好氧顆粒污泥在美國(guó)的當(dāng)下和未來

談?wù)撐鬯幚斫绲募夹g(shù)創(chuàng)新，好氧顆粒污泥(Aerobic Granular Sludge，簡(jiǎn)稱AGS)是近幾年頗受關(guān)注的明星技術(shù)。與傳統(tǒng)活性污泥方法相比，好氧顆粒污泥有更好的沉降性能、更好的生物富集能力，以及更強(qiáng)的抗沖擊能力。

好氧顆粒污泥自發(fā)形成立體分層的微生物群落，包含聚磷菌(PAOs)、氨氧化菌(AOB)、亞硝酸鹽氧化菌(NOB)、反硝化異養(yǎng)菌，甚至還有厭氧氨氧化菌(anammox)。它的分層結(jié)構(gòu)使得顆粒污泥通過底物擴(kuò)散傳質(zhì)作用形成好氧層、缺氧層以及厭氧層，實(shí)現(xiàn)COD以及氮磷的去除。好氧顆粒的形式大大改善了污泥的沉降性能，不需要生物絮凝來進(jìn)行泥水分離。

在學(xué)界，雖然有不少有關(guān)好氧顆粒污泥的形成機(jī)理的研究，但尚未有統(tǒng)一的共識(shí)。流體動(dòng)力學(xué)剪切、基于沉降速度的物理選擇、污泥與進(jìn)水接觸過程的流態(tài)、溶解氧濃度、進(jìn)料/停料比、進(jìn)水成分、有機(jī)負(fù)載率，以及群體感應(yīng)(quorum sensing)和胞外聚合物(EPS)的聚集都是曾被研究的因素。

盡管尚未有統(tǒng)一的理論共識(shí)，但這不妨礙工程師在過去幾年里對(duì)好氧顆粒污泥(AGS)的工程應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化和革新，例如一年多前，小編就寫過一篇文章，和讀者們一起了解了瑞士的一個(gè)團(tuán)隊(duì)是如何在傳統(tǒng)A2O工藝?yán)锱囵B(yǎng)出好氧顆粒污泥的。

除了荷蘭和瑞士，北半球的另一邊——美國(guó)，也有幾個(gè)地方的團(tuán)隊(duì)在進(jìn)行好氧顆粒污泥的研發(fā)。在本期《水星漫談》專欄里，我們來看看美國(guó)污水工程公司對(duì)好氧顆粒污泥有何心得分享。

好氧顆粒污泥在美國(guó)

當(dāng)下的AGS工藝

大家應(yīng)該都知道，好氧顆粒污泥 (AGS)的商業(yè)應(yīng)用首先源自荷蘭的RoyalHaskoning公司，并且主要通過序批式反應(yīng)器 (SBR)的形式實(shí)現(xiàn)。該公司為此工藝取名Nereda?，據(jù)稱全球如今已經(jīng)積累了100個(gè)工程案例。這項(xiàng)工藝在美國(guó)的許可權(quán)授予了Aqua-Aerobic Systems公司，后者對(duì)該專利工藝取名AquaNereda?。

為了實(shí)現(xiàn)污水處理的連續(xù)運(yùn)行，一般污水廠會(huì)設(shè)置至少3個(gè)并聯(lián)的SBR反應(yīng)池，每個(gè)反應(yīng)池都包含進(jìn)水(fill-draw)、曝氣/反應(yīng)(aerate/react)和沉淀(沉淀)的工作過程。當(dāng)然實(shí)際的反應(yīng)池?cái)?shù)量和池容取決于平均和峰值進(jìn)水流量和負(fù)荷，以及廠區(qū)的可用占地空間。

目前好氧顆粒污泥在美國(guó)的案例的進(jìn)水流量一般小于20000m3/天。正如上邊所說，受到SBR工藝的原理限制，要在更大規(guī)模的污水廠應(yīng)用Nereda或者AquaNereda工藝，需要更大或更多的反應(yīng)池，這也意味著更多的配套管道和輔助設(shè)備，控制的復(fù)雜性也隨之增加。這也許就是目前沒有更大規(guī)模的工程案例投產(chǎn)運(yùn)行的原因之一。

