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                好氧顆粒污泥:升級既有市政污水處理廠的利器

                來源:《Science》  作者:Mark van Loosdrecht 
                 
                好氧顆粒污泥技術(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施,不僅能同時去除或回收碳、氮、磷等污染物,亦可減少75%的占地面積。目前,AGS技術在全球范圍內的工程應用已達到70多例。好氧顆粒污泥工程應用除技術原因限制外,基于SBR運行模式使其不太容易集成到既有、需依賴二沉池完成固-液分離的連續流污水處理廠。然而,人們對連續流反應器應用顆粒污泥的渴望也并非完全沒有可能,三組并聯運行的SBR顆粒污泥反應器其實便可構成一種“連續流”反應器。本期推送將介紹中心客座教授MarkanLoosdrecht等1月27日發表于《Science》的觀點文章——Intensifyingexistingurbanwastewater,介紹AGS技術優勢、應用現狀以及未來對連續流AGS技術的研發設想。
                 
                隨著全球人口持續增長,在水資源安全和可持續發展方面面臨著一系列挑戰,尤其是與水之社會循環息息相關的工程問題。另外,水業早已達成共識:污水為一種可行且可持續的資源/能源載體,不僅可以提供優質再生水,還可以通過資源/能源回收最大限度減少處理設施占地面積與能量消耗。然而,研發合適的技術解決方案或實現上述目標仍需要不斷努力。在此方面,好氧顆粒污泥(AGS)技術似乎是解決上述問題的選擇之一,該技術能夠同時去除(或回收)碳、氮和磷;同時,該技術占地面積可減少多達75%。
                 
                目前,世界上55%人口居住在城市地區;預計到2050年,這一數字將增加至68%。這將使既有市政污水處理廠(WWTP)不堪重負,且缺乏空間允許其擴建。此外,很多國家已逐步收緊了對污水中營養物(氮和磷)的去除或回收目標,而既有污水處理廠傳統工藝設計并不能靈活地增加功能來適應流量增加和更加嚴格的出水排放標準。況且,日趨老化的基礎設施更加劇了這一問題的解決。即使在新冠大流行所引發的經濟危機情況下,改善老化水系統基礎設施的投資仍需要放在重中之重之位置。例如,一直以來,美國對其污水系統投資不足,但最近通過了一項大規模法案來更新其基礎設施。這極大推動了技術創新和發展,以提供經濟又可靠的解決方案。
                 
                顆粒污泥是生物膜結構的一種特殊形式,因為它們不需要依附任何載體生長,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,沉降速度是傳統絮狀污泥的10~15倍。基于此,可將絮狀污泥選擇性從系統中排出(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,從而省去占地面積較大的二沉池和耗能顯著的回流設施,即,可大大減少整個廠區的占地面積并強化了反應器運行處理效果。
                 
                在傳統活性污泥系統中,污泥絮體須通過泵送循環于多個不同反應池,以完成對C、N和P的去除,在末端還需要沉淀池來完成泥水分離。從顆粒污泥結構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化。PAO雖可好氧生長,但更傾向于生長在顆粒內部(缺氧層),可將硝酸氮還原為氮氣并吸收磷酸鹽。兩者協作可完成對C、N和P的轉化與去除,實現水質凈化目的。這一方式的優點是,通過EBPR過程形成的顆粒要比基于異養微生物形成的顆粒更加致密、穩定性更強。
                 
                因此,為了淘汰快速生長的異養微生物并促進生長相對緩慢的PAO 和GAO的富集并形成生物膜,反應器須在厭氧和好氧條件下交替運行,并采用厭氧段進水方式,即,直接將污水通過已沉降的顆粒污泥床注入完成。顆粒污泥可同時去除營養物且易于分離的特性,可以將整個污染物去除過程整合在一個序批式反應器(SBR)中,極大減少占地空間。當存在三個并聯反應器時,可順序協作運行,相當于傳統連續流運行模式。
                 
                絮狀污泥和顆粒污泥都具有營養物回收潛力,但顆粒污泥的特殊之處在于可回收可觀的糖蛋白,它在化學和農業中具有良好的經濟價值。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技術對于需要擴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技術在全球范圍內的工程應用已達到70多例。但是,其基于SBR運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流污水處理廠中。因此,要想將傳統連續流反應器改造成AGS技術工藝,不得不暫停所有水處理功能,不僅繁瑣且不友好。日前,在一傳統連續流EBPR反應器中意外觀察到大量基于PAO的顆粒污泥,這似乎表明,在連續流反應器中實現污泥顆粒化要比預期容易多。因此,在EBPR連續流系統可通過設置一個顆粒-絮狀污泥分離選擇器,借助于其厭氧環境來強化生長緩慢細菌(如,PAO和GAO)的富集以增強造粒能力,這可能是將AGS 技術整合進連續流反應器的一種解決方案。
                 
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                在連續流反應器中實現污泥顆粒化的另一種方案是設置食物豐富和匱乏交替的好氧環境,雖然這一方案也可以產生顆粒污泥且容易實施,但它需要比厭氧進料方案更強的顆粒選擇能力。迄今為止,用于連續流反應器中培養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、外部沉降器等設備保留在系統中,再通過將較大的顆粒從分離器循環到厭氧區來促進顆粒中 GAO和PAO的生長,以進一步促進顆粒污泥的形成。
                 
                當然,在連續流反應器中進行污泥顆粒化仍面臨很多挑戰,例如,解耦絮狀污泥與顆粒污泥停留時間。另外,還包括:1)產生足夠碳源強化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傳質擴散的影響;4)平衡不同微生物間的競爭;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,市政污水處理經過一個世紀的發展,正面臨著向更加可持續方向發展的挑戰,好氧顆粒污泥技術日趨成熟似乎給我們提供了令人興奮的解決方案。這對于處理設施已經過時、且急需升級改造的污水處理廠來說,基于SBR模式運行的AGS是最佳選擇,而連續流AGS更適合仍處于運行狀態但需進行改造以強化現有基礎設施的工廠。
                 
                作者簡介:
                 
                Mark van Loosdrecht,中—荷中心客座教授,荷蘭代爾夫特理工大學應用科學學院環境生物技術系系主任、教授,污水生物處理工藝,特別是環境生物技術領域的專家,荷蘭皇家科學院與工程院雙院士、美國國家工程院院士、中國工程院外籍院士,并獲得世界水處理領域最高獎之一的新加坡李光耀水獎和斯德哥爾摩水獎。


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