（来源 微信视频号：WATERCNWW1985）
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好氧颗粒污泥技术（AGS）因其快速沉降和高固体浓度特性，可省去占地面积较大的二沉淀池与耗能显著的回流设施，不仅能同时去除或回收碳、氮、磷等污染物，亦可减少75%的占地面积。目前，AGS技术在全球范围内的工程应用已达到70多例（包括我们在国内的首例工程案例，见公众号2021年4月27日推送文章：工程实例 | 国产好氧颗粒污泥工程见闻）。好氧颗粒污泥工程应用除技术原因限制外，基于SBR运行模式使其不太容易集成到既有、需依赖二沉池完成固-液分离的连续流污水处理厂。然而，人们对连续流反应器应用颗粒污泥的渴望也并非完全没有可能，三组并联运行的SBR颗粒污泥反应器其实便可构成一种“连续流”反应器。本期推送将介绍中心客座教授Mark an Loosdrecht等刚刚（1月27日）发表于《Science》的观点文章——Intensifying existing urban wastewater，介绍AGS技术优势、应用现状以及未来对连续流AGS技术的研发设想。
原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm3900
整理 | 张益宁 刘然彬 吴远远 郝晓地
随着全球人口持续增长，在水资源安全和可持续发展方面面临着一系列挑战，尤其是与水之社会循环息息相关的工程问题。另外，水业早已达成共识：污水为一种可行且可持续的资源/能源载体，不仅可以提供优质再生水，还可以通过资源/能源回收最大限度减少处理设施占地面积与能量消耗。然而，研发合适的技术解决方案或实现上述目标仍需要不断努力。在此方面，好氧颗粒污泥（AGS）技术似乎是解决上述问题的选择之一，该技术能够同时去除（或回收）碳、氮和磷；同时，该技术占地面积可减少多达75%。
目前，世界上55%人口居住在城市地区；预计到2050年，这一数字将增加至68%。这将使既有市政污水处理厂（WWTP）不堪重负，且缺乏空间允许其扩建。此外，很多国家已逐步收紧了对污水中营养物（氮和磷）的去除或回收目标，而既有污水处理厂传统工艺设计并不能灵活地增加功能来适应流量增加和更加严格的出水排放标准。况且，日趋老化的基础设施更加剧了这一问题的解决。即使在新冠大流行所引发的经济危机情况下，改善老化水系统基础设施的投资仍需要放在重中之重之位置。例如，一直以来，美国对其污水系统投资不足，但最近通过了一项大规模法案来更新其基础设施。这极大推动了技术创新和发展，以提供经济又可靠的解决方案。
颗粒污泥是生物膜结构的一种特殊形式，因为它们不需要依附任何载体生长，而是通过自凝聚、聚集所形成的球形颗粒，直径一般为0.5~2 mm，沉降速度是传统絮状污泥的10~15倍。基于此，可将絮状污泥选择性从系统中排出（Wash out）以富集颗粒污泥，提高固-液分离效率。AGS这一快速沉降和高固体浓度的特性可将沉淀单元被集成于处理单元之内，从而省去占地面积较大的二沉池和耗能显著的回流设施，即，可大大减少整个厂区的占地面积并强化了反应器运行处理效果。
