STOTEN: 世界首創(chuàng)無污泥循環(huán)的A/O水處理反應(yīng)器及工藝

2022年4月23日國際知名期刊Science of the Total Environment (IF=7.963/Q1)在線發(fā)表了上海師范大學(xué)環(huán)境與地理科學(xué)學(xué)院張永明教授團隊的研究論文“Anoxic/oxic treatment without biomass recycle”。論文詳細介紹了由該團隊根據(jù)其專利技術(shù)(ZL2015 1 0510978.7和ZL2019 1 0930412.8)研發(fā)的世界首創(chuàng)的無污泥循環(huán)的A/O水處理工藝。該團隊將缺(厭)氧和好氧的垂直折流式生物反應(yīng)器(Vertical Baffled BioReactor, VBBR)串聯(lián)組合為一體，并將其用于城鎮(zhèn)生活污水處理。相比傳統(tǒng)的A/O水處理工藝，缺(厭)氧和好氧VBBR的組合實現(xiàn)了無污泥循環(huán)的A/O水處理工藝，在水力停留時間縮短30% ~ 50%的情況下，COD和總氮去除率提高了6%和22%，尤其是總氮的去除甚至幾乎達到了極限脫氮水平。該反應(yīng)器操作、運行維護十分簡便，并且剩余污泥量大大減少。

文章亮點

摘要•看點

在城市生活污水處理領(lǐng)域，傳統(tǒng)的A/O或A2/O水處理工藝是當今世界的主流工藝，該工藝的優(yōu)點是通過內(nèi)循環(huán)方式充分地利用進水中有限的碳源，提高了總氮的去除率。但該工藝存在最大的缺點是在水處理過程中，水與污泥一起在缺(厭)氧(A)和好氧(O)池間循環(huán)流動，使得在A池內(nèi)存在大量的硝化菌，而在O池內(nèi)又存在大量的反硝化菌，由此導(dǎo)致硝化和反硝化效率都不高。此外，傳統(tǒng)的A/O污水處理工藝中，缺(厭)氧池的運行方式很容易使溶解氧溶入其中，導(dǎo)致有限的有機碳源利用率較低，因此傳統(tǒng)A/O污水處理工藝總是難以做到總氮的高效去除。

本新工藝將缺(厭)氧與好氧VBBR串聯(lián)在一起，形成一套新穎的反應(yīng)器系統(tǒng)(如圖1所示)。該系統(tǒng)有效地克服了傳統(tǒng)A/O工藝的缺點，在循環(huán)過程中污泥固定不動而只有水的循環(huán)。此外，前段的缺(厭)氧反應(yīng)器(An-VBBR)，由于可以嚴格限制溶解氧的侵入，從而可以極大地提高有機碳源的利用率，進而實現(xiàn)“極限脫氮”。

圖1. 無污泥循環(huán)的A/O污水處理反應(yīng)器及工藝示意圖.

本研究首先從實驗室小試開始，分別設(shè)計了有、無污泥交換的硝化和反硝化實驗來模擬傳統(tǒng)A/O水處理工藝的泥水循環(huán)情況。研究發(fā)現(xiàn)，相比有50%的污泥交換，無污泥交換時，硝化和反硝化反應(yīng)速率要快1.5倍和4.2倍，該實驗結(jié)果如圖2所示。

圖2. 不同污泥交換量條件下的硝化和反硝化速率.

當將好氧VBBR(Ox-VBBR)與缺氧VBBR(An-VBBR)串聯(lián)在一起用于實際的城鎮(zhèn)污水處理時，在不同回流比(R)條件下，進出水的COD、氨氮和總氮的濃度變化如圖3所示。

圖3. 好氧與缺氧VBBR串聯(lián)處理城鎮(zhèn)污水時進出水濃度的變化,其中Effluent (1)和(2)分別表示An-VBBR和Ox-VBBR的出水.

從圖3可以看出，在回流比為200%時，最后出水總氮的平均濃度僅有1.5 mg/L，達到了極限脫氮的水平。與此同時，傳統(tǒng)的A/O工藝處理相同的城鎮(zhèn)生活污水時，其進出水中COD和總氮的平均濃度如圖4所示。比較圖3和圖4可以看出，組合VBBR工藝相比傳統(tǒng)A/O工藝，COD和總氮去除率平均提高了6%和22%。

圖4. 傳統(tǒng)A/O工藝處理相同城鎮(zhèn)污水時進出水的COD和總氮濃度.

作用機理

新型的組合VBBR水處理工藝之所以可以實現(xiàn)高效的總氮去除率，一方面在于An-VBBR可以嚴格限制溶解氧的侵入，從而高效地利用了進水中有限的有機碳源。另一方面，如圖5所示，兩個VBBR中擁有明顯不同的微生物群落，即An-VBBR內(nèi)反硝化菌占絕對優(yōu)勢，而Ox-VBBR內(nèi)硝化菌占絕對優(yōu)勢。由此各反應(yīng)器內(nèi)的微生物均可以充分發(fā)揮它們的作用，因此在硝化和反硝化過程中，可以發(fā)揮出最大的脫氮效果。而傳統(tǒng)的A/O水處理工藝中，好氧池(Ox-tank)和缺氧池(An-tank)中的微生物群落分布非常相似。即好氧池中有相當多的反硝化菌，而在缺氧池中又有相當多的硝化菌。正是由于這種硝化和反硝化菌在反應(yīng)器運行過程中不停地混合，使得傳統(tǒng)A/O水處理工藝的硝化和反硝化效率較低。而新型的組合VBBR則有效地克服了這一缺點。

圖5. 新型的無污泥循環(huán)反應(yīng)器和傳統(tǒng)A/O工藝中微生物群落分布. 其中An-VBBR和Ox-VBBR分別表示無污泥循環(huán)的缺氧和好氧VBBR, An-tank和Ox-tank表示傳統(tǒng)A/O工藝中的缺氧池和好氧池. Upper和Lower分別表示VBBR的上部和下部.

本論文得到環(huán)境模擬與污染控制國家重點聯(lián)合實驗室(清華大學(xué))開放基金(16K10ESPCT)的資助，環(huán)境科學(xué)2018級博士研究生陸沁園、2018級碩士研究生周雋清和2019級博士研究生朱格為共同第一作者，張永明為通訊作者，合作者包括美國工程院院士，斯德哥爾摩水獎獲得者Bruce E. Rittmann教授。

論文作者:

閱讀原文：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969722022598?dgcid=author