好氧顆粒污泥工程應用分析

沈昌明

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

好氧顆粒污泥工程應用分析

沈昌明

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

好氧顆粒污泥是污水處理領域的研究熱點，其高效的處理能力和良好的沉降性能為建立更加集約化的污水處理系統提供契機。總結歸納了好氧顆粒污泥技術的研究成果，介紹了好氧顆粒污泥培養和維持方法，確定了好氧顆粒污泥系統應用邊界條件，分析了好氧顆粒污泥工程應用的技術和經濟可行性，提出了好氧顆粒污泥在我國進行工程化應用需重點考慮的技術難點，可為該項技術在我國污水處理領域的推廣應用提供支撐。

好氧顆粒污泥；污水處理；工程應用；高效

0　引言

隨著我國城市化進程的不斷深入，城市建設用地不足已成為發展的瓶頸，污水處理也亟需能夠節約用地的高效工藝。好氧顆粒污泥是由微生物自凝聚形成的顆粒狀聚集體，具有沉降性能好、生物量高且種類豐富等優勢，是目前應用前景較好的高效污水處理技術之一。

1991年Miishima和Nakarnura利用連續升流式好氧污泥床反應器首次發現了好氧顆粒污泥［1］，1998年Heijnen and van Loosdrecht獲得首項好氧顆粒污泥技術專利［2］，二十多年來國內外專家學者對好氧顆粒污泥進行了全方位的研究，并發表了大量很有價值的技術文獻，為好氧顆粒污泥的工程化應用奠定了基礎。雖然好氧顆粒污泥在研究層面取得了豐富的研究成果，在試驗層面也成功構建了高效的好氧顆粒污泥系統，但是工程化應用仍處于探索和嘗試階段，國外以荷蘭DHV公司為代表的好氧顆粒污泥技術已逐步推廣［3］，國內尚缺乏可借鑒的成功范例。現階段總結歸納好氧顆粒污泥的研究成果，評估好氧顆粒污泥培養和維持方法，確定好氧顆粒污泥系統應用邊界條件，分析好氧顆粒污泥工程應用的技術和經濟可行性，具有重要的實踐意義。

1　好氧顆粒污泥的形成、性質和培養方法

1.1好氧顆粒污泥形成機理

統一的好氧顆粒污泥的形成機理尚未建立，但對于好氧顆粒污泥成形、維持和強化的認識正不斷深入。好氧顆粒污泥形成受接種污泥、有機物負荷、污水組分、反應器構型、進水策略、曝氣強度、沉淀時間等諸多條件影響，是包括物理、化學和生物作用的綜合過程。國內外研究關于好氧污泥顆粒化的包括選擇壓假說、胞外聚合物假說、晶核假說、電綜合假說等。好氧顆粒污泥的形成過程主要包括4個階段：（1）物理作用下的細菌碰撞和粘附；（2）多種作用力下的聚集體形成；（3）胞外聚合物作用下的聚集體粘附；（4）水力剪切力作用下的顆粒污泥穩定［4］。

1.2好氧顆粒污泥性質

好氧顆粒污泥性質涵蓋物理、化學和生物三個方面，不同條件下培養出來的好氧顆粒在形態和組成方面差異較大。

（1）物理性質

好氧顆粒污泥通常呈球形和橢球形，粒徑范圍在0.3～8.0 mm；好氧顆粒污泥的密度通常為1.004～1.065 g/cm3，沉降速度可達25～70 m/h，遠高于絮狀活性污泥的沉降速度，為生化反應池維持高污泥濃度奠定基礎。

（2）化學性質

好氧顆粒污泥的疏水性明顯強于絮狀活性污泥，被認為是影響顆粒污泥形成的重要因素。疏水性受胞外聚合物中蛋白質和多糖比值影響，有研究表明蛋白質與多糖比值越高，疏水性越強，相對較高的蛋白質比例是好氧顆粒污泥一個重要特征。

（3）生物性質

好氧顆粒污泥具有很好的微生物多樣性，硝化菌、反硝化菌、聚磷菌和聚糖菌在顆粒污泥中均有發現，各類功能菌的種類和比例受好氧顆粒污泥的培養條件影響較大，國內外研究人員根據實際處理需要培養出同時脫氮除磷顆粒污泥、硝化顆粒污泥、亞硝化顆粒污泥等［5］。

1.3好氧顆粒污泥培養方法

好氧顆粒污泥快速有效培養和穩定維持對工程化至關重要。同活性污泥相比，好氧顆粒污泥系統運行控制參數值域較窄，其培養條件也更為苛刻。目前顆粒污泥培養方法主要來源于污泥顆粒化理論，主要從接種污泥、水質與負荷、進水控制、剪切力、沉淀時間以及凝結核等方面進行強化。

