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颗粒污泥|荷兰代尔夫特理工大学连续流工艺系统研究成果
发布者： 中国给水排水
2024-05-31
论文
污泥处理
三星
编者按：随着序批式（SBR）好氧颗粒污泥（AGS-SBR）技术（Nereda®）在全球范围内工程应用，开发应用于既有连续流反应器处理工艺（CFRs）的污泥颗粒化技术近年亦引发全球兴趣，因为大多数既有CFRs工艺普遍面临着原位扩容需要。在既有CFRs工艺基础上培养颗粒污泥将可能至少扩容1倍处理能力，同时无需增加二沉池体积而改善二沉池效果。这就是荷兰Harnaschpolder污水处理厂（位于Delft附近的Den Hoorn）为什么几年前启动合作研发（委托TU Delft）项目——HARKOS的一个动机。然而，连续流工艺的缺点是内外污泥回流导致的能耗要比SRB方式高30%，新建颗粒污泥工艺以SBR方式运行应该比连续流更具能耗优势。我国对连续流好氧颗粒污泥的深入研究不多，仅从污水处理实践中偶然发现了颗粒化现象（河北某地），但成因及其系统机理研究尚不成熟。5月16日，在代尔夫特理工大学（TU Delft）博士毕业答辩中，Viktor Albert HAAKSMAN（导师：Mark van Loosdrecht教授）以毕业论文形式系统地为全球业内呈现了其对连续流好氧颗粒污泥技术（AGS-CFRs）相关研究内容与见解，他的博士论文主要章节分别在Water Research上发表4篇文章。现将其主要研究内容进行整理概述，供国内同行了解。
整理 | 吴道琦
责编 | 郝晓地
据报道，采用厌氧阶段强化生物除磷（EBPR）的CFRs中常常会出现自发性污泥颗粒化现象，并且这也已被证明与厌氧池/选择器显著相关。实际上，厌氧选择器设计原理在一定程度上与序批式好氧颗粒污泥（AGS-SBR）工艺条件及技术原理非常相似，但需进一步证实前者的设计、污水组分与污泥颗粒化程度之间的相关性。为此，研究旨在进一步阐明SBR中厌氧阶段在AGS形成中作用的同时，将AGS-SBR技术转化为AGS-CFRs技术，以实现对连续流活性污泥工艺的强化与升级。
01
好氧条件下易生物降解有机底物的影响
通常，在活性污泥工艺中设置厌氧选择器能够有效避免后续好氧条件下仍有过多易生物降解有机底物（rbCOD），即，避免好氧条件下底物扩散限制影响带来的丝状菌膨胀问题。但在实际应用中，选择器内底物迅速扩散将难以确保rbCOD完全去除，而使其流入好氧阶段中，并对污泥性能产生上述影响。实际上，AGS-SBR中厌氧阶段采用底部活塞流式进水模式便是为了解决这一问题而生的。但不论如何，部分流入好氧阶段的rbCOD对该阶段中的AGS形态学和沉降性能影响尚未被研究，特别是在筛选具有厌氧储存胞内物质微生物和沉降速度选择压的工艺条件背景下的相关机制。这将为后续AGS-CFRs开发提供一定指导。
图1 WR(2020)原文及不同好氧rbCOD负荷情况下污泥形态变化特征
为此，该章节中通过在上述工艺条件下对好氧阶段逐步增加乙酸盐负荷，考查污泥形态及沉降性能变化。其中，随着好氧乙酸盐负荷增加，污泥体系除磷效率逐步降低，并在颗粒表面形成赘生物，随之引发了污泥沉降性能恶化及生物量冲刷与骤降。而在停止好氧乙酸盐供给10 d后，污泥各项性能指标恢复正常。实际上，通过实施筛选具有厌氧储存胞内物质微生物和沉降速度选择压的工艺条件，能够减弱好氧阶段中rbCOD对污泥性能的不利影响。在此基础上，若能够保证进水中大部分rbCOD在厌氧阶段被摄取，则能够允许一部分rbCOD（≤20% rbCOD，好氧乙酸盐负荷为4 mg COD/g VSS/h）进入好氧阶段，但超过这一阈值仍将导致污泥各项指标恶化。
02
不同厌氧进水模式下
易生物降解有机底物分配
在明晰了不同rbCOD负荷对好氧阶段中污泥影响机制后，该章节聚焦于厌氧阶段对污泥粒径及组分等分布情况的影响。通常，在CFRs中推流式厌氧选择器内，内/外循环污泥在悬浮状态下与进水接触。这将大大增加污泥絮体内的rbCOD扩散梯度，而难以形成相对致密且沉降性能良好的絮凝体。而在已成熟应用的SBR中所采用的底部活塞流式进水模式则能够有效富集AGS。这2种进水模式究竟如何影响厌氧选择器内底物的分布，及由此产生的颗粒大小分布和营养物去除效果尚不清楚。
图2 WR(2020)原文及不同厌氧进水模式的影响示意图
为此，该章节通过2种实验室规模SBR以模拟上述情况并作剖析（一种通过对沉淀后污泥床进行底部活塞流式进水，另一种则在厌氧阶段开始时以氮气射流混合同时脉冲进水）。结果显示，前者能够将大部分基质分配给大尺寸污泥，而后者则对絮状及颗粒污泥的基质分配趋于一致。显然，不同厌氧进水模式直接决定了不同尺寸污泥对基质的分配情况，而与颗粒的停留时间无关（SRT）。相比于后者，优先将有限基质供给于大尺寸污泥将有利于促进颗粒污泥的形成与稳定。
