[碳中和] 低能耗技術(shù)之白話好氧顆粒污泥
我們在《污水廠實現(xiàn)“碳中和”的途徑》（點擊查看）一文中提到，實現(xiàn)污水廠的“碳中和”，除了把能量回收搞得多多的，還要把能量耗用搞得少少的。同時，我們在《污水廠“碳中和”升級一定是高成本嗎？》（點擊查看）提到，污水廠碳中和升級，可以朝污水廠、中水廠、能源廠和資源廠“四位一體”的方向發(fā)展。
業(yè)內(nèi)似乎也已形成共識：污水廠將從一座只確保廢水達(dá)標(biāo)排放的污水處理廠逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槿舾蓚€更小型、功能劃分更細(xì)化的資源回收廠。
污水處理技術(shù)的快速演變，也讓我們有了更多的選擇，例如：
以厭氧氨氧化、好氧顆粒污泥為核心的低能耗脫氮、生物降解技術(shù)；
以厭氧消化為核心的能量回收技術(shù)；
以膜為核心，結(jié)合其他深度水處理技術(shù)（如UV、高級氧化、生物活性炭等）的水回用技術(shù)；
以磷回收為主的資源回收技術(shù)等。
這些趨勢和發(fā)展預(yù)期會隨著生物技術(shù)和材料科學(xué)的進(jìn)步而得到進(jìn)一步的發(fā)展。因此，“碳中和”下的水處理廠，不僅需要更適應(yīng)各種功能性要求的變化，還需要更適應(yīng)技術(shù)的變化。
那么，后期我們將逐一討論碳中和下污水處理可適用的各種技術(shù)。敬請期待喲。
本次，我們先白話一下低能耗技術(shù)之一的好氧顆粒污泥技術(shù)（AGS）。
一、好氧顆粒污泥的起源與發(fā)展
說起好氧顆粒污泥的起源，我們回到長長的100多年前，從活性污泥開始白話起。
搞污水的都知道，活性污泥是1912年英國的克拉克（Clark）和蓋奇（Gage）發(fā)現(xiàn)的，他們對污水進(jìn)行長時間曝氣，發(fā)現(xiàn)水中就會長出污泥狀的東西，同時水質(zhì)也會變好。
這個現(xiàn)象激起了阿爾敦（Arden）和洛凱特（Lockgtt）的興趣，他們接著往下玩，每天把污水裝在瓶子里進(jìn)行曝氣，偶然發(fā)現(xiàn)，如果瓶子沒有洗干凈，瓶壁上還粘著污泥時，處理效果更好。
于是，他們每天結(jié)束實驗前，都把曝氣后的污水沉淀一下，只倒掉上面的清水，留著瓶底的污泥第二天繼續(xù)用，越玩越有意思，每天都很開心。（妥妥的跟我們現(xiàn)在將泥水進(jìn)行沉淀，將沉淀出來的清水收集，再將沉淀下來的污泥回流到反應(yīng)池的方式一套搞法?。?/p>
他們把這個污泥稱之為活性污泥，活性污泥法就這么發(fā)明了。
我們都知道，這個污泥并不是真正的泥，而是由各種微生物菌群加上所依附的有機物和無機物所組成，它之所以能凈化水，是因為微生物菌群的作用。
后來，活性污泥逐漸被廣泛用于污水處理。隨著人們對微生物的認(rèn)識不斷加深，又發(fā)展出了好氧化、厭氧法，以及厭氧、缺氧、好氧的不同組合而形成的各種活性污泥工藝。
1972年，荷蘭瓦赫寧根大學(xué)的Lettinga教授在處理甜菜廢水的6m³/d的UASB（升流式厭氧污泥床系統(tǒng)，厭氧生物法的一種）中試裝置中發(fā)現(xiàn)了顆粒污泥。顆粒污泥就是眾多微生物團聚成了一個顆粒小球，從而使單位容積內(nèi)的微生物量大量增加。
我們看一個圖片直觀感受一下，下圖的（a）是普通污泥，（b）是好氧顆粒污泥。
厭氧顆粒污泥的發(fā)現(xiàn)，使得高效厭氧反應(yīng)系統(tǒng)成為可能。
如果把最開始誕生的厭氧生物法相對負(fù)荷，也就是處理效率，設(shè)定為1，那么通過強化污泥回流的UASB反應(yīng)器相對負(fù)荷可以提到5，也就是5倍，而厭氧顆粒污泥的發(fā)現(xiàn)使其迅速提高至25，后來，第三代強化接觸的膨脹床顆粒污泥系統(tǒng)（EGSB）進(jìn)一步提高到75。也就是，處理效率相當(dāng)于最初的75倍。