（1）接種污泥

選擇合適的接種污泥往往可起到事半功倍的效果，以好氧顆粒污泥作為接種污泥，將大幅縮短培養時間；以活性污泥為接種污泥時，應考慮接種污泥的功能性，即若培養硝化顆粒污泥應接種具有硝化功能的污泥；有研究表明接種污泥疏水性越高，培養周期越短［6］。

（2）水質與負荷

研究人員采用城市生活污水、葡萄糖、醋酸鹽、淀粉等底物均成功培養出好氧顆粒污泥，正二價、正三價離子有助于帶負電荷細胞形成聚集體，從而加速好氧顆粒污泥的形成，投加Ca2+、Mg2+等可強化好氧顆粒污泥的培養［7］。

研究表明有機負荷在2.5～15 kgCOD/（m3·d）范圍內均可培養出好氧顆粒污泥［8］，但低有機物負荷不利于好氧顆粒污泥的培養，此外有研究表明負荷交替可加速好氧顆粒污泥的培養［9］。

（3）沉淀

基于“選擇壓”理論，利用絮狀污泥和顆粒污泥之間沉降性能的差異，研究人員通過控制混合液沉淀時間，加快了好氧顆粒污泥的培養過程。王昌穩等的研究表明，污泥平均粒徑與沉淀時間具有很好的負相關性，且沉淀時間小于5 min（SBR反應器），才能形成顆粒污泥［10］。

（4）剪切力

研究表明剪切力可刺激胞外聚合物的產生，促進好氧顆粒污泥形成，使顆粒污泥粒徑變小、結構更密實。有研究在不依賴選擇壓的情況下，主要通過剪切力控制培養出穩定高效的好氧顆粒污泥系統［11］。剪切力的大小主要通過曝氣量控制，為控制運行能耗，不宜采用過高的剪切力，但有研究表明氣體上升流速低于0.3 m/s將無顆粒污泥產生［12］。

（5）進料控制

進料控制可使好氧顆粒污泥系統處于飽食/饑餓狀態，雖然飽食/饑餓狀態對好氧顆粒污泥過程的影響尚缺乏定論，合理的饑餓時間對維持好氧顆粒污泥系統十分重要。

（6）晶核

晶核在好氧顆粒污泥的形成過程中起到重要作用，有研究通過投加0.2 mm的顆粒活性碳，有效強化了好氧顆粒污泥的培養［13］。

2　好氧顆粒污泥工程應用分析

2.1好氧顆粒污泥工程應用現狀

從好氧顆粒污泥的應用領域、典型工藝和實際工程三個方面總結好氧顆粒污泥的工程應用現狀。

（1）應用領域

根據已有的研究和相關工程，好氧顆粒污泥具有廣泛的適用性，可用于有機物和氮磷去除、毒性有機物去除、重金屬去除、顆粒物去除和核廢物去除等。城市生活污水量大面廣，好氧顆粒污泥處理城市生活污水是工程化應用的重點。

（2）典型工藝

基于好氧顆粒污泥的典型工藝包括Nereda、ARGUS和PEFBIOF［14］，其中Nereda工藝應用范圍較廣，目前在世界各地擁有二十余項工程。

Nereda工藝通過特定設計和控制模式使生化反應池內形成好氧顆粒污泥，其運行模式在傳統SBR（進水/曝氣/沉淀/潷水）基礎上進行優化，一個完整的運行周期包括同時進水/出水、曝氣和沉淀三個階段。Nereda工藝配備定制的控制系統，保障工藝系統的自動運行，并根據水量、水質和溫度的變化調整運行參數，使工藝系統始終處于穩定高效的運行狀態。

ARGUS工藝由克羅地亞Eco-Engineering公司開發，主要通過引入合適的工業廢水在側線培養富集好氧顆粒污泥，然后連續或者分批投加到污水處理主線，從而保證整個系統的穩定和高效。

（3）實際工程

好氧顆粒污泥技術已在多項實際工程中得到應用。根據DHV公司的介紹，截至2015年6月，Nereda工藝目前已在全球擁有25座工程案例，其中實際運行工程13座，在建工程9座，設計階段工程3座。南非Gansbaai是第一座處理城市生活污水的Nereda污水處理廠，荷蘭的Garmerwolde污水處理廠規模30 000 m3/d，是目前在運行的最大好氧顆粒污泥處理系統。巴西擁有多項工程處于設計和建設階段，其中在建的 Deodoro，Rio de Janeiro污水處理廠規模達到86 400 m3/d，處于設計階段的Jaboatao，Recife污水處理廠一期工程即達到了109 683 m3/d［15］。ARGUS工藝也成功應用到多家工業廢水處理廠以及Lendava污水處理廠的升級改造工程［14］。

