前沿关注 解读：好氧颗粒污泥技术

如何提高传统活性污泥法的效率是目前全球范围内污水处理领域最前沿和紧迫的问题之一。随着人口增长以及土地价格不断提升，如何在更小的占地范围内实现更高的污水处理效率同时降低能耗成为了一个全球性的问题，在这种背景下，好氧颗粒污泥技术 (aerobic granular sludge, 简称AGS) 进入了市场。


技术发展史

" s; K( G4 `6 ?- @! Y( `/ P5 f20世纪90年代后期，通过在SBR反应器的基础上设定一些特定的实验条件后，在实验室内首次实现了稳定好氧颗粒污泥的培养（污泥颗粒化是指废水生物处理系统中的微生物在适当的环境条件下,相互聚集形成一种密度较大、体积较大、体质条件较好的微生物聚集体）。
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之后，荷兰公司Royal HaskoningDHV一直致力于好氧颗粒污泥技术的开发以及商业化推广。在2005年的时候这一技术在荷兰的一家名为Vika BV的奶酪厂有了第一个日处理规模为250吨的商业化应用案例。
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目前全球范围内约有30个Nereda装置在运行，除了这三十几个项目之外，还有更多的项目正在设计或建造中。经过了近十多年的发展，许多早期的工程案例已经稳定运行了一段时间，受到了市场的认可，因此在过去的两到三年内该技术在世界范围内得到了快速的推广。
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/ c- P6 ~" e" F  @# R' S( H5 V(Royal HaskoningDHV公司就是当年将卡鲁塞尔氧化沟工艺带入中国市场的DHV，在2012年与Royal Haskoning公司合并)。

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图为AGS在全球内的应用情况，深蓝色表示已有项目在运行，浅蓝色表示项目正在规划中
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" ]% c; W: W  n4 w- V2 G8 FNereda工艺的操作模式由进水/出水-反应/曝气-快速沉淀等三个基本过程组成，是间歇流形式。市场上许多公司也正在研发连续流和混合AGS系统，期望可以扩大潜在市场，但是目前连续流的AGS还是处于商业化的早期阶段。

技术优势

01 节省处理步骤
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如图所示，污泥颗粒内含有好氧区和厌氧区/缺氧区，好氧区可以实现硝化作用，在颗粒的缺氧/厌氧区则可实现反硝化作用，并且通过磷酸盐积累微生物从水中除去磷酸盐。这意味着仅需一个反应器，好氧颗粒污泥就可以同时实现COD降解以及脱氮除磷的功能，而在传统的处理方法中，由于脱氮过程通常需要在两个反应器中独立进行或在一个反应器中顺次进行。



图片来源：Royal HaskoningDHV
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除此以外，由于颗粒污泥更好的沉降性能（在正确的条件下，好氧颗粒污泥在一小时内可沉降15米。而传统的活性污泥每小时约沉降1米）好氧颗粒污泥技术也省去了澄清池的步骤。

除去正常污水处理厂的澄清池阶段，因为颗粒保留在曝气池中。根据安装的曝气池的数量，可以在有或没有缓冲器的情况下安装配置。这意味着通常需要多个阶段才能去除的营养物可以在一个反应器内进行。下图为一个典型的Nereda的工艺。
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) {# [6 d) \* X$ x02 应用空间大

传统活性污泥法中一个比较大的问题是，悬浮的微生物会被冲洗，同时当污水中含有有毒污染物，比如含有芳香污染物，重金属、核废料或者高强度有机物的污水，这些都会影响微生物的活性。而当污泥以颗粒的形式存在时，则可以很大程度低避免上述问题，因此，对于一些比较难处理的污水而言，好氧颗粒污泥技术拥有非常大的应用空间。

* R# {. h  ]. v; [) m) D能够替代哪些技术？

综上两个优点，由于装置更紧凑，并且可以在给定的时间范围内处理更大的废水负荷，颗粒污泥的资本支出和运营成本大大降低，这意味着好氧颗粒污泥可能在未来取代某些类型的装置。

2 U' s$ @  s# ]3 _8 |! d. k' ]& hRoyal HaskoningDHV的技术总监Andreas Giesen在接受GWI采访时表示：“目前我们主要的一些项目是替代传统的活性污泥法工艺，除此以外，我们也看到全球范围内对微塑料污染物的担忧日益上升，我们也将考虑替代一些基于载体的生物工艺。”
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在瑞典对多个机构进行的一项独立研究表明，AGS在占地面积上远小于固定膜活性污泥工艺(IFAS)，和膜生物反应器（MBR）相比占地方面不占优势。 但是在能耗方面， IFAS工艺所需的能量比AGS至少要高约54％，而MBR由于膜曝气的缘故，能耗则比IFAS更高。

