制；

　　2.从加深对微生物的认知需求出发，用硝化过程，甚至说氨循环中复杂的反应矩阵，来追踪混合种群中特定微生物的行为和表现。这里硝化作用是判断在各种环境条件下生长的微生物的种类及行为的代理指标（proxy）。

　　这两个方面的研究在过去几十年里不断演变，还反过来影响Gujer教授自身的研究以及他对污水生物处理的认知。在展开论述之前，他又一次强调者此文更多的是一些个人观点的整理：“不要期待这篇综述如何细致、详尽以及纵深结合地探讨硝化作用”。尽管如此，他还是洋洋洒洒写了19页，所以我们将分两期微信介绍这篇综述文章，但受篇幅所限，也仅仅能对文中要点作梗概介绍，想知道更多详情的读者可以下载全文来阅读。

硝化反应—改变行业规范的催化剂

　　在20世纪初期，基于生物处理的污水处理厂的基础主要是HRT、水力负荷和有机负荷F/M等经验参数。在20世纪50年代中期开始，受到化学工程师的影响，卫生工程师开始用系统分析方法来运营污水厂，引入了物料平衡、物质转化过程和速率、动力学和化学计量等新的研究基础。这是一次行业规范的转变，并打通和改善了污水工程师和科学家之间的沟通之门。

　　硝化反应就是一个易于辨识的转化过程，是展示当时水污染控制新工具各种优点的完美模范。在随后的30多年里，很多新概念的引入都是以硝化作用为基础的。其实污水生物处理发展到今天，真的很多又要归功于“硝化过程”。

“我入行前的硝化发展史”

　　尽管在BOD、COD等参数面世之前，二级处理出水硝化程度的高地会被人们作为评价污水处理好坏的标准之一，但从受纳水体的角度来看，硝化过程最初并没有受到正确的对待，相反被当作发生水体富营养化的罪魁祸首。显然当时人们还没将硝化过程用作判断工艺表现以及水体接纳还原/氧化氮的参照指标。

　　硝化研究有以下一些里程碑事件：Monod在1942年最早提出连续发酵的概念，在这基础上Novick和Szilard在1950年发明了连续发酵的反应器，并开创了恒化培养器（chemostat）的概念。他们的工作为连续式微生物培养系统奠定了理论和数学建模的基础。1964年，英国水污染研究实验室的研究员Downing将硝化过程的研究推进了一大步——他首次指出硝化作用依赖于自养硝化菌的最大比增长速率，该速率低于异养菌的比增长速率，需要足够长的泥龄以防止硝化菌的流失，并开发了基于动力学概念和反应器技术的硝化活性污泥工艺的设计理论。到了1970年，SRT、MCRT等参数已经成为硝化活性污泥污水厂模型和设计的必要组成。1975年前后，第一批硝化动力学模型也相继亮相。

　　在70年代初期，少数全尺寸的污水厂开始研究并实现脱氮处理的方法，比较流行的方法折点氯化、离子交换和氨吹脱等物理-化学方法。这说明人们开始重视氨氮和硝态氮问题。1975年美国环保署发布了代表当时最高水平的《氮控制设计手册》就是以物理-化学方法为主，尽管涉及了去除COD的高负荷活性污泥法、硝化系统和添加甲醇的反硝化系统。值得一提的是该手册前言说道：“这本书没法在5年前就出版，因为当时的脱氮技术还不成熟。” 而在这书1993年再版的时候，前言变成了：“自第一版发行以来，生物工艺已经成为了脱氮工艺的主流，只有很少的案例还在使用物理-化学方法。”

　　这是在这样的背景之下，当时还是一个博士生的Gujer教授于1971年开始了他的污水处理工艺工程生涯。他说他的第一个贡献就是接触稳定活性污泥工艺(contact stabilization activated sludge process)中的硝化反应静态模型。

硝化工艺开始唱主角

　　可以说20世纪70年代是污水处理氮控制登上历史舞台的开端。很多地区都在当时建立了氨氮、亚硝态氮和硝态氮的排放标准。苏黎世Werdhölzli污水处理厂，作为瑞士当时最大的污水处理厂（约43.3万人口当量），成为首个将硝化列为必须工序的污水厂，当时的出水标准为2mg NH4-N/L（80%的采样通过率，>10℃）。1973年苏黎世市政府还发起了一次面向全球的污水厂扩建设计方案征集大赛。在这次比赛中可以看出很多工艺方案都缺乏可靠的设计信息，大型污水厂的成功经验少之又少。

　　当时的Gujer教授被委以重任，根据当时EAWAG的几个用实际污水作实验的中试项目的结果去制定Werdhölzli污水厂扩建的设计标准。同时也因为这个项目，他的职业道路跨上了一个新的台阶。