在传统活性污泥系统中，污泥絮体须通过泵送循环于多个不同反应池，以完成对C、N和P的去除，在末端还需要沉淀池来完成泥水分离。从颗粒污泥结构和生物群落分布来看，硝化菌、聚磷菌 (PAO)、糖原菌 (GAO) 和其他功能微生物成层状分布。硝化菌为好氧菌，一般分布在颗粒污泥外层氧气丰富的地方，可完成氨氮到硝酸氮的转化。PAO虽可好氧生长，但更倾向于生长在颗粒内部（缺氧层），可将硝酸氮还原为氮气并吸收磷酸盐。两者协作可完成对C、N和P的转化与去除，实现水质净化目的。这一方式的优点是，通过EBPR过程形成的颗粒要比基于异养微生物形成的颗粒更加致密、稳定性更强。
因此，为了淘汰快速生长的异养微生物并促进生长相对缓慢的PAO 和GAO的富集并形成生物膜，反应器须在厌氧和好氧条件下交替运行，并采用厌氧段进水方式，即，直接将污水通过已沉降的颗粒污泥床注入完成。颗粒污泥可同时去除营养物且易于分离的特性，可以将整个污染物去除过程整合在一个序批式反应器（SBR）中，极大减少占地空间。当存在三个并联反应器时，可顺序协作运行，相当于传统连续流运行模式。
絮状污泥和颗粒污泥都具有营养物回收潜力，但颗粒污泥的特殊之处在于可回收可观的糖蛋白，它在化学和农业中具有良好的经济价值。AGS的高固体浓度也为磷回收提供了条件，通过剩余颗粒污泥厌氧释磷即可生产富含磷的上清液，从而不必通过厌氧消化池完成磷的回收过程。因此，AGS技术对于需要扩容但又受限于土地利用的市政污水处理厂可提供一种有效解决方案。
目前，AGS技术在全球范围内的工程应用已达到70多例。但是，其基于SBR运行的模式使其不容易集成到既有、依赖于沉淀池完成固液分离的连续流污水处理厂中。因此，要想将传统连续流反应器改造成AGS技术工艺，不得不暂停所有水处理功能，不仅繁琐且不友好。日前，在一传统连续流EBPR反应器中意外观察到大量基于PAO的颗粒污泥，这似乎表明，在连续流反应器中实现污泥颗粒化要比预期容易多。因此，在EBPR连续流系统可通过设置一个颗粒-絮状污泥分离选择器，借助于其厌氧环境来强化生长缓慢细菌（如，PAO和GAO）的富集以增强造粒能力，这可能是将AGS 技术整合进连续流反应器的一种解决方案。
好氧颗粒污泥系统的切片颗粒（左）包括硝化菌（红色）和反硝化聚磷酸盐蓄积生物（PAO）（蓝色）。颗粒来自连续流动系统（右）。
照片来源：STEPHNY WEI/华盛顿大学
在连续流反应器中实现污泥颗粒化的另一种方案是设置食物丰富和匮乏交替的好氧环境，虽然这一方案也可以产生颗粒污泥且容易实施，但它需要比厌氧进料方案更强的颗粒选择能力。迄今为止，用于连续流反应器中培养颗粒的主要选择压力是基于沉降速度，其中沉速较快的颗粒可通过固液分离器、外部沉降器等设备保留在系统中，再通过将较大的颗粒从分离器循环到厌氧区来促进颗粒中 GAO和PAO的生长，以进一步促进颗粒污泥的形成。
当然，在连续流反应器中进行污泥颗粒化仍面临很多挑战，例如，解耦絮状污泥与颗粒污泥停留时间。另外，还包括：1）产生足够碳源强化GAO和PAO的富集；2）曝气和混合搅拌策略；3）絮状和颗粒污泥尺寸分布对传质扩散的影响；4）平衡不同微生物间的竞争；5）在水处理过程中整合资源回收，特别是磷酸盐和生物聚合物。
总的说来，市政污水处理经过一个世纪的发展，正面临着向更加可持续方向发展的挑战，好氧颗粒污泥技术日趋成熟似乎给我们提供了令人兴奋的解决方案。这对于处理设施已经过时、且急需升级改造的污水处理厂来说，基于SBR模式运行的AGS是最佳选择，而连续流AGS更适合仍处于运行状态但需进行改造以强化现有基础设施的工厂。
作者简介：
