好氧顆粒污泥工藝在市政污水處理中的研究與應用

俞 晟，鐘旭東，胡 濤，華祝林，楊向陽，王劍喬

（1.蘇州市職業大學環境與分析研究室，江蘇蘇州 215104；2.蘇州希克曼物聯技術有限公司，江蘇蘇州 215007；3.江蘇明斯特環境科技有限公司，江蘇蘇州 215107；4.蚌埠市清泉環保有限責任公司，安徽蚌埠 233000）

近年來，雖然好氧顆粒污泥研究得到學者和專家的廣泛關注，對其研究也逐漸增多［1-13］，但由于好氧顆粒污泥相關理論沒有達成共識，工程化應用培養周期長（約40 d），工藝運行參數需優化確定，需進一步提高顆粒污泥成粒穩定性等因素，限制其在工程中的推廣和應用，其研究規模主要局限于小規模工業廢水應用的案例，至于其在市政污水處理領域內的應用，國內外更是鮮有報道［2-4，6-9］。因此，在市政污水好氧生化工藝中如何優化運行參數、縮短培養周期、提高成粒污泥穩定性及其在工程應用中推廣將是今后研究重點。本文旨在通過對文獻查閱和分析，綜述國內外市政污水處理工藝中好氧顆粒污泥工藝研究與應用的現狀，闡述好氧顆粒污泥成因機理、相關特性、影響因素，并對其在市政污水處理工程化研究應用進行討論。

1 顆粒污泥研究

好氧顆粒污泥是在有氧條件下，微生物通過自聚集形成具有顆粒狀規則外形、結構密實、沉降性能優良、污染物處理效果明顯的特殊的微生物聚集體［7，13］，即在流體動力條件下微生物自固定形成生物體團聚的特殊過程，較傳統活性污泥工藝，好氧顆粒污泥不易出現污泥膨脹和處理水質變差等問題［14-15］。

1.1 顆粒污泥的基本特性

在好氧條件下，培養顆粒污泥的條件較為苛刻，且在不同市政污水中不同操作條件和培養目的下培育出的好氧顆粒污泥在顆粒大小、粒徑分布、顏色、功能上也都存在著差異（表1）［16-21］。

1.1.1 色澤與粒徑

好氧顆粒污泥外表面呈橙黃色或淺黃色，表面含有大量孔隙，且成熟的好氧顆粒污泥外表面光滑致密，具備清晰規則的球形或橢球型輪廓。好氧顆粒粒徑一般為0.5～2.3 mm（其中最佳粒徑為 1.0～2.0 mm），且隨著顆粒污泥的粒徑增加，污泥沉降速率、顆粒污泥密度以及污泥比表面和疏水性數值均有所增大，而污泥體積指數（SVI）則進一步減小［14，17，21-23］。但當顆粒污泥粒徑 ＞4.0 mm以后，因顆粒內部或核內部傳質和擴散阻力增大，影響了胞外多聚物的分泌和微生物的生長繁殖，引發顆粒污泥外表面表層發生破裂，致使其顆粒污泥由外向內逐層疏松而重新分散為絮狀活性污泥［13-15，17-22］。因此，要得到顆粒污泥最經濟效率和運行狀態，就必須考慮顆粒污泥粒徑和生物活性等相互間的關系。

1.1.2 沉降性能

好氧顆粒污泥的平均密度約為 1.04～1.05×103kg／m3，污泥沉降比（SV）在 14%～30%，污泥體積指數 SVI＝ 20～50 mL ／g［17，22，23-25］。雖然好氧顆粒污泥平均含水率介于97%～98%，但其具有更高的沉降速率（可達 30 ～ 70 m／h）［23，26］，是絮狀污泥的5～6倍，因此可在較高的水力負荷條件下仍具有較高的運行穩定性和效率。

表1 傳統活性污泥與好氧活性顆粒污泥比較Tab.1 Comparison of Granulation of Traditional Activated Sludge and Aerobic Activated Sludge

1.1.3 微生物多樣性

顆粒污泥由外至內形成了好氧區、缺氧區以及厭氧區［23，25，27-30］。微生物有氧代謝，降解有機污染物，同時將氨氮等氧化為硝態氮（）和亞硝態氮。隨著擴散進入缺氧和厭氧區后，微生物便以和等為電子受體進行代謝，將和反硝化為如N2O和N2等低價態氮素而降低污水中氮素污染，同時完成吸磷準備［24，30-32］。可見豐富的微生物使得顆粒污泥具備良好的COD、BOD和TN去除效率，并且因其在反應池中MLSS和MLVSS較大，從而有利于增加反應池的污染負荷和容積負荷，提高了系統抗外界沖擊負荷的能 力［31，33］，進 而 減 少 市 政 污 水 處 理 廠 占 地面積［27，30，32-34］。

