“至今，好氧污泥顆�；蠖鄡H成功于序批式反應器，嚴重阻礙了該技術的推廣和應用。污水處理行業(yè)迫切期待連續(xù)流顆粒污泥技術的突破。”
好氧顆粒污泥技術有望取代已經應用了一百多年的傳統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器里處理更多的污水和去除更多種的污染物。據近期調研（Kent et al., 2018），世界上絕大部分好氧顆粒污泥的形成和應用均在序批式生物反應器中實現，其中包括目前工業(yè)界應用最廣的荷蘭Nereda®技術。然而，與序批式反應器采用的間歇性運行方式不同，污水處理廠，尤其是大型城市污水處理廠，大多采用連續(xù)流的方式運行。這是因為連續(xù)流反應器相對于序批式反應器設計更簡單且易于控制與運行，而且與城市污水連續(xù)性產生的性質相匹配。相比之下，序批式反應器需要使用調節(jié)池或幾個序批式反應器交替運行的方式來實現連續(xù)流入污水的處理。另一方面，序批式反應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行和維護壓力。至今，鮮有能在連續(xù)流反應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至今仍未有顯著的發(fā)展。對此，美國弗吉尼亞理工大學王智武教授團隊研發(fā)了一種活塞流式反應器以實現連續(xù)流好氧污泥顆粒化的技術（plug-flow aerobic granulation，簡稱PAG），并成功應用于市政污水的二級處理（圖1）。
圖1（a）PAG反應器示意,（b）PAG反應器實物
（來源：Sun et al. Sci. Total Environ. 2019）
活塞流式反應器
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。然而即使在傳統的完全混合式反應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個完全混合式反應器串聯的方式組成了一個近乎完美的活塞流反應器，以氣動污泥回流的方法，實現了盛宴到饑餓期的過渡與交替（圖1a）。沉降速度的選擇力(Vs)由位于活塞流反應器最末端的快速沉降池實現。不同于傳統活性污泥工藝二沉池所用的長達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器中。該活塞流反應器在美國弗吉尼亞州Centreville市的UOSA市政污水處理廠進行了中試，其初級出水（PE）水質詳見表1。反應器接種物為UOSA曝氣池中活性污泥。
表1 UOSA污水水質
（來源：Sun et al. Sci. Total Environ. 2019）
好氧顆粒污泥的形成與穩(wěn)定
經過90天的運行，好氧顆粒污泥成功的在PAG反應器中形成并穩(wěn)定（圖2a），并與接種的傳統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反應器中的污泥沉降性能（SVI）在前90天的運行時間里逐步改善并于90天后達到穩(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志。
圖2連續(xù)流好氧顆粒污泥（a）和傳統活性污泥（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)流顆粒污泥反應器和UOSA污水處理廠活性污泥反應器對COD和氨氮的去除效果。如表2所示，連續(xù)流顆粒污泥反應器對總COD的去除與UOSA活性污泥反應器相近，而對溶解性COD的去除（61.6%）低于活性污泥反應器（80.9%）。這可能是由于傳統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)流顆粒污泥反應器和傳統活性污泥反應器對氨氮去除效果相近，去除率均可達99%以上。
表2 反應器性能對比
（來源：Sun et al. Sci. Total Environ. 2019）
前景展望
活塞流式反應器（PAG）可實現連續(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備均可用于污泥沉降速度的選擇。因此，傳統市政污水處理廠僅需對現有設施進行簡易改造即可實現連續(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用提供了堅實的基礎。
參考文獻
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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