王凱軍：連續流好氧顆粒污泥技術的突破與革新之路
時間：2022-09-05
來源：中國水網
作者：焱焱整理
8月3日下午，在“2022（第二十屆）水業戰略論壇”上，清華大學環境學院教授、國家環境保護技術管理與評估工程技術中心主任王凱軍，以“連續流好氧顆粒污泥技術突破——淺談華益德之大規模工程應用”為主題，講述了華益德公司連續流好氧顆粒污泥技術在30000噸示范項目中的應用，分享了華益德公司在連續流好氧顆粒污泥的工藝、機理以及突破。
作為技術驅動型企業，華益德公司一直致力于連續流好氧顆粒污泥的培養、形成過程、顆粒化影響的研究工作，目前也將基于好氧顆粒污泥自主研發的（SPND）工藝應用于市政污水處理廠提標改造、白酒工業廢水、制藥工業廢水、醫院污水處理、村鎮污水處理等項目。
8月3日下午，在“2022（第二十屆）水業戰略論壇”上，清華大學環境學院教授、國家環境保護技術管理與評估工程技術中心主任王凱軍，以“連續流好氧顆粒污泥技術突破——淺談華益德之大規模工程應用”為主題，講述了華益德公司連續流好氧顆粒污泥技術在30000噸示范項目中的應用，分享了華益德公司在連續流好氧顆粒污泥的工藝、機理以及突破。
王凱軍
追根溯源——好氧顆粒污泥的發展歷程和技術關鍵
王凱軍表示，污水處理顛覆性技術發明較少，目前較集中于厭氧氨氧化技術，衡量改造技術優劣的標準之一是節能和節省投資的比例問題，如果一個新技術不能節省30%，那么其就不能作為重大突破技術。活性污泥領域好氧顆粒污泥技術是具有重大創新的技術，活性污泥工藝一般較為復雜，但在好氧顆粒污泥中所有工藝單元化為一個工藝單元。如下圖所示，為荷蘭以代爾夫特為主發明的好氧顆粒污泥工藝，因為污泥濃度高、容積負荷高，顆粒污泥沉速快不用二沉池，所以節約75%占地；因沒有二沉池，所以沒有回流，節省30%能耗；因顆粒污泥結構特點，可以實現碳、氮、磷一體化去除，讓出水水質好。
好氧顆粒污泥工藝對傳統活性污泥的替代
目前，全世界范圍內累計有3000多篇相關研究。如下圖所示，紅色部分是中國學術界的相關研究，僅有的幾篇連續流好氧污泥顆粒的相關研究也是從近幾年開始逐漸豐富。中文文章檢索于CNKI，將關鍵詞設置“好氧顆粒污泥”、“連續流”；英文文章檢索于Web of Science/Scopus，關鍵詞設置為“aerobic granular sludge”、“continuous flow”，將限制范圍鎖定在Article，結果顯示只有189篇相關研究，進一步去掉綜述及不相關文獻，結果顯示只有57篇連續流好氧顆粒污泥的密切相關研究（見下綠色小圖）。
連續流好氧顆粒污泥的學術研究概況
在研究序批好氧顆粒污泥的3000多篇文章以及幾百個研究團隊中，只有Mark的研究組取得成功，并將序批式好氧顆粒污泥推向應用，其理論基礎是饑餓豐盛機理。在連續流活性污泥工藝中借助厭/缺氧、好氧手段等實現好氧顆粒污泥，目前相關研究主要有兩個方向：第一，以饑餓豐盛理論為主，試圖將幾個池子變成饑餓段和豐盛段；第二，借助選擇性理論，淘汰輕的絮體，其后進入加3分鐘或者5分鐘的沉淀池，通過選擇淘汰絮狀污泥。
連續流好氧顆粒污泥的相關研究和試驗之所以意義重大是因為連續流污水廠占絕大多數，連續流好氧顆粒污泥需求的污水流態和實際水廠的污水流態相匹配，更適于工程改造，更容易推廣應用。
目前，形成好氧顆粒污泥的技術關鍵是以豐盛－饑餓方式運行，采取3-5分鐘的沉淀時間，沖洗淘汰方式，顆粒污泥碳氮磷去除微生物的競爭優勢。除此之外，在好氧顆粒污泥培養中顆粒化不僅僅限于產甲烷微生物，與甲烷菌相類似的其他緩慢生長微生物中也可發生顆粒化現象。只要采用適合的反應器形式并以正確方式運行，在其他生物處理工藝也能形成顆粒污泥。其中升流式污泥床(USB)反應器結構有利于顆粒化過程。
推進研究——華益德連續流好氧顆粒污泥工藝路徑
王凱軍表示，華益德連續流好氧顆粒污泥工藝路徑最早并非誕生于實驗室，先是發現于湖北的200噸/天生活污水處理工程中，其后又在酒廠污水處理站升級改造工程中被發現，酒廠污水處理站污水來源為白酒廢水，設計處理水量為100m³，設計進水COD為10000mg/L。采用“調節池+UASB+一級SPND+二級SPND+混凝沉淀”工藝。
華益德公司在項目運營中發現的好氧顆粒污泥如下所示，好氧顆粒污泥沉淀性能良好，顆粒形態良好。但隨之也產生相關問題，好氧顆粒污泥產生的機理和原因是什么？
隨后，華益德公司邀請王凱軍老師跟蹤30000噸示范項目連續流好氧顆粒污泥現象的研究。如下圖所示，華益德公司對連續流好氧顆粒污泥現象的研究分為以下兩個部分：