1.2 顆粒污泥的成粒理論

好氧顆粒污泥的形成過程是一個包含物理、化學和生物作用的復雜過程（表 2）［5，8，33］。目前，對于好氧顆粒污泥成粒機理仍然眾說紛紜，尚未形成統一定論，但是從文獻來看，與市政污水處理工藝密切相關的理論得到更多學者認可，但也存在較多爭議［34-47］。

表2 好氧顆粒污泥成粒理論比較Tab.2 Comparison of Granulation of Theories of Aerobic Granular Sludge

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1.3 顆粒污泥成形的影響因素

好氧顆粒污泥雖以污泥代謝活性高、消化速率快、運行連續性強及出水水質好等特點而備受青睞，但是由于運行條件苛刻、過程復雜等諸多限制因素，目前對好氧顆粒形成的影響因素的了解和報道還不夠深入。綜合已有文獻［48-58］，就市政污水處理工藝中有機物種類及負荷、水力條件以及反應器結構等進行分析和闡述（表3）。

表3 好氧顆粒污泥成形的影響因素Tab.3 Influencing Factors of Formation of Aerobic Granular Sludge

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2 顆粒污泥的工程應用

過去20年中，廢水生物處理理論研究和工程應用證明，固定化的活性污泥在水質凈化方面比懸浮活性 污 泥 更 具 有 效 率［7，18，55，62］。2004 年，荷 蘭DELFT大學van Loosdrecht教授等的全球專利成功運用到城市污水中試研究，其效明顯。2008年，世界上第一個NeredaTM技術工藝的市政污水廠在南非Gansbaai落成，處理量為 5 000 m3／d，出水經過消毒后，作為灌溉水回用，工藝的基建投資低20%，節電35%～45%，年運行費用降低50%。隨后，2011年的荷蘭Epe污水處理廠，設計規模為1 500 m3／h，設計運行溫度為8～25℃，已成為荷蘭全國能耗最低的市政污水廠（降低25%投資和運行費用），并完全滿足 TN＜5 mg／L、TP＜0.3 mg／L 的出水限值要求。荷蘭Garmerwolde污水廠的擴建工程自2013年開始運行投產以來，服務周邊52萬人口，處理能力提高到了 30 000 m3／d，高峰流量為4 200 m3／h，出水水質TN＜7 mg／L、TP＜1 mg／L，完全滿足排放標準要求，同時能耗降低了50%～60%。當前，荷蘭公司DHV（Royal Haskoning DHV）正在以Nereda作為技術品牌，對好氧顆粒污泥技術進行商業化推廣。隨著該技術的日漸成熟，DHV公司已在全球擁有20多個在市政污水中應用Nereda工藝的合同，也已經在巴西獲得了多個合同，其中包括在Limeira（設計規模為57 024 m3／d）和在里約熱內盧（設計規模為86 400 m3／d）的兩座市政污水廠。

2.1 效果及優勢

好氧顆粒污泥起源于20世紀80年代，因顆粒密實、沉降性能好、抗沖擊和有毒污染物強和較強的脫氮除磷能力，目前其在已有市政污水處理工藝中發揮著無可比擬的優勢［1，6，10］。在現有成功案例的污水處理廠中，市政污染物中COD、BOD和SS等去除率均高達90%以上，而TN去除率也達到了80%以上［19-24，29，35］，與傳統絮體活性污泥技術法相比，好氧顆粒污泥平均節約能耗30%、土地20%，其運行成本節約更是高達 50%［16，22，26］。可見，雖然現有研究對顆粒污泥的成形理論和控制參數尚未有統一的定論，但好氧顆粒污泥技術正憑借其特有的技術優勢，而快速全球化推廣使用。

2.2 技術難點及解決方案

2.2.1 技術難點

當前，關于好氧污泥顆粒的研究時間尚短，其成形的理論和機制仍在積極研究之中，同時由于培養周期長和控制條件相對復雜等條件，大大限制了其工程化（特別是市政工程）領域的大量應用，加之以對好氧顆粒污泥的形成過程、形成環境條件等因素缺乏實踐深入地探究，故而目前關于好氧顆粒污泥的研究，大部分還處于實驗室階段，因此現有工程化領域中關于好氧顆粒污泥的實踐應用報道較少［11，14-18，29，35］。

一般認為形成和穩定好氧顆粒污泥，生物有機負荷宜為2.5～15 kg COD／（m3·d），此負荷量在實驗室條件下可以通過人工配水（如葡萄糖基質）來實現［50-51］，而對于COD 負荷較低（通常為150～250mg／L）且污染物復雜（包含顆粒有機物和其他潛在有害物質）的市政污水，顆粒污泥的形成相對困難，通常需要更長時間形成顆粒污泥，且所成形的顆粒污泥粒徑更小［29，40］。此外，現有活性污泥法工藝大都采用完全混合式的處理方法，不能有效形成類似SBR水體動力學以及伴隨的物質和能量轉變，故而不利于反應池中形成大量的好氧顆粒污泥［41-45］。同時，目前傳統活性污泥法處理市政污水，效果仍然較好，而且現有污水廠升級改造的需求并不強烈，因此也阻礙了好氧顆粒污泥在市政污水廠的推廣使用［49］。

