“至今，好氧污泥顆粒化大多僅成功于序批式反應(yīng)器，嚴(yán)重阻礙了該技術(shù)的推廣和應(yīng)用。污水處理行業(yè)迫切期待連續(xù)流顆粒污泥技術(shù)的突破。”
好氧顆粒污泥技術(shù)有望取代已經(jīng)應(yīng)用了一百多年的傳統(tǒng)活性污泥法污水處理工藝。這是因為好氧顆粒污泥可以為反應(yīng)器提供更高的生物量和更好的污泥沉降性，還可以固定不同功能的生物種群（好氧、兼氧和厭氧），從而能在更小的反應(yīng)器里處理更多的污水和去除更多種的污染物。據(jù)近期調(diào)研（Kent et al., 2018），世界上絕大部分好氧顆粒污泥的形成和應(yīng)用均在序批式生物反應(yīng)器中實(shí)現(xiàn)，其中包括目前工業(yè)界應(yīng)用最廣的荷蘭Nereda®技術(shù)。然而，與序批式反應(yīng)器采用的間歇性運(yùn)行方式不同，污水處理廠，尤其是大型城市污水處理廠，大多采用連續(xù)流的方式運(yùn)行。這是因為連續(xù)流反應(yīng)器相對于序批式反應(yīng)器設(shè)計更簡單且易于控制與運(yùn)行，而且與城市污水連續(xù)性產(chǎn)生的性質(zhì)相匹配。相比之下，序批式反應(yīng)器需要使用調(diào)節(jié)池或幾個序批式反應(yīng)器交替運(yùn)行的方式來實(shí)現(xiàn)連續(xù)流入污水的處理。另一方面，序批式反應(yīng)器須在較短的時間里（比如15%的水力停留時間）完成全部被處理污水的流入和流出，極大地增加了水泵和管道的運(yùn)行和維護(hù)壓力。至今，鮮有能在連續(xù)流反應(yīng)器中從無到有形成穩(wěn)定顆粒污泥報道，即連續(xù)流好氧顆粒污泥技術(shù)至今仍未有顯著的發(fā)展。對此，美國弗吉尼亞理工大學(xué)王智武教授團(tuán)隊研發(fā)了一種活塞流式反應(yīng)器以實(shí)現(xiàn)連續(xù)流好氧污泥顆�；募夹g(shù)（plug-flow aerobic granulation，簡稱PAG），并成功應(yīng)用于市政污水的二級處理（圖1）。
圖1（a）PAG反應(yīng)器示意,（b）PAG反應(yīng)器實(shí)物
（來源：Sun et al. Sci. Total Environ. 2019）
活塞流式反應(yīng)器
已有研究表明，污泥沉降速度的選擇力是推動好氧顆粒污泥形成的推動力。然而即使在傳統(tǒng)的完全混合式反應(yīng)器里加入了對污泥沉降速度的選擇力，好氧顆粒污泥仍無法形成。完全混合式和序批式反應(yīng)器的一個重大區(qū)別在于后者有盛宴期與饑餓期的交替，而前者沒有。因此，盛宴期與饑餓期的交替極有可能是污泥沉降速度選擇力外的另一個好氧顆粒污泥形成所需的必要條件�；诖�，本研究采用10個完全混合式反應(yīng)器串聯(lián)的方式組成了一個近乎完美的活塞流反應(yīng)器，以氣動污泥回流的方法，實(shí)現(xiàn)了盛宴到饑餓期的過渡與交替（圖1a）。沉降速度的選擇力(Vs)由位于活塞流反應(yīng)器最末端的快速沉降池實(shí)現(xiàn)。不同于傳統(tǒng)活性污泥工藝二沉池所用的長達(dá)1小時以上的沉淀時間，快速沉降池的沉淀時間只有 5分鐘。在此期間，只有沉降速度足夠快的污泥才可保留在反應(yīng)器中。該活塞流反應(yīng)器在美國弗吉尼亞州Centreville市的UOSA市政污水處理廠進(jìn)行了中試，其初級出水（PE）水質(zhì)詳見表1。反應(yīng)器接種物為UOSA曝氣池中活性污泥。
表1 UOSA污水水質(zhì)
（來源：Sun et al. Sci. Total Environ. 2019）