' K/ r5 `% J, o3 G- a+ [; `4 e! t但是AGS并不是在所有的情况下都适合。从改造的角度来看，主要受限于以下两个因素，一方面由于Nereda工艺是间歇式的，而目前绝大多数污水处理厂都是连续式的，改造起来会有一定的困难，另一个方面在于Nereda工艺要求的最小深度是4米左右。在这种情况下，可以建造绿地安装，但公司总是希望通过寻找适合改造的技术来最小化其土地占地面积。一些专家还认为，SBR工艺需要更多的专业知识才能运行，并且他们无法应对大型污水处理厂所需的液压负荷。
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& w  ?6 z: O3 ?: Y% z针对上述间歇流的问题，解决的方案是开发连续流好氧颗粒污泥工艺。连续流好氧颗粒污泥工艺可能会增加可处理的污染物负荷并使其更容易实施到现有的连续式的活性污泥反应器中。另一家技术公司 One Water Solutions的总裁Glen Daigger表示，“在美国以及在其他地方，对连续流好氧颗粒污泥工艺有很大兴趣。”

  q; E; ~# V- C/ b, D但是，Nereda的技术持有人则认为Nereda工艺目前可以应用于大部分的污水处理系统改造，因此关于连续流的好氧颗粒污泥技术是否存在可观市场也是行业内的一大争论点。“荷兰代尔夫特理工大学环境生物技术和废水工程的教授Mark van Loosdrecht表示：“Nereda工艺虽然需要安装比常规工艺更多的一些分析设备，但是这会使你更能掌握这一过程，从而有更好的响应系统。”虽然AGS的间歇式运行可能需要更多的技术专业知识，但事情总有两面，这种稍显复杂的运营也有助于终端用户更加容易控制这一系统。

2 b# r" C; f! Y8 r$ uRoyal HaskoningDHV的技术总监Andreas Giesen继续向GWI解释说，Nereda工厂是模块化的，因此这一技术没有处理能力的上限限制。典型的Nereda装置可包括三个或更多个反应器以确保能够持续地处理来水，或者可以使用一个平衡池结合使用。

, Y( R1 h) x3 A& [% W; ^/ v$ i4 L尽管将持续流的现有污水处理厂改造成循环式的Nereda还存在一些疑问。但在葡萄牙里斯本的Frielas污水处理厂则成功实现了这一改建。这一污水厂的六套常规活性污泥法处理系统中的一套被改装成了Nereda工艺，并且在两个月的运行后，这种改造节省了50％的能耗。 而针对反应池深度这一限制，Royal HaskoningDHV公司目前也在努力研究，试图扩大Nereda的适用性，使其也能适用于比四米更浅的反应池。

Royal HaskoningDHV还有一个吸引力的方案是将Nereda工艺和传统地活性污泥装置结合的方法——这样的结合是为了应对一些突发的状况，比如暴雨等来水量暴增情况下污水处理效率的保证。目前尽管这种混合工艺方法只在荷兰本土有一个案例，但是目前市场已经对这类技术产生了非常大的兴趣。“我们将现有的废弃颗粒转移到连续系统中以提高产能，这表明如何通过引入AGS将活性污泥工艺生物增强。”Giesen解释道。
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好氧颗粒污泥的应用
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( [. _$ H4 z" k+ g8 A2 D" K好氧颗粒污泥具有同时脱氮除磷、去除有机污染物、去除重金属等作用，且去除效果良好。在城市污水和工业废水处理中已经有相关应用。

01 脱氮

$ O+ f! E1 Y' Q3 s7 U; a由于颗粒污泥的结构特征，溶解氧在污泥的不同部位存在差别。因为颗粒污泥外部生存的活性细胞层消耗了大部分氧，所以颗粒污泥核心处没有氧。污水中脱氮所需要的好氧条件和缺氧条件都能够在颗粒污泥内实现。因此，好氧颗粒污泥能够实现良好的生物脱氮效果，从而用于实际的污水脱氮。
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, q, h! V% k, P: K: o0 X好氧颗粒污泥在处理主流工艺污水以及合成废水时均显示出良好的脱氮性能。Y. Liang等采用机械混合和曝气技术将全程自养脱氮工艺（CANON）颗粒污泥培养40 d，运行期间处理合成污水、主流污水的平均氮去除速率（NRR）分别为3.22、1.11kgN/（m3·d）。出水硝酸盐浓度低，未发现硝酸盐积聚。
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# _+ J- I: T6 q0 v/ W$ b1 s& x/ p$ l此外，也可通过控制其他因素达到良好的脱氮效果。影响颗粒污泥同步硝化反硝化的因素包括污水中的溶解氧、污泥的颗粒大小、电子供体可用性以及微生物活性等，例如，微碱性条件有利于亚硝化的进行。
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低氧浓度条件下氮的去除效率更高，但无法维持好氧颗粒污泥的结构稳定。不同培养条件下产生的硝化细菌也会导致不同的脱氮效果。好氧颗粒污泥的结构及大体脱氮过程见图1。
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图1 好氧颗粒污泥结构及大体脱氮过程
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" J: o/ [# G1 y+ ^02 除磷

