随着污水处理厂持续将水中的碳源朝着能源再生或者其他的方向转化，水体里残留的营养物质
，尤其是氮
，却越来越难以去除
。现阶段，营养物质的过量排放使得自然水体面临富营养化以及极度缺氧的问题
。

在实际的污水处理中，为保证污染物去除过程中有充足的氧气供给，曝气环节占据了近52%的能源消耗。然而，这个比例还会持续增长
，因为有越来越多的污水处理厂需要解决氨氮达标排放的问题。通常
，污水处理厂多选择通过物理方式解决曝气问题（如通过改进曝气阀、曝气口的设计来提高曝气池的曝气效率）
，而在实际操作时会十分受限。因此
，深刻认识污水生物处理机制就显得极为重要。它将会打破现阶段的僵局
，为污水处理能源消耗带来真正意义上的革新。而AvN技术正是污水生物处理机制研究所孕育的产物
。

AvN技术的原理与核心

AvN是由美国World Water Works研发推广的一项污水处理过程控制及优化的专利技术

。它具有极大的灵活性，能够帮助污水处理厂达到氨氮和总氮的出水排放标准
，并且不需要对现有污水厂的规模进行扩建改造。整个过程能实现能源高效利用并且能在低碳需求的条件下达到目的
。因此
，污水中更多的碳源能够被导向厌氧消化从而增加生物沼气的产量。

在主流式短程生物脱氮过程中
，一方面需要维持高效的氨氧化细菌（AOB）速率，另一方面需要抑制亚硝酸盐氧化细菌（NOB）的活性。AvN技术通过控制二者之间的平衡来达到筛选分离出理想优势菌种
，并达到短程生物脱氮的目的。与传统硝化/反硝化相比，如果能够成功抑制NOB的亚硝酸盐氧化，那么就可以节省25%的氧气消耗以及40%的有机碳源。在美国，大多数厌氧氨氧化技术被应用在侧流式脱氮过程中
，而AvN则可以将这项脱氨技术应用在主流式脱氮领域
。整个过程控制体现在以下几个方面：氨氮，氮氧化物，溶解氧，侧流式厌氧氨氧化过程中AOB的引入
，污泥停留时间（SRT）的调控等
。AvN通过控制脱氨过程中的出水氨氮与氮氧化物之间的浓度关系
，进而做到“硝化/部分硝化能够被反硝化的那部分氨氮”，最终在给定碳氮比的条件下达到最低出水总氮浓度的目标。

AvN技术的控制手段

在美国，基于短程脱氮的AvN技术能够大大减少反硝化过程中所需的碳源。也正因为如此，AvN技术为前段工艺碳捕捉/碳转移提供了极大的空间

，进而使得厌氧消化过程中有更多的碳源，大大提高了甲烷产量

。在新式短程脱氮技术体系中，AvN技术包含了运行过程的工艺控制以及反应池运行条件的配置

。NOB的淘汰则是主流式短程脱氮过程的技术核心
。AvN技术对于NOB淘汰的调控策略主要包括：

1. 维持一定的出水氨氮浓度
；

2. 在较高溶解氧浓度的条件下操作（一般要高于1.2 mg/O2-L）；

3. 好氧与缺氧条件之间的迅速转换
；

4. 较短的SRT；

5. AOB以及厌氧氨氧化细菌（AMX）的生物强化

前三个调控策略尤为重要
，主要通过AvN曝气控制来实现。 AvN SRT调控的主要原则在于维持较短的SRT，通过人为或者自动排放一定量的剩余污泥使得实际SRT接近AOB的冲刷SRT
，从而使NOB得到有效的抑制。AOB生物强化可实现较短SRT，主要是从测流式短程脱氮池里接种AOB到主流池，而AMX生物强化和反应池中较长时间的停留则能有效帮助主流脱氨。实际上
，AvN技术调控系统下的出水水质主要取决于NOB的淘汰程度、进水碳氮比以及生物脱氮的主要途径
。根据AvN的调控原理，出水包含不同程度的氨氮和氮氧化物，后续还需进一步的反硝化处理。

▲ AvN控制策略

案例分析

目前
，AvN技术在全球已有两例实际规模的应用，分别是美国HRSD（Hampton Road Sanitation District）的Boat Harbor污水处理厂（BHTP）以及奥地利的Strass污水处理厂。

1. 美国Boat Harbor污水处理厂

Boat Harbor污水处理厂最先于2015年夏实施AvN调控体系。该污水处理厂的占地面积十分有限

，如下图所示
。

▲ Boat Harbor污水处理厂平面图

该污水厂日处理量为94600 m3/d。其脱氮处理过程没有专门的硝酸盐内回流，只是通过活性污泥的回流来回收硝酸盐。系统的碱度很低
，无法保证正常的硝化作用，需要额外补充大量的碱度。AvN技术的应用使得该污水处理厂，在无需扩建构筑物的基础上，能够达到出水总氮10 mg/L的排放标准（氨氮排放没有限制）并同时减少了碱度的投加。作为典型的AvN调控体系
，参数的设定值要能够满足减少碱度投加以及降低出水总氮浓度的要求。

▲ BHTP主流脱氮自控系统

▲ BHTP在AvN自控体系下的碱度消耗以及出水总氮

2. 奥地利Strass污水处理厂

奥地利Strass水处理厂始建于1988年，位于奥地利Innsbruck市的Strass Valley。其设计日处理规模为15万人口当量（60 gBOD/PE）
。Strass厂总氮的年去除率高于80%，出水总氮浓度小于5 mg/L

，氨氮浓度小于1.5 mg/L
， COD和BOD去除率大于90%。在1996年时已经可以生产50%其运行所需的能量。到2005年

，工厂实现了能源自给和额外产能（108%能源自给率）
。Strass污水处理厂采取了一系列措施来实现能源自给，采用两段生物系统的AB工艺就是其中之一。A段可以去除55%-65%的有机物负荷，污泥停留时间少于半天。B段的污泥停留时间约为10天，这样可以去除80%的氮。

▲ 奥地利Strass污水处理厂COD/能源桑基图

自2016年2月，主流DEMON系统也更新了Anammox富集分离设备。该设备专利权属于美国的DC Water。此外
，也应用了与主流DEMON系统配套的自控系统（AvN）。该系统通过一系列的传感器和控制系统，实时控制NH4-N和NOx-N的比例。Strass污水处理厂的出水总氮大约在4 mg/L，如果实际情况中总氮排放要求更为严格，需添加末端深度处理装置
。

▲ Strass污水厂中主流和侧流中的Anammox富集分离设备

Boat Harbor污水处理厂和Strass污水处理厂运用AvN自控技术的时间并不长且两个处理厂的处理量、排放标准、实施目标等均有所不同。如上述所描述的，Boat Harbor污水处理厂主要想解决碱度投加量的问题
，而Strass污水处理厂则是朝着减少能耗的目标前进。接下来的一年内将有第三个污水处理厂开始全面应用AvN自动体系。

随着人口的增加以及污水排放标准的日益严格，巨大的能源消耗必将是未来水处理过程中的首要问题
。相较于传统的脱氮处理技术
，AvN另辟蹊径，从生物处理机制着手，为新兴的主流短程脱氮处理技术提供了强有力的保障。目前WWW正致力于将AvN技术产品化，作为简单易操作的插入式部件，推广至全球市场
，使世界各地的客户都能方便快捷地应用
。