好氧顆粒污泥的形成與穩(wěn)定
經(jīng)過90天的運(yùn)行，好氧顆粒污泥成功的在PAG反應(yīng)器中形成并穩(wěn)定（圖2a），并與接種的傳統(tǒng)活性污泥在表觀上有了顯著差異（圖2b）。如表2所示，50%的連續(xù)流好氧顆粒污泥直徑（d50）大于3.4mm，而相比之下傳統(tǒng)活性污泥的d50只有0.3mm。此外，污泥沉降性能顯著提高。如圖3所示，PAG反應(yīng)器中的污泥沉降性能（SVI）在前90天的運(yùn)行時間里逐步改善并于90天后達(dá)到穩(wěn)態(tài)。如表2所示，穩(wěn)態(tài)時的好氧顆粒污泥的5分鐘和30分鐘SVI都顯著低于傳統(tǒng)活性污泥，且其比例接近1，這也是好氧顆粒污泥沉降性能良好的顯著標(biāo)志。
圖2連續(xù)流好氧顆粒污泥（a）和傳統(tǒng)活性污泥（b）
（來源：Sun et al. Sci. Total Environ. 2019）
圖3 污泥沉降性能對比
（來源：Sun et al. Sci. Total Environ. 2019）
污染物的去除性能
在污染物的去除方面，對比了連續(xù)流顆粒污泥反應(yīng)器和UOSA污水處理廠活性污泥反應(yīng)器對COD和氨氮的去除效果。如表2所示，連續(xù)流顆粒污泥反應(yīng)器對總COD的去除與UOSA活性污泥反應(yīng)器相近，而對溶解性COD的去除（61.6%）低于活性污泥反應(yīng)器（80.9%）。這可能是由于傳統(tǒng)活性污泥較大的比表面積使其對于溶解性COD有更好的吸附能力。連續(xù)流顆粒污泥反應(yīng)器和傳統(tǒng)活性污泥反應(yīng)器對氨氮去除效果相近，去除率均可達(dá)99%以上。
表2 反應(yīng)器性能對比
（來源：Sun et al. Sci. Total Environ. 2019）
前景展望
活塞流式反應(yīng)器（PAG）可實(shí)現(xiàn)連續(xù)流好氧污泥的顆�；�，具有工藝流程簡單、易于控制與運(yùn)行等諸多優(yōu)勢。PAG工藝對污泥沉降施加的水力選擇速度為傳統(tǒng)活性污泥沉淀池的10倍，換言之PAG工藝的沉淀池占地僅為傳統(tǒng)工藝的十分之一。此外，水力旋流器（hydrocyclone）和斜板（管）沉淀池等占地面積小且價格便宜的設(shè)備均可用于污泥沉降速度的選擇。因此，傳統(tǒng)市政污水處理廠僅需對現(xiàn)有設(shè)施進(jìn)行簡易改造即可實(shí)現(xiàn)連續(xù)流好氧顆粒污泥工藝，極大降低了改造成本，為其在市政污水處理中的廣泛推廣和應(yīng)用提供了堅實(shí)的基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn)
Sun Yewei, Angelotti Bob, Wang Zhi-Wu* (2019). Continuous-flow aerobic granulation in plug-flow bioreactors fed with real domestic wastewater. Sci. Total Environ. 688, 762-770.
Kent Timothy R., Bott Charles B., Wang Zhi-Wu* (2018). State of the art of aerobic granulation in continuous flow bioreactors. Biotechnol. Adv. 36(4), 1139-1166.
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