第一部分是左上方紅色區域的3000m³/d中試實驗區，利用缺氧、好氧兩極形式進行試驗，從研究結果來看，在3000m³/d中試實驗中出現部分顆粒污泥現象，在該階段顆粒化程度不太高；
第二部分是25000m³/d到27000m³/d中試實驗區，在原有缺氧、好氧的氧化溝中，分為一個缺氧區、一個好氧區，好氧區上部有分離器，以該種形式進行改造。從耗時兩年取得改造成效可以從處理量、出水COD、氨氮濃度等方面來看：
從處理量和出水COD來看，旱季來水量少，平均處理量大約是2.5萬噸；雨季來水量大，處理水量接近3萬噸，雨天甚至會超過3萬方。出水COD方面，除去啟動時有波動外，其余均穩定達標，2021年、2022年均穩定在25mg/L左右。
從出水氨氮穩定性來看，出水NH3-N實現穩定達標，平均0.6 mg/L；較改造前的1.9mg/L，降低1.2mg/L；出水TN實現穩定達標，平均10.3mg/L；較改造前的13.6mg/L，降低2.7mg/L，水質提升明顯，日均出水穩定達標，消除了該廠出水總氮不達標的風險。從統計學角度出發，出水氨氮值在2021年的最大值為-1.4 mg/L ；2022年的最大值為-0.83mg/L，均遠低于較改造前的1.9mg/L。出水總氮值在2021年最大值為的-14.6mg/L；2022年的最大值為-13.5mg/L，均遠低于改造前的13.6mg/L。
從顆粒污泥形成、粒徑等來看，污泥顆粒化比例在20%左右。啟動后，顆粒化比例和平均粒徑均逐漸升高；在11月底，由于冬季水溫降低，顆粒化比例和平均粒徑的兩項指標下降；從粒徑分布情況來看，粒徑<0.1µm的污泥逐漸減少，污泥粒徑逐漸增大。
探究本質—華益德公司連續流好氧顆粒污泥機理
1.連續流好氧顆粒污泥的異常現象分析
王凱軍表示華益德的研究沒有拘泥于饑餓豐盛理論中，連續流好氧顆粒污泥研究發現一個反常現象，在缺氧區大部分氨氮和總氮得到去除，不像序批工藝總氮主要在好氧區被去除。基于反常現象對其菌群進行研究，發現顆粒污泥中存在如存在PAO、DPAO、GAO功能菌等各類反硝化細菌。
通過間歇式活性污泥法實驗，對顆粒污泥進行強曝氣處理，在曝氣過程觀察氮的變化，通過觀察可以看出：顆粒污泥較多的氨氮去除量較多。其原因是顆粒污泥結構導致同步硝化反硝化現象發生，曝氣過程中氨氮轉化為硝酸鹽，在顆粒污泥內部發生反硝化現象。粒徑一定情況下，內部缺/厭氧區隨著DO增加而減少；如果DO一定情況下，厭氧區隨粒徑減少而減少。證實粒徑>0.2mm的污泥具有同步硝化反硝化能力，小于0.2mm的污泥同樣具有同步硝化反硝化能力，因此推斷微氧池發生了同步硝化反硝化。
2. 連續流好氧顆粒污泥的饑餓-豐盛理論研究
如前所述，現階段多數理論以豐盛為主，豐盛條件是為有足夠的底物維持微生物生長的條件，微生物吸取揮發酸之后轉變活性胞內聚合物，生長較為緩慢的聚磷菌可以發展，在連續的好氧污泥顆粒中豐盛條件判斷的標準是借助動力學理論衡量，過程較為復雜。華益德對反應器第一個池子處于微氧狀態，但是又有充足的曝氣量足以將大量氨氮轉化硝酸鹽，反應器處于好氧狀態，饑餓現象無法發生。
王凱軍教授根據華益德公司的實驗結果試圖解釋這一問題，針對連續流好氧顆粒污泥過程提出剪切誘導的逆饑餓-豐盛顆粒化形成過程的假說。剪切誘導的逆饑餓-豐盛顆粒化過程可以被分為三步：第一步顆粒污泥前體形成過程是絮狀污泥在曝氣剪切力作用下，形成顆粒污泥前體。在三千多篇相關學術研究中大部分都支持剪切力作用下形成顆粒污泥這一現象，在高負荷的內置沉淀池形成選擇作用；第二步顆粒污泥生長：顆粒污泥前體反復回流進入微氧池，在相對豐盛條件下得以迅速生長，即：顆粒污泥在好氧區回流到缺氧區后，在不斷生長中生成一定粒徑，從而導致微環境發生改變；第三步顆粒污泥分層成熟：一定粒徑的顆粒污泥在微氧池環境條件下，功能微生物分層生長，最終形成成熟的顆粒污泥。
最后，王凱軍表示，國際上目前對連續流好氧顆粒污泥的研究主要由兩種理論指導：第一是饑餓豐盛理論；第二是選擇壓理論。華益德在連續流好氧顆粒污泥的研究意義有兩點：第一，借助生產性規模3萬噸水平，初步實現好氧顆粒污泥；第二，在特定反應器結構中表現出獨特的機制。華益德公司在連續流好氧顆粒污研究中表現出的機制是否具有普遍性，是下一步需要深入研究的，同樣該機制的發現對于連續流好氧顆粒污泥的研究也是非常重要的，未來值得在華益德公司研究基礎上推動相關技術的發展。
