好氧顆粒污泥：升級(jí)既有市政污水處理廠的利器

水處理網(wǎng)訊:好氧顆粒污泥技術(shù)（AGS）因其快速沉降和高固體濃度特性，可省去占地面積較大的二沉淀池與耗能顯著的回流設(shè)施，不僅能同時(shí)去除或回收碳、氮、磷等污染物，亦可減少75%的占地面積。目前，AGS技術(shù)在全球范圍內(nèi)的工程應(yīng)用已達(dá)到70多例。好氧顆粒污泥工程應(yīng)用除技術(shù)原因限制外，基于SBR運(yùn)行模式使其不太容易集成到既有、需依賴二沉池完成固-液分離的連續(xù)流污水處理廠。然而，人們對(duì)連續(xù)流反應(yīng)器應(yīng)用顆粒污泥的渴望也并非完全沒有可能，三組并聯(lián)運(yùn)行的SBR顆粒污泥反應(yīng)器其實(shí)便可構(gòu)成一種“連續(xù)流”反應(yīng)器。本期推送將介紹中心客座教授MarkanLoosdrecht等1月27日發(fā)表于《Science》的觀點(diǎn)文章——Intensifyingexistingurbanwastewater，介紹AGS技術(shù)優(yōu)勢(shì)、應(yīng)用現(xiàn)狀以及未來對(duì)連續(xù)流AGS技術(shù)的研發(fā)設(shè)想。

隨著全球人口持續(xù)增長(zhǎng)，在水資源安全和可持續(xù)發(fā)展方面面臨著一系列挑戰(zhàn)，尤其是與水之社會(huì)循環(huán)息息相關(guān)的工程問題。另外，水業(yè)早已達(dá)成共識(shí)：污水為一種可行且可持續(xù)的資源/能源載體，不僅可以提供優(yōu)質(zhì)再生水，還可以通過資源/能源回收最大限度減少處理設(shè)施占地面積與能量消耗。然而，研發(fā)合適的技術(shù)解決方案或?qū)崿F(xiàn)上述目標(biāo)仍需要不斷努力。在此方面，好氧顆粒污泥（AGS）技術(shù)似乎是解決上述問題的選擇之一，該技術(shù)能夠同時(shí)去除（或回收）碳、氮和磷；同時(shí)，該技術(shù)占地面積可減少多達(dá)75%。

目前，世界上55%人口居住在城市地區(qū)；預(yù)計(jì)到2050年，這一數(shù)字將增加至68%。這將使既有市政污水處理廠（WWTP）不堪重負(fù)，且缺乏空間允許其擴(kuò)建。此外，很多國(guó)家已逐步收緊了對(duì)污水中營(yíng)養(yǎng)物（氮和磷）的去除或回收目標(biāo)，而既有污水處理廠傳統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)并不能靈活地增加功能來適應(yīng)流量增加和更加嚴(yán)格的出水排放標(biāo)準(zhǔn)。況且，日趨老化的基礎(chǔ)設(shè)施更加劇了這一問題的解決。即使在新冠大流行所引發(fā)的經(jīng)濟(jì)危機(jī)情況下，改善老化水系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的投資仍需要放在重中之重之位置。例如，一直以來，美國(guó)對(duì)其污水系統(tǒng)投資不足，但最近通過了一項(xiàng)大規(guī)模法案來更新其基礎(chǔ)設(shè)施。這極大推動(dòng)了技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展，以提供經(jīng)濟(jì)又可靠的解決方案。

顆粒污泥是生物膜結(jié)構(gòu)的一種特殊形式，因?yàn)樗鼈儾恍枰栏饺魏屋d體生長(zhǎng)，而是通過自凝聚、聚集所形成的球形顆粒，直徑一般為0.5~2 mm，沉降速度是傳統(tǒng)絮狀污泥的10~15倍?；诖耍蓪⑿鯛钗勰噙x擇性從系統(tǒng)中排出（Wash out）以富集顆粒污泥，提高固-液分離效率。AGS這一快速沉降和高固體濃度的特性可將沉淀單元被集成于處理單元之內(nèi)，從而省去占地面積較大的二沉池和耗能顯著的回流設(shè)施，即，可大大減少整個(gè)廠區(qū)的占地面積并強(qiáng)化了反應(yīng)器運(yùn)行處理效果。

在傳統(tǒng)活性污泥系統(tǒng)中，污泥絮體須通過泵送循環(huán)于多個(gè)不同反應(yīng)池，以完成對(duì)C、N和P的去除，在末端還需要沉淀池來完成泥水分離。從顆粒污泥結(jié)構(gòu)和生物群落分布來看，硝化菌、聚磷菌(PAO)、糖原菌(GAO) 和其他功能微生物成層狀分布。硝化菌為好氧菌，一般分布在顆粒污泥外層氧氣豐富的地方，可完成氨氮到硝酸氮的轉(zhuǎn)化。PAO雖可好氧生長(zhǎng)，但更傾向于生長(zhǎng)在顆粒內(nèi)部（缺氧層），可將硝酸氮還原為氮?dú)獠⑽樟姿猁}。兩者協(xié)作可完成對(duì)C、N和P的轉(zhuǎn)化與去除，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)凈化目的。這一方式的優(yōu)點(diǎn)是，通過EBPR過程形成的顆粒要比基于異養(yǎng)微生物形成的顆粒更加致密、穩(wěn)定性更強(qiáng)。