03
数学模拟好氧污泥颗粒化机制
在该章节中进一步比较了不同厌氧进水模式的作用效果，并与其他因素结合，形成6种假设的AGS形成机制（图3）。其中，厌氧阶段对能够储存rbCOD微生物的筛选和最大化rbCOD底物扩散作用是优先机制。两者通常也作为连续流活性污泥工艺系统中厌氧选择器的重要作用。此外，通过厌氧阶段中底部活塞流式进水模式所营造的对优良沉降性能污泥选择性供给基质作用为全尺寸AGS-SBR中好氧污泥颗粒化的驱动因素。这3种机制与另3种机制（选择压冲刷、基质类型和颗粒破碎）一同包含于1个数值模型中，并由4个子模型呈现：1）一维对流扩散模型：描述反应器内部流体力学；2）反应扩散模型：描述颗粒内部生长的基本物质转化过程；3）设定模型：用以在沉淀及进水阶段示踪颗粒；4）群体模型：由多达100 000簇颗粒组成，用以描述污泥颗粒化过程中的随机行为。该模型可以解析在实际应用中观察到的污泥颗粒化过程动力学，包括对滞后阶段和污泥颗粒化阶段的描述。
图3 6种好氧污泥颗粒化机制
（1、微生物选择，2、选择压冲刷，3、生物膜中底物扩散最大化，4、选择性基质供给，5、非颗粒形成基质，6、颗粒破碎）
图4 模型概述
（1、反应器中对流与扩散，2、通过边界层的传质，3、一维径向扩散，4、颗粒形成基质向PHA的转化，5、反应器中颗粒的沉降，6、基于个体的群体模型，7、颗粒破碎，8、从ASM 2d中有机底物转化模型转化为污泥颗粒化模型的示意图）
最终结果显示，选择性供给基质被确定为一个重要机制，这尚未在文献中报道过。颗粒形成基质与非颗粒形成基质的比值以及盛宴/饥荒比值决定了从滞后阶段到污泥颗粒化阶段的过渡能否成功。选择压筛选和选择性供给基质的效率均决定这一阶段转变速率。此外，大颗粒破碎成较小但具有优良沉降性能颗粒被认为是新颗粒的重要来源。即，污泥颗粒化过程是这6种机制的综合结果，若其中一种机制条件效果不佳，其他机制可以在一定程度上进行补偿。该模型为分析AGS形成的不同相关机制提供了一个理论框架，并可以作为一个包含详细营养物去除与转化过程的模型基础。
图5 WR(2022)原文
04
连续流反应器中选择压之营造
综合上述见解，该章节引申出一个AGS-CFR概念，并于以实际污水作为进水的中试规模反应器中开展研究，如下图所示。其主要作用原理与全尺寸AGS-SBR一致，通过2个交替工作的上流式厌氧选择器实现对能够厌氧储存rbCOD微生物的富集及颗粒污泥的培养。
图6 WR(2020)原文与中试规模连续流反应器示意图
（阶段I（PI）：采用两个交替作业的上流式厌氧选择器；阶段II（PII）：常规混合式厌氧选择器）
研究中主要对接种后AGS的生长情况进行考查（阶段Ⅰ），并再次重点研究了不同厌氧进水模式对rbCOD分配的影响（阶段Ⅱ）。阶段Ⅰ中产生了与全尺寸AGS-SBR相似的颗粒污泥，并且相较于进水水源污水厂的连续流活性污泥系统，对其氮磷的去除能力均提高了2倍以上。阶段Ⅱ却导致污泥强化生物除磷活性从大尺寸颗粒为作用核心到小尺寸絮体为作用核心转变，但硝化作用基本不受影响。因此，使用具有底部活塞流式进水模式的上流式厌氧选择器有利于AGS的长期稳定性，特别是对于发酵量（即所含rbCOD）较少的污水。该研究强调了AGS在提高现有连续流传统活性污泥系统的水力性能和生物处理能力方面的潜力。
05
对连续流好氧颗粒污泥技术的展望
论文末尾，作者根据中试研究，对连续流好氧颗粒污泥技术（AGS-CFR）提出了见解与展望。
就对连续流工艺的升级改造而言，毋庸置疑的是，利用合理的技术能够在其中实现颗粒污泥形成与稳定运行。但回过头来，未来的生物处理技术发展实质上应更多地关注生物量与处理能力的提高。因此，业界在了解到AGS-CFR技术优势的同时，也应看到其内外污泥回流能耗及改造难度提升等问题带来的限制，并与其他连续流工艺升级改造技术进行合理比较，最终寻求最优解。实际上，只有在实现AGS-CFR后，其基础设施仍能够维持几十年的使用寿命前提下，这一升级改造方案才可能是经济的。
对于已经实现应用的相似连续流污水处理技术——致密污泥（densified Activated Sludge: dAS）工艺，其通常通过外设水力旋流分离器等选择性污泥排除设施实现污泥沉降性能提高（SVI30可达40~50 mL/g），可降低丝状菌膨胀风险（其部分性质如图6所示），且无需对原有基础设施过多改造。相比于AGS，dAS只不过颗粒化程度及生物量较低而已（平均粒径<1 mm，MLSS<6 g/L）。就此而言，dAS工艺或许会是一个更为经济的选择。而未来的相关工作则应聚焦于能否在保持相同污泥沉降性能及颗粒化程度的同时，实现生物量有效提高。
图7 不同种类污泥间部分性质比较
