“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?yàn)楹醚躅w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?yàn)檫B續(xù)流反應(yīng)器相對于序批式反應(yīng)器設(shè)計(jì)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(gè)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(shí)間里（比如15%的水力停留時(shí)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(bào)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(duì)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(gè)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(gè)好氧顆粒污泥形成所需的必要條件�；诖�，本研究采用10個(gè)完全混合式反應(yīng)器串聯(lián)的方式組成了一個(gè)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(shí)以上的沉淀時(shí)間，快速沉降池的沉淀時(shí)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(shí)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(shí)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)流好氧污泥的顆粒化，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(jià)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(jiān)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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