Mark van Loosdrecht，中—荷中心客座教授，荷兰代尔夫特理工大学应用科学学院环境生物技术系系主任、教授，污水生物处理工艺，特别是环境生物技术领域的专家，荷兰皇家科学院与工程院双院士、美国国家工程院院士、中国工程院外籍院士，并获得世界水处理领域最高奖之一的新加坡李光耀水奖和斯德哥尔摩水奖。
来源：水业碳中和资讯
比较生物除磷系统中聚磷菌（PAOs）与聚糖菌（GAOs）的代谢模型差异，并分析两者竞争的关键影响因素。
传统A²O工艺存在的矛盾有以下几点
1、污泥龄矛盾
从生物除磷角度分析富磷污泥的排放是实现系统磷减量化的唯一渠道。
若排泥不及时，一方面会因 PAOs 的内源呼吸使胞内糖原 （Glycogen）消耗殆尽，进而影响厌氧区乙酸盐的吸收及聚 -β- 羟基烷酸（PHAs）的贮存，系统除磷率下降，严重时甚至造成富磷污泥磷的二次释放；另一方面，SRT 也影响到系统内 PAOs 和聚糖菌（GAOs） 的优势生长。
在 30 ℃的长泥龄（SRT≈ 10 d）厌氧环境中，GAOs 对乙酸盐的吸收速率高于PAOs，使其在系统中占主导地位，影响 PAOs 释磷行为的充分发挥。
2、碳源竞争及硝酸盐和DO残余干扰
在传统A²/O脱氮除磷系统中，碳源主要消耗于释磷、反硝化和异养菌的正常代谢等方面，其中释磷和反硝化速率与进水碳源中易降解部分的含量有很大关系。一般而言，要同时完成脱氮和除磷两个过程，进水的碳氮比（BOD5 /ρ(TN)）＞4～5，碳磷比（BOD5 /ρ(TP)）＞20～30。
当碳源含量低于此时，因前端厌氧区 PAOs 吸收进水中挥发性脂肪酸（VFAs）及醇类等易降解发酵产物完成其细胞内 PHAs 的合成，使得后续缺氧区没有足够的优质碳源而抑制反硝化潜力的充分发挥，降低了系统对 TN 的脱除效率。
反硝化菌以内碳源和甲醇或 VFAs 类为碳源时的反硝化速率分别为 17～48 、120～900 mg/(g·d)。因反硝化不彻底而残余的硝酸盐随外回流污泥进入厌氧区，反硝化菌将优先于 PAOs 利用 环境中的有机物进行反硝化脱氮，干扰厌氧释磷的正常进行，最终影响系统对磷的高效去除。
一般， 当厌氧区的 NO3-N 的质量浓度＞1.0 mg/L 时，会对 PAOs 释磷产生抑制，当其达到 3～4 mg/L 时，PAOs 的释磷行为几乎完全被抑制，释磷（PO4 3--P）速率降 至 2.4 mg/(g·d)。
按照回流位置的不同，溶解氧（DO）残余干扰主要包括：
1）从分子态氧（O2）和硝酸盐（NO3-N） 作为电子受体的氧化产能数据分析，以 O2 作为电子受体的产能约为 NO3-N 的 1.5 倍，因此当系统中同时存在 O2 和 NO3-N 时，反硝化菌及普通异养菌将优先以 O2 为电子受体进行产能代谢。
2）氧的存在破坏了 PAOs 释磷所需的“厌氧压抑”环境，致使厌氧菌以 O2 为终电子受体而抑制其发酵产酸作用，妨碍磷的正常释放，同时也将导致好氧异养菌与 PAOs 进行碳源竞争。
一般厌氧区的 DO 的质量浓度应严格控制在 0.2 mg/L 以下。从某种意义上来说硝酸盐及 DO 残余干扰释磷或反硝化过程归根还是功能菌对碳源的竞争问题。
传统A²O工艺改进策略
1、基于 SRT 矛盾的复合式
研究表明，当悬浮污泥 SRT 控制为 5 d 时，复合式 A²/O 工艺的硝化效果与传统 A²/O工艺相比， 两者的硝化效果无明显差异，复合式 A²/O工艺的载 体填料不能完全独立地发挥其硝化性能；若再降低悬浮污泥 SRT 则因系统悬浮污泥含量的降低致使 硝酸盐积累，影响厌氧磷的正常释放。