可以說，顆粒污泥的發(fā)現(xiàn)，改寫了厭氧技術(shù)的發(fā)展歷程，甚至可以說，改變了整個污水處理行業(yè)的技術(shù)發(fā)展歷程。因為隨之而來，才引起了對各種微生物顆粒的研究。
1975年，瓦格寧根大學(xué)與研究中心（WageningenUniversity & Research，簡稱WUR）
開始全面系統(tǒng)的研究污泥顆?；F(xiàn)象。
通過不斷研究和發(fā)展，顆粒家族已經(jīng)形成了厭氧顆粒污泥、厭氧氨氧化顆粒污泥、好氧顆粒污泥、生物脫硫顆粒污泥等幾大成員的格局。
說到這里，我們不得不膜拜一下荷蘭，顆粒家族的成員基本都是荷蘭發(fā)展出來的，工程化應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)也在他們那兒。所以荷蘭人號稱都是用顆粒處理污水的。
顆粒污泥的形成，主要源自于生物自絮凝現(xiàn)象。我們?nèi)绻诜磻?yīng)器中放入填料，污泥就會趴在上面，形成生物膜；而如果沒有填料，污泥就會互趴，你趴著我，他趴著你，大家手拉手，肩并肩，緊緊團結(jié)在一起，形成一個球。
所以，顆粒污泥就是無需內(nèi)核，自固定化的生物膜。
不同的顆粒污泥主要是組成的功能菌群不同。例如：厭氧顆粒污泥主要由產(chǎn)酸、產(chǎn)甲烷菌群團聚而成；厭氧氨氧化顆粒污泥主要由厭氧氨氧化菌組成；好氧顆粒污泥則根據(jù)硝化、除磷、同步脫氮除磷等不能功能需求，由不同的功能微生物呈現(xiàn)分層分布。
由此可見，我們今天談的好氧顆粒污泥法（AGS），其實不是一種裝置，而是一種培養(yǎng)出好氧法下，硝化、除磷或同步脫氮除磷的顆粒型生物功能群菌的方法。
也就是說，無論采取什么辦法，搞得出多多的顆粒污泥就行。顆粒越多越優(yōu)秀，有個專門的衡量指標(biāo)叫顆?；省?/p>
關(guān)于好氧顆粒污泥第一個研究性的工作，是由日本學(xué)者開展的。
1991年，Mishima模仿厭氧UASB反應(yīng)器制作了一個好氧升流式污泥床反應(yīng)器，用純氧曝氣，培養(yǎng)出了好氧顆粒污泥。
可能是看到厭氧顆粒污泥那么好，于是依葫蘆畫瓢照著搞好氧顆粒污泥。但由于是純氧曝氣，能耗過高，難度較大，未能實現(xiàn)推廣。
隨后，慕尼黑大學(xué)的Morgenroth教授與代爾夫特理工大學(xué)的Mark vanLoosdrecht教授組成了聯(lián)合研究組，分為兩個小組分頭開展研究。
Morgenroth組采用實際污水，MarkvanLoosdrecht教授組采用的是實驗室合成污水。從顆粒污泥的培養(yǎng)速度來看，后者更快了一些。1997年，雙方合作在《Water Research》發(fā)表文章，從而帶來了好氧顆粒污泥里程碑式的發(fā)展。
隨后，眾多的學(xué)者與機構(gòu)投入開展研究，帶動了好氧顆粒污泥的進(jìn)一步發(fā)展。
從好氧顆粒污泥的起源來看，我們可以整理出這樣一條脈絡(luò)：
發(fā)現(xiàn)活性污泥--發(fā)現(xiàn)厭氧污泥--厭氧反應(yīng)器中找到了顆粒，顆粒很好效率很高--依葫蘆畫瓢搞好氧顆粒--調(diào)整路徑培養(yǎng)好氧顆粒污泥成功。
二、好氧顆粒污泥的特點與形成機理
說了這么久好氧顆粒污泥的起源，那好氧顆粒污泥有什么好處讓我們?nèi)绱丝粗啬兀?/p>
如前面提到的，厭氧技術(shù)一旦發(fā)展出顆粒污泥，就帶來了技術(shù)的新生，相對負(fù)荷迅速從5提升至25，效率立馬提升了5倍。
好氧顆粒污泥也如是。傳統(tǒng)活性污泥法的污泥濃度一般在3000-5000mg/L范圍，MBR工藝可將污泥濃度提升至8000-10000mg/L。而國外好氧顆粒污泥反應(yīng)器中的污泥量一般大于10000mg/L，有的甚至能達(dá)到15000mg /L。
污泥濃度高，生物量大，處理效率就高。這是第一個特點。
另外，我們來看一下荷蘭DHV公司Nereda工藝的好氧顆粒污泥剖面示意圖：