2.2.2 解決方案

總結前述，控制活性污泥工藝技術條件和環境是形成顆粒的主要因素，因此從反應器結構和污泥環境條件方面對顆粒污泥形成控制進行討論。

（1）改進反應器結構

目前，多數好氧顆粒污泥反應器的報道主要為序批式活性污泥法反應器（SBR），使活性污泥富營養期與貧營養期相互交替更迭，工程實踐也表明SBR操作模式和較大的高徑比（H／D）數值可選擇截留密度更大、沉降性更好的顆粒污泥［53，55］。筆者在工程實踐基礎上，自行設計了具有專利技術的基于固液分離的浸沒式好氧活性污泥成粒工藝裝置（表4），MLSS經由氣泡-活性污泥分選導流錐、曲線交錯平滑鼓凸的好氧活性污泥自團聚成粒通道、固液分離倉實現泥水分離，處理出水經由上清液緩沖倉和鋸齒出水堰流出，截留于固液分離倉的成粒好氧活性污泥，在自重的作用下進一步密實后再次流出進入好氧生化池，而固液分離倉內小密度成粒好氧活性污泥則篩分截留活性污泥絮體，以進一步降低了上清液緩沖區和出水中SS數值。技術處理后出水的COD、BOD和SS處理率均遠高于傳統好氧生化活性污泥反應器，迎合目前階段城鎮污水廠提標改造的發展趨勢。

表4 傳統生化處理與好氧活性污泥成粒生化處理市政污水工程化比較Tab.4 Comparison of Traditional Biochemical Treatment and Aerobic Activated Sludge Granulation in Municipal Wastewater Treatment

續 表

（2）調整環境條件

好氧顆粒污泥成形的兩個先決條件是水力剪切作用和反應池DO濃度［49，52-54］。水力剪切力為反應器曝氣強度和HRT綜合體現。現有工藝技術條件下，HRT和SRT往往相一致，而較高水力剪切作用造成污泥流失，不利于活性污泥在好氧生化池中累積和富集，造成活性污泥微生物種群單一［50］。而現有曝氣布設，未能有效使反應池中水流呈周期循環往復，同時為了節約能耗而一再減少曝氣強度，直接造成污泥間摩擦減少，致使所形成顆粒狀污泥粒徑較小且松散。現有工藝中二沉池污泥回流常用機械泵實現，在污泥進過泵體的過程中，易將初期形成的小顆粒污泥再次機械切割破碎至絮體，不利于顆粒污泥的成長和穩定［51，54-57］。基于固液分離的浸沒式好氧活性污泥成粒工藝裝置專利技術可以有效避免了以上問題的發生，在傳統完全混合型好氧生化池中加裝該裝置，有效促使MLSS形成長距離循環流動，實現污泥運動流經不同基質濃度條件和不同DO條件，有利于絮狀污泥產生更多EPS而促進顆粒污泥形成。在MLSS流經此裝置的過程中，絮狀污泥在平滑鼓凸通道內慣性自旋，產生的向心力引導絮狀污泥自團聚，而分選導流錐和分離倉一方面起到隔離上升氣泡干擾，另一方面的篩分作用造成MLSS中HRT和SRT的徹底分離，因此可在高水力剪切作用條件下截留更多活性污泥而豐富污泥中微生物種群結構。可見一體化好氧活性污泥成粒固液分離工藝裝置改變了傳統活性污泥法反應池條件（圖1），在此基礎上創造了長程污泥循環流動，進而可培養出好氧顆粒污泥，且此技術條件相對簡單，簡化了大量控制參數，促成好氧顆粒污泥快速成形和聚集，從而有利于完成污水廠升級和提標改造任務。

圖1 一體化好氧活性污泥成粒固液分離工藝裝置Fig.1 Solid-Liquid Separation Process Device of Integrated Aerobic Granular Sludge

3 結語

比較傳統活性污泥工藝技術，分析好氧顆粒污泥諸多優勢，已成為當前研究熱點，但由于成形影響因素復雜多變，運行條件控制苛刻等問題，如若運行參數條件控制不當便會造成污泥解體、出水水質惡化。此外，因成形理論存在爭議性，顆粒污泥數學模型的不完整性，好氧顆粒污泥的研究缺乏規律性和操作性。市政污水廠運用好氧顆粒污泥處理工藝技術，可以提高污染物負荷、增加抗沖擊能力、縮短停留時間、減少占地，因此在活性污泥工藝百年之際，顆粒污泥工藝技術的誕生與使用，為好氧生化工藝注入新的活力，有利于我國在市政污水領域占領技術先機，以及促成行業發展，為環境水污染控制貢獻一份力量。

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