2、基于“碳源竞争”角度的工艺
解决传统 A²/O工艺碳源竞争及其硝酸盐和 DO 残余干扰释磷或反硝化的问题，主要集中在 3 方面：
-
针对碳源竞争采取的解决策略，如补充外碳源、反硝化和释磷 重新分配碳源（如倒置 A²/O工艺）等；
-
解决硝酸盐干扰释磷提出的工艺改革，如 JHB、UCT、MUCT 等工艺；
-
针对 DO 残余干扰释磷、反硝化的问题， 可在好氧区末端增设适当容积的“非曝气区”。
a、补充外碳源
补充外碳源是在不改变原有工艺池体结构及各功能区顺序的情况下，针对短期内因水质波动引起碳源不足而提出的应急措施。一般供选择的碳源可分为 2 类：
1）甲醇、乙醇、葡萄糖和乙酸钠等有机化合物；
2）可替代有机碳源，如厌氧消化污泥上清液、 木屑、牲畜或家禽粪便及含高碳源的工业废水等。相对糖类、纤维素等高碳物质而言，因微生物以低分子碳水化合物（如，甲醇、乙酸钠等）为碳源进行合成代谢时所需能量较大，使其更倾向于利用此类碳源进行分解代谢，如反硝化等。
任何外碳源的投加都要使系统经历一定的适应期，方可达到预期的效果。
针对要解决的矛盾主体选择合适的碳源投加点对系统的稳定运行和节能降耗至关重要。一般在厌氧区投加外碳源不仅能改善系统除磷效果，而且可增强系统的反硝化潜能；但是若反硝化碳源严重不足致使系统 TN 脱除欠佳时， 应优先考虑向缺氧区投加。
b、倒置 A²/O 工艺及其改良工艺
传统 A²/O工艺以牺牲系统的反硝化速率为前提，优先考虑释磷对碳源的需求，而将厌氧区置于工艺前端，缺氧区后置，忽视了释磷本身并非除磷工艺的目的所在。
从除磷角度分析可知，倒置 A²/O 工艺还具有 2 个优势：
-
“饥饿效应”。PAOs厌氧释磷后直接进入生化 效率较高的好氧环境，其在厌氧条件下形成的摄磷驱 动力可以得到充分地利用。
-
“群体效应”。允许所有 参与回流的污泥经历完整的释磷、摄磷过程。然而有研究者认为，倒置 A2 /O 工艺的布置形式。
c、JHB、UCT 及改良 UCT 工艺
与分点进水倒置 A2 /O 工艺相比，JHB（亦称 A+ A2 /O 工艺） 和 UCT 工艺的设计初衷是通过改变外回流位点以解决硝酸盐、DO残余干扰释磷。
JHB 工艺中的氮素的脱除主要发生在污泥反硝化区和缺氧区，且两者的脱除量相当， 污泥反硝化区的设置改变了氮素在各功能区的分配比例，使厌氧区能够更好地专注于释磷。
JHB 工艺流程
与倒置 A2 /O 工艺相同，对于低 C/N 进水而言， JHB 工艺污泥反硝化区的设置可能会引起后续各功能区的碳源不足，为此也有必要采用分点进水方式。
与倒置 A2 /O 工艺不同，UCT 工艺是在不改变传统 A2 /O 工艺各功能区空间位置的情况下，污泥先回流至缺氧区，使其经历反硝化脱氮后，再通过缺氧区的混合液回流至厌氧区，避免了回流污泥中硝酸盐、DO 对厌氧释磷的干扰。
UCT 工艺流程
在进水C/N适中的情况下，缺氧区的反硝化作用可使回流至厌氧区的混合液中硝酸盐的含量接近于0；而当进水C/N较低时， UCT工艺中的缺氧区可能无法实现氮的完全脱除， 仍有部分硝酸盐进入厌氧区，因此又产生了改良UCT工艺（MUCT）。
与UCT工艺相比，MUCT将传统 A2 /O工艺中 的缺氧区分隔为 2 个独立区域，前缺氧区接受来自 二沉池的回流污泥，后缺氧区接受好氧区的硝化液， 从而使外回流污泥的反硝化与内回流硝化液的反硝 化完全分离，进一步减少了硝酸盐对厌氧释磷的影响。