2.2好氧顆粒污泥工程應用的技術經濟分析

在我國污水處理廠進水復雜多變、排放標準日趨嚴格的情況下，好氧顆粒污泥進行具體工程應用時需重點分析技術和經濟可行性。

（1）技術可行性

大量的研究和工程實踐已經證明，好氧顆粒污泥可對污染物進行有效去除，但落實到具體工程仍需考慮出水的達標問題。部分好氧顆粒污泥污水處理廠出水水質如表1所示，這些污水處理廠出水水質均很好地達到了所在地的排放標準。同我國目前普遍執行的GB18918-2002一級A標準相比，部分污染物的去除仍需進一步強化：有機物去除方面，出水COD濃度較高，考慮到未來出水COD濃度標準降至40 mg/L以下，需進一步處理才能保證穩定達標；NH4+-N去除方面，出水NH4+-N濃度可穩定達標；TN去除方面，脫氮效果較好，不僅可穩定達到GB18918-2002一級A標準，也能滿足未來出水TN指標降至10 mg/L的排放標準；TP去除方面，生物除磷總體效果較好，但仍需輔以化學除磷才能保證穩定達標。從處理效果方面看，好氧顆粒污泥系統作為生化處理的主體工藝是可行的，但是好氧顆粒污泥技術的實際工程經驗相對缺乏，在具體項目中仍需進行系統的試驗，以確保技術可行性。

表1　部分好氧顆粒污泥污水處理廠出水水質［15，16］

根據好氧顆粒污泥實際運行工程的進水水質，進水COD濃度普遍高于500 mg/L，其脫氮除磷碳源充足，因此在一個反應池內可進行較好的脫氮除磷，如果進水有機物濃度低，特別是碳氮比較低時，好氧顆粒污泥系統的TN和TP去除效果需進一步驗證。

工藝穩定性是工程化應用的重要影響因素，好氧顆粒污泥的運行參數范圍相對較窄，工藝控制的要求更高，因此好氧顆粒污泥工程化過程中一方面需提高工藝運行的自動化控制水平，建立智能決策系統，另一方面需加強技術培訓，提高運行人員的技術水平。

（2）經濟性

好氧顆粒污泥系統由于可以維持較高的污泥濃度，生化反應停留時間較短，因此可減少反應池容，降低土建費用，節約建設用地。部分好氧顆粒污泥技術介紹中好氧顆粒污泥工藝占地僅為傳統活性污泥工藝的20%～30%，應該指出這種節地效果的描述并不全面。在典型污水處理廠中，生化工藝占地為污水處理廠總占地面積的25%左右，而通過好氧顆粒污泥應用，整個污水處理廠可節約用地20%左右，若考慮到好氧顆粒污泥系統需配合一定容積的調節池，其節地效果將受到進一步影響。

在運行方面，有文獻提出好氧顆粒污泥系統具有運行能耗低，產泥量小等優勢。由于好氧顆粒污泥通常需維持較高剪切力，曝氣強度較高，如果維持剪切力的曝氣量超過污染物降解所需曝氣量，將存在一定程度上的浪費，因此好氧顆粒污泥處理進水耗氧污染物濃度低的污水并不一定經濟。

2.3好氧顆粒污泥工程應用的技術難點

我國目前已建成3 700多座污水處理廠，處理規模超過1.5億m3/d，新建項目將主要集中在技術力量相對薄弱的縣城及村鎮。好氧顆粒污泥技術在新建項目中推廣應用空間不大，因此好氧顆粒污泥工程應用重點應集中在已有污水處理廠內部挖潛和提標改造工程。

（1）系統構建

雖然好氧顆粒污泥技術的機理研究已比較深入，在試驗室和實際工程中都成功構建了好氧顆粒污泥系統，但是針對不同工況快速構建并穩定維持好氧顆粒污泥系統仍缺乏全面的經驗和理論支持，特別是基于原有處理設施的改造工程，其技術難度更高，好氧顆粒污泥與現有污泥系統的有效銜接是值得探討的問題。

（2）波動影響

污水處理系統受溫度、水質和水量等波動的影響，特別是溫度，低溫條件下好氧顆粒污泥穩定維持和污染物去除能力均存在一定問題，部分研究對低溫條件下的好氧顆粒污泥系統開展了研究，并取得了建設性成果。此外好氧顆粒污泥系統抗水力沖擊能力較弱，工程上可通過增設緩沖調節池保持進水量的穩定。