污泥中的聚磷菌在好氧条件下过量地摄取磷，在厌氧条件下释放磷。好氧颗粒污泥表面溶解氧含量大，颗粒内部可以达到缺氧甚至厌氧状态。基于这一原理，好氧颗粒污泥可以实现污水除磷的功能。
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3 j1 X, u9 }3 N* t温度、pH、盐分、有机负荷、废水底物类型和曝气都对好氧颗粒污泥除磷效果具有影响。

O. Henriet等通过差异选择含有高比例聚磷菌的颗粒来改进SBR中好氧颗粒污泥的除磷性能。
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结果表明，沉降时间的增加与污泥床的均匀净化相结合，规模和密度分布更为广泛，这导致改进后的磷去除率超过90%，同时保持良好的氮和COD去除。通过对工艺的不断改进和完善，好氧颗粒污泥可以取得良好的除磷效果。
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03 有毒物质及难降解物质的去除
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4 z& h0 }$ j1 }/ q" K' o: t好氧颗粒污泥具有致密的核结构，对外部粒子具有较高的防扩散性，因此细胞整体对有毒物质具有很高的耐受能力。A. F. Duque等研究表明，好氧颗粒污泥可有效去除合成废水中有毒的2-氯苯酚。
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也有研究表明好氧颗粒污泥可以去除2，4-二硝基甲苯。此外，磷酸三丁酯的水解产物正丁醇可以被好氧颗粒污泥快速生物降解。石油化合物的去除效果可高达90%。好氧颗粒污泥具有优异的生物营养物质去除能力以及有毒或顽固污染物的生物降解性能。
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好氧颗粒污泥相关工艺是常规活性污泥工艺的替代工艺，用于去除营养物、持久性污染物和水回用。未来应致力于进一步研究好氧颗粒污泥的形成机制，改善低强度污水中的好氧颗粒污泥形成。
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  c! A& N  p0 R. M  K$ p/ U+ y现阶段，有关好氧颗粒污泥的研究大多仍在模拟废水的反应器中进行，今后应着力于在实际污水和工业废水处理中运用研究。

同时，关注运行条件对好氧颗粒污泥稳定性的影响，防止如溶液中含盐量不当导致颗粒污泥失稳解体等问题的出现；另外，也要着重研究如何加速好氧颗粒污泥的培养、强化同步高效脱氮除磷措施等。
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4 r9 q  O  w* o) }  N7 k) }' a' {6 B% A总结

" A6 J0 l# ~8 ?% |（1）表面光滑、粒径大、性能良好的好氧颗粒污泥能够实现较好的污水处理效果，可以同时高效脱氮和除磷，并保持良好的有机物去除效果，还可以去除有毒有害物质；好氧颗粒污泥在不同种类废水处理过程中的效能、去除微污染物的机理方面需要进一步研究。
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（2）好氧颗粒污泥的形成是在多种机制共同影响下的结果，目前还缺乏能够准确完整描述其形成的假说，对其形成机理还需要进一步研究，特别是其形成过程中胞外聚合物的功能及调控措施。

8 P( K$ c1 c# z. a. S0 D3 b7 h8 K（3）好氧颗粒污泥的培养过程中，污泥颗粒化以及颗粒污泥的各种特性受多因素的影响，任一因素的改变都可能导致颗粒污泥的解体、粒径大小的改变；今后应着重对于好氧颗粒污泥内各微生物之间的协作和生态位及其影响因素进行研究。

（4）对于好氧颗粒污泥的培养研究大多仍处于实验规模，未来应逐渐向实际污水发展；好氧颗粒污泥在实际应用中的稳定性仍然是一个挑战，今后需要对好氧颗粒污泥系统的稳定维持、节能和回收资源方面的影响因素及控制策略进行研究；另外，如何加速好氧颗粒污泥形成仍将是一个研究热点。
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