活性污泥法中的硝化作用

　　在这一节里，Gujer教授对活性污泥硝化作用的很多方面进行了总结介绍，包括分别讲述了采样频率如何影响测定结果、工艺设计“安全系数”的引入、长期(季节间)和短期(昼夜间)温度变化对工艺的影响、硝化的抑制作用、工艺控制、峰值调节、地理因素对处理表现的影响、影响硝化作用动力学的环境因素，以及硝化反硝化的相互作用会导致一氧化二氮释放等。同时他也表达一些观点，包括他认为我们需要重新审视设计理念、加深氨氧化反应的认识需要酶动力学的知识等。其中的细节在这里无法详述，只摘取以下几个亮点作为分享：

　　1. 计算机技术的发展大大促进了污水处理的模型研究

　　在自动采样仪器还未面市的上世纪70年代，当时还以湿式化学分析为主。EAWAG的中试研究使污水处理的动力学模型成为了Gujer教授日后研究工作的中心。他的第一个动力学模型是关于活性污泥硝化活性的预测。他回忆说当时做模型用的还是FORTRAN代码，而且要动用EAWAG大量人力资源来运行，尽管如此也要花上几周的时间。如今通过使用各种先进的模拟工具，只需要几小时就能完成跟当年类似的模型或项目，而且还有系统分析工具作支持，使模型的开发变得更简易。

　　2. 工业废水对硝化活性的影响可能是个误解

　　Gujer教授说早年很多（如果不是所有也至少是大部分）关于涉及工业废水的活性污泥工艺的论文报告都说可能有硝化作用受抑制的问题。尽管我们知道一些重金属和有机物确实会抑制硝化菌的生长，但Gujer教授的个人经历（虽没有科学验证）却跟这些论文报告的结论不太相同。他说那个年代还没有溶解氧测量仪，生物系统的动力学行为还不太为人熟知，导致当时的实际运行都很糟糕，并不能实现理想的“静态”。随着对氧浓度的控制变得越加可靠，这方面的文章也越来越少见了。他认为很多工业化发达国家的控制工作都做得很好，意思是做好源头控制，有害化合物进入污水厂的几率不大。

　　3. 城市规划对污水处理表现的影响

　　Gujer教授提醒我们污水处理系统除了污水处理厂之外，管网也是其重要的组成。污水厂的进水负荷变化在某程度是由于污染物进入管网时间的差异，以及管网分布的长度造成的，这两个因素都跟时间这个变量有关。Gujer教授用下图阐述了同轴排列和线性排列两种排放模式的区别——前者的负荷变化更大，而后者的收集方式能使进水水质更稳定。由于昼夜负荷变化很大程度上控制了生物处理过程中的硝化性能，所以使用后者的城市规划模式对该地区的污水处理是有好处的。

▲ 城市同轴排列和线性排列对污水厂昼夜污染物负荷变化的影响

　　下图总结了不同污水收集方式下氨的极端负荷和日平均负荷的比值。由于硝化处理设计的安全系数通常按照最大负荷和平均负荷的比值来设定，因此该图能提供重要的设计信息。根据此图，我们会发现安全系数的选定是个很有趣的事情——安全系数（也就是相应的SRT）设定越大，污水厂的处理能力就变小，因此专业性就降低，而且更加难以运行。

▲ 通过日平均负荷和污水厂规模的函数来表示氨极端负荷情况（2h），假设人均排放量为10 gN/人/天，X轴覆盖1000-1000000人口当量的范围

　　4. 污水厂永远不会完全依照设计时的方式运行

　　Gujer教授和Dominguez教授曾经在2006发表过一篇文章，讨论了Werdhölzli污水厂在1985-2003年间的演变。该污水厂原先是为硝化处理设计的，还包括了同步的磷沉淀。设计负荷是当时预估负荷的115%。当时的设想是原有的活性污泥法工艺线可以用来预处理约50%的初沉池出水，这样有利于新建的第二段活性污泥工艺的硝化作用。然而，在这之后18年里，苏黎世的人口不仅没有增长，反而减少了近20%，而且许多污水排放大户（例如啤酒厂、牛奶加工厂、屠宰场等）都搬离了城市。由于纺织洗涤剂不再添加磷，沉淀的污泥也少了。地下水下渗进入管网的情况急剧减少，饮用水消耗也减少了约33%，这使得污水厂的最大水力负荷大大降低，使得活性污泥的浓度增加了。

　　运营方撤掉那条旧的活性污泥工艺线，然后在无需新增反应器体积的情况下在新的处理线上引进了前置反硝化（28%流量）。苏黎世另外一间污水处理厂被关闭，污水接入Werdhölzli污水厂，约占总负荷的20%。苏黎世机场的除冰液也有段时间运至该污水厂来处理。

▲ Werdhölzli污水厂的工艺路程图

　　通过这个案例Gujer教授想表达，污水厂就像一个有生命的有机体，它几乎从来不会按照设计的方式来运作。18年其实并非一段很长的时间，但这个污水厂的边界条件和工艺流程已经发生了翻天覆地的变化。未来难以预测，污水厂的设计应该将这些不确定性考虑在内。