3　結　論

本文歸納了好氧顆粒污泥技術的研究成果，總結了好氧顆粒污泥培養和維持方法，分析了好氧顆粒污泥工程應用的技術和經濟可行性，提出了可好氧顆粒污泥在我國進行工程化應用需重點考慮的技術難點，可為該項技術在我國污水處理領域的推廣應用提供支撐。

在GB 18918-2002一級A排放標準下，好氧顆粒污泥技術可作為生化處理工藝，但具體項目需要進行系統的試驗驗證。好氧顆粒污泥系統需進水有機物濃度較高，一方面可充分發揮系統的處理效能優勢，保證脫氮除磷效果；另一方面可使維持剪切力的曝氣量與污染物降解所需曝氣量相對平衡，減少曝氣量的浪費。鑒于我國已建成大量污水處理廠，好氧顆粒污泥與現有污泥處理系統的合理銜接是值得探討的問題，此外好氧顆粒污泥系統在低溫條件下的控制和維持方法仍需進一步研究。

［1］Mishima K，Nakamura M.Self-immobilization of aerobic activatedsludge—a pilot study of the aerobic upflow sludge blanket process in municipal sewage-treatment［J］.Water Sci Technol 1991 （23）:981-990.

［2］Heijnen J.J.and M.C.M.van Loosdrecht，.Method for Acquiring Grain-shaped Growth of a Microorganism in a Reactor:European Patent，EP0826639［P］.1998.

［3］郝曉地，孫曉明，Mark van Loosdrecht.好氧顆粒污泥技術工程化進展一瞥［J］.中國給水排水2011，27（20）:9-12.

［4］Liu Y，Tay J H.The essential role of hydrodynamic shear force inthe formation of biofilm and granular sludge［J］.Water Research，2002，36（7）:1653-1665.

［5］Sunil S.Adav，Duu-Jong Lee，Kuan-Yeow Show，Joo-Hwa Tay. Aerobic granular sludge:Recent advances［J］.Biotechnology Advances.2008（26）:411-423.

［6］Wilen BM，Onuki M，Hermansson M，Lumley D，Mino T. Microbial community structure in activated sludge floc analysed by fluorescence in situ hybridization and itsrelation to floc stability［J］. Water Research，2008，42（8-9）:2300-2308.

［7］劉紹根，孫菁，徐銳.Ca2+、Mg2+對好氧污泥快速顆粒化的影響研究［J］.環境科學學報，2015，35（1）:168-176.

［8］Liu Y，Tay J H.State of the art of biogranulation technology for wastewater［J］.Biotechnology Advance，2004，22（7）:533-563.

［9］沈娜，楊昌柱，濮文虹，等.負荷交替法快速培養好氧硝化顆粒污泥的研究［J］.環境科學，2013，34（4）:1464-1471.

［10］王昌穩，李軍，趙白航，等.好氧顆粒污泥的快速培養與污泥特性分析 ［J］.中南大學學報：自然科學版，2013，44（6）: 2623-2628.

［11］Dandan Zhou，Shu Niu，Yongjiao Xiong，et al.Microbial selection pressure is not a prerequisite for granulation:Dynamic granulation and microbial community study in a completemixing bioreactor［J］. Bioresource Technology，2014（161）:102-108.

［12］Tay JH，LiuQ S，LiuY.The effectofupflow airveloc-ity on the structure ofaerobic granules cultivated in a sequencing batch reactor［J］.WaterSciTechno.2004，49（11-12）:35-40.

［13］Zhou，J.H.，Zhao，H.，Hu，M.，Yu，H.T.，Xu，X.Y.，Vidonish，J.，Alvarez，P.J.J.，Zhu，L.，Granular activated carbon as nucleating agent for aerobic sludge granulation:effect of GAC size on velocity field differences（GAC versus flocs）andaggregation behavior［J］. Bioresour Technol.，2015（198）：358-363.

［14］季民，魏燕杰，李超，等.好氧顆粒污泥處理實際污（廢）水的研究與工程化應用進展［J］.中國給水排水，26（4）:10-14.

［15］Giesen，A.，de Bruin，L.M.M.，Niermans，R.P.，van der Roest，H. F..Advancements in the application of aerobic granular biomass technology for sustainable treatment of wastewater［J］.Water Pract.Technol.，2013，8（1）:47-54.

［16］M.Pronk a，M.K.de Kreuk，B.de Bruin，et al.Full scale performance of the aerobic granular sludge process for sewage treatment［J］.Water Research，2015（84）:207-217.

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1009-7716（2016）07-0327-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.097

2016-03-16

上海市科委啟明星計劃（14QB1403900）

沈昌明（1980-），男，江蘇揚州人，博士，高級工程師，主要從事水污染控制方面的研究工作。