因此，為了淘汰快速生長(zhǎng)的異養(yǎng)微生物并促進(jìn)生長(zhǎng)相對(duì)緩慢的PAO 和GAO的富集并形成生物膜，反應(yīng)器須在厭氧和好氧條件下交替運(yùn)行，并采用厭氧段進(jìn)水方式，即，直接將污水通過已沉降的顆粒污泥床注入完成。顆粒污泥可同時(shí)去除營(yíng)養(yǎng)物且易于分離的特性，可以將整個(gè)污染物去除過程整合在一個(gè)序批式反應(yīng)器（SBR）中，極大減少占地空間。當(dāng)存在三個(gè)并聯(lián)反應(yīng)器時(shí)，可順序協(xié)作運(yùn)行，相當(dāng)于傳統(tǒng)連續(xù)流運(yùn)行模式。

絮狀污泥和顆粒污泥都具有營(yíng)養(yǎng)物回收潛力，但顆粒污泥的特殊之處在于可回收可觀的糖蛋白，它在化學(xué)和農(nóng)業(yè)中具有良好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。AGS的高固體濃度也為磷回收提供了條件，通過剩余顆粒污泥厭氧釋磷即可生產(chǎn)富含磷的上清液，從而不必通過厭氧消化池完成磷的回收過程。因此，AGS技術(shù)對(duì)于需要擴(kuò)容但又受限于土地利用的市政污水處理廠可提供一種有效解決方案。

目前，AGS技術(shù)在全球范圍內(nèi)的工程應(yīng)用已達(dá)到70多例。但是，其基于SBR運(yùn)行的模式使其不容易集成到既有、依賴于沉淀池完成固液分離的連續(xù)流污水處理廠中。因此，要想將傳統(tǒng)連續(xù)流反應(yīng)器改造成AGS技術(shù)工藝，不得不暫停所有水處理功能，不僅繁瑣且不友好。日前，在一傳統(tǒng)連續(xù)流EBPR反應(yīng)器中意外觀察到大量基于PAO的顆粒污泥，這似乎表明，在連續(xù)流反應(yīng)器中實(shí)現(xiàn)污泥顆?；阮A(yù)期容易多。因此，在EBPR連續(xù)流系統(tǒng)可通過設(shè)置一個(gè)顆粒-絮狀污泥分離選擇器，借助于其厭氧環(huán)境來強(qiáng)化生長(zhǎng)緩慢細(xì)菌（如，PAO和GAO）的富集以增強(qiáng)造粒能力，這可能是將AGS 技術(shù)整合進(jìn)連續(xù)流反應(yīng)器的一種解決方案。

在連續(xù)流反應(yīng)器中實(shí)現(xiàn)污泥顆?；牧硪环N方案是設(shè)置食物豐富和匱乏交替的好氧環(huán)境，雖然這一方案也可以產(chǎn)生顆粒污泥且容易實(shí)施，但它需要比厭氧進(jìn)料方案更強(qiáng)的顆粒選擇能力。迄今為止，用于連續(xù)流反應(yīng)器中培養(yǎng)顆粒的主要選擇壓力是基于沉降速度，其中沉速較快的顆粒可通過固液分離器、外部沉降器等設(shè)備保留在系統(tǒng)中，再通過將較大的顆粒從分離器循環(huán)到厭氧區(qū)來促進(jìn)顆粒中 GAO和PAO的生長(zhǎng)，以進(jìn)一步促進(jìn)顆粒污泥的形成。

當(dāng)然，在連續(xù)流反應(yīng)器中進(jìn)行污泥顆?；悦媾R很多挑戰(zhàn)，例如，解耦絮狀污泥與顆粒污泥停留時(shí)間。另外，還包括：1）產(chǎn)生足夠碳源強(qiáng)化GAO和PAO的富集；2）曝氣和混合攪拌策略；3）絮狀和顆粒污泥尺寸分布對(duì)傳質(zhì)擴(kuò)散的影響；4）平衡不同微生物間的競(jìng)爭(zhēng)；5）在水處理過程中整合資源回收，特別是磷酸鹽和生物聚合物。

總的說來，市政污水處理經(jīng)過一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，正面臨著向更加可持續(xù)方向發(fā)展的挑戰(zhàn)，好氧顆粒污泥技術(shù)日趨成熟似乎給我們提供了令人興奮的解決方案。這對(duì)于處理設(shè)施已經(jīng)過時(shí)、且急需升級(jí)改造的污水處理廠來說，基于SBR模式運(yùn)行的AGS是最佳選擇，而連續(xù)流AGS更適合仍處于運(yùn)行狀態(tài)但需進(jìn)行改造以強(qiáng)化現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的工廠。

作者簡(jiǎn)介：

Mark van Loosdrecht，中—荷中心客座教授，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院環(huán)境生物技術(shù)系系主任、教授，污水生物處理工藝，特別是環(huán)境生物技術(shù)領(lǐng)域的專家，荷蘭皇家科學(xué)院與工程院雙院士、美國(guó)國(guó)家工程院院士、中國(guó)工程院外籍院士，并獲得世界水處理領(lǐng)域最高獎(jiǎng)之一的新加坡李光耀水獎(jiǎng)和斯德哥爾摩水獎(jiǎng)。