以MUCT工艺为主体工艺的流程图
无论UCT还是MUCT，回流系统的改变强化了 厌氧、缺氧的交替环境，使其与JHB一样，缺氧区容易富集反硝化PAOs，实现同步脱氮除磷。
3、兼顾SRT矛盾及“碳源竞争”工艺
（一）新型双污泥脱氮除磷工艺
新型双污泥脱氮除磷工艺（PASF）工艺也可谓是传统 A2/O 与曝气生物滤池（BAF）的组合工艺， 是以分相培养为基础的双泥系统，能更好地满足各功能微生物对环境、营养物质及生存空间的最佳需 求。
在工艺设计及运行过程中，通过缩短前端 A2 /O 工艺好氧区的 HRT，将硝化过程从中分离而顺序“嫁接”于二沉池后端的 BAF。
对于 PAOs 的厌氧释磷而言，因前端的污泥单元不承担硝化功能，在理想条件下外回流污泥中不含有硝酸盐，为 PAOs 释磷创造了良好的“压抑”环境，使其优先利用原水中的 VFAs 类物质合成 PHAs 并释放磷；
再者，也因长SRT硝化菌以生物膜形式固着生长在填料表面而短SRT的 PAOs和反硝化菌呈悬浮态生长在前端的污泥单元，实现了硝化菌与反硝化菌、PAOs 等功 能微生物的SRT分离，缓解了SRT矛盾。
决定缺氧区反硝化效果的因素主要有2个：进入缺氧区的优质碳源（VFAs 和 PHAs）含量及来自 BAF 的内回流硝化液中的硝酸盐含量。
当进水 C/N 较高时，硝酸盐成为反硝化的限制因子，随着内回流比的增大缺氧区异养反硝化效果也相应提高，但升高幅度却呈递减趋势；
而当进水 C/N 较低时，因碳源成为反硝化的限制因子，根据异养反硝化菌和反 硝化 PAOs 对电子受体的竞争机制，适当提高内回 流硝酸盐负荷的方式刺激反硝化聚磷菌（DPAOs） 的优势生长，使其以硝酸盐为电子受体，并以 PHAs 为电子供体进行同步反硝化脱氮除磷，实现“一碳 两用”，同时可节省系统的能耗，减少污泥产量。
（二）双循环两相生物处理工艺
双循环两相生物处理工艺（BICT）是在序批式活性污泥法的基础上，增设独立的生物膜硝化反应器，使自养硝化菌与反硝化菌、PAOs 等异养菌分相培养，以克服脱氮与除磷间的 SRT 矛盾及硝酸盐、 DO 干扰释磷而开发的污水处理新工艺，其主体单元由厌氧生物选择器、序批式悬浮污泥主反应器、生物膜硝化反应器组成。
BICT工艺流程图
该工艺正常运行时主要完成 4 个操作过程：
1） 进水、曝气搅拌 + 污泥回流
原水与沉淀池的回流污泥在厌氧生物选择器内混合接触，借助高负荷梯 度产生的“选择压力”筛选出具有良好絮凝性的细 菌，并使 PAOs 厌氧释磷。此时，主反应器在曝气搅 拌的作用下，完成 COD 的去除及 PAOs 的超量摄磷；
2）缺氧搅拌 + 硝化液回流
主反应器接受来自生物膜反应器的硝化液，在机械搅拌作用下，完成反硝化脱氮，同时被挤出的混合液进入沉淀池，经沉淀分离后上清液进入生物膜硝化反应器；
3）再曝气（可选做）
吹脱污泥中包裹的氮气以利于泥水分离，也 可强化 PAOs 的好氧摄磷；
4）静止沉淀、滗水
静止沉淀的同时排出富磷污泥。此工艺独立硝化反应单元的设置消除了 SRT 与 硝化的高度关联性，SRT 不再是影响系统脱氮效率 的限制因子。
（三）BCFS 工艺
BCFS 工艺（Biologische Chemische Fosfaat Stikstof verwijdering） 可实现磷的完全去除和氮的最佳脱除。
BCFS工艺流程图
来源：“环保水圈”微信订阅号