但另一方面，隨著業(yè)界越來越多人認(rèn)識(shí)到好氧顆粒污泥工藝的優(yōu)點(diǎn)，以及技術(shù)供應(yīng)商經(jīng)驗(yàn)的積累，好氧顆粒污泥的全球業(yè)績(jī)正在逐步上漲。美國(guó)的Corallo公司在2022年就對(duì)此工藝進(jìn)行過內(nèi)部評(píng)估，他們認(rèn)為符合以下條件的污水廠適合選用基于SBR的好氧顆粒污泥工藝：

· 日處理量小于90000m3/天(20mgd)；

· 污水廠屬于綠地新建類型；

· 污水廠采用非傳統(tǒng)活性污泥法，例如滴濾池、瀉湖(lagoons)；

· 污水廠雖然采用活性污泥法，但相關(guān)設(shè)備可以停用，并且能有地方在棄置的曝氣池和沉淀池旁新建SBR反應(yīng)池；

· 運(yùn)行人員有能力應(yīng)對(duì)并聯(lián)式SBR工藝的復(fù)雜性及日常維護(hù)。

隨著案例的積累，基于SBR的好氧顆粒污泥工藝也有了一些創(chuàng)新優(yōu)化，例如：

01 顆粒接觸穩(wěn)定化

通過減少曝氣量，AGS工藝可以應(yīng)對(duì)由于暴雨導(dǎo)致的增加的峰值流量。這確保顆粒污泥在高溢流率下得以保留，確保出水達(dá)標(biāo)排放。

02 具有恢復(fù)力的顆粒選擇

在 SBR工藝中，非顆粒的絮狀污泥會(huì)隨溢流排出。旋流分離器可以挑選出沉降性能最佳的顆粒污泥并回流到反應(yīng)池中。

03 A段好氧顆粒污泥

在 AGS 的進(jìn)水階段創(chuàng)造厭氧區(qū)下，處于饑餓(starved)狀態(tài)的顆粒污泥有能力吸附大量BOD。這部分BOD可以轉(zhuǎn)化成沼氣。

未來的AGS工藝

活性污泥法至今已有100多年歷史，小編在此前也介紹過，活性污泥法的原型就是一個(gè)間歇式的生化過程，隨著時(shí)間演變才變成如今常見的推流式的連續(xù)多反應(yīng)池模式。與間歇式工藝相比，連續(xù)式的反應(yīng)池構(gòu)造的建造成本更低，并且有更大的處理能力。

過去幾年，隨著工藝工程師對(duì)好氧顆粒污泥形成機(jī)制認(rèn)識(shí)的加深，我們看到越來越多連續(xù)式的主流AGS的案例，例如Brown and Caldwell公司在科羅拉多州Pueblo城的JD再生水廠(James R. Dilorio Water Reclamation Facility)的案例。

美國(guó)的Corallo公司則認(rèn)為，要在推流式反應(yīng)池的構(gòu)造中還原SBG工藝的原理，需要?jiǎng)?chuàng)造以下條件：

1. 厭氧吸附區(qū)——進(jìn)水先通過基質(zhì)充裕階段的“飽食”(feast conditions) 區(qū)域，這里的顆粒污泥處于靜置和饑餓的狀態(tài)；

2. 厭氧/好氧交替區(qū)——這是一個(gè)基質(zhì)匱乏的“饑餓”(famine)區(qū)域，提供溫和混合，有助造粒；

3. 重復(fù)飽食-饑餓的循環(huán)；

4. 旋流分離器——位于反應(yīng)池末端，截留的污泥顆?；亓鞯絽捬跷絽^(qū)。

除了上述的Brown and Caldwell和Corallo，美國(guó)還有其他公司和污水廠在進(jìn)行主流好氧顆粒污泥的測(cè)試研發(fā)，感興趣的讀者可以通過留言或者私信和我們進(jìn)行進(jìn)一步的交流。