一個顆粒污泥內(nèi)部為缺氧/厭氧區(qū)，主要為反硝化菌和聚磷菌，外部為好氧區(qū)，主要為氨氧化菌和生物氧化菌群，就是說，同一位置上的同一顆粒，就可以起到脫氮除磷和降解有機物的作用，也就是說，一個顆粒就是一個同步脫氮除磷和降解有機物的反應(yīng)器。這是第二個特點。
同時，生物自凝聚團聚成密實的球體（粒徑一般在200μm-7mm之間呈正態(tài)分面，以0.6mm-1mm的顆粒居多，活性也最高），生物質(zhì)密度和強度顯著增高。
我們一般以SV30（即曝氣池的泥水混合液在量筒中靜止沉淀30分鐘后，污泥所占的體積百分比）表現(xiàn)活性污泥的沉降性能，而顆粒污泥沉速極快，一般3-5分鐘就可以沉降完畢。所以，對于好氧顆粒污泥的沉降性能，可以用SV8（即靜止沉淀8分鐘的污泥占比）來表示。
優(yōu)秀的沉降性能使好氧顆粒污泥能高效沉淀，沉淀池也不用了，占地面積可以大幅度縮小。這是第三個特點。
生物濃度高，處理高效，占地面積小，結(jié)構(gòu)還可以特別簡單，能耗也就可以大幅降低，且化學(xué)藥劑的使用量也很低。（怎么越說越妥妥地覺得，都是在說咱們VFL垂直流迷宮水處理技術(shù)？）
好氧顆粒污泥的好處主要就這些，當(dāng)然，還有就是因為團聚成球，相對普通絮狀污泥比較不容易老化、膨脹等。
前面說到顆粒污泥來自于生物自絮凝。就是說，菌菌們在水中游走，一旦相撞就傾向于緊緊擁抱，團結(jié)凝聚成一個力量強大的球體。
讓人想起那首歌唱的：團結(jié)就是力量。
那么，我們?nèi)绻軇?chuàng)造一個讓菌菌們?nèi)菀紫嘧蚕鄵淼沫h(huán)境，就能促進(jìn)好氧顆粒污泥形成了。
如何能讓菌菌們?nèi)菀紫嘧材?？其實我們自己想想也可以想到一些因素，比如?/p>
首先，我們都知道，人多，且擠，就容易相撞，菌菌們也是一樣的。如果污泥濃度高，相撞相擁的概率就大，所以，影響污泥濃度的因素，比如有機負(fù)荷高低、曝氣強度、溫度高低等，都會影響顆粒污泥的形成。
其次，人多，且擠，還都在亂動，外部沖擊力又強，就更容易相撞，菌菌們也是一樣的。如果造成泥水的流動，通過反應(yīng)器高徑比（高度與直徑的比率）形成較強的水力剪切力，提高曝氣強度等，也會有效的促進(jìn)顆粒污泥的形成。
最后，還有一個，又多又?jǐn)D的人走100米，相對于只走1米，相撞的概率肯定又會大很多，菌菌們也是一樣的。所以，泥水流徑的長短也會影響顆粒污泥的形成。
綜上所述，我們的第一條原則是：創(chuàng)造一條又長又?jǐn)D的污泥通道，再通過內(nèi)力外力的加壓，促進(jìn)微生物相撞并團聚成球。
我們再看一個好氧顆粒污泥的掃瞄電鏡圖：
綠色的EUB是指細(xì)菌總?cè)?，分布在顆粒各處；
紅色的AOB是指氨氮氧化細(xì)菌，散落分布在顆粒外層；
藍(lán)色的PAO是指聚磷菌，都分布在顆粒里層。
聚磷菌是厭氧菌，生長緩慢，但很穩(wěn)定。
談這個主要是想引出好氧顆粒污泥著名的“盛宴-饑餓”理論。
我們前面談到代爾夫特理工大學(xué)的Mark教授，他關(guān)于好氧顆粒污泥的理論有下面幾個要點：
首先，采用升流式厭氧進(jìn)水，發(fā)展出厭氧的聚磷菌，并使這種生長緩慢而穩(wěn)定的細(xì)菌逐漸形成一個核心。
其次，聚磷菌有儲存物質(zhì)的特性，厭缺氧是盛宴階段，有很多食物，好氧是饑餓階段，消耗氧化食物，前后兩個階段，有利于好氧顆粒污泥的成長。
并且，發(fā)展緩慢生長的細(xì)菌形成顆粒污泥的核心，這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)的把握，可使培養(yǎng)出來的好氧顆粒污泥形成非常穩(wěn)定，拿出來1-2個月都不會解體。如果以其他方式培養(yǎng)顆粒污泥，不到一個星期污泥就會解體。
那么我們的第二條原則是什么？就是，要根據(jù)顆粒污泥的內(nèi)外菌種組成，有順序的培養(yǎng)顆粒的菌種。也就是，就發(fā)展出始終在內(nèi)部的厭氧菌種--聚磷菌，然后再讓一般在外部的菌種，EUB、AOB啥的，慢慢趴上去，顆粒就易成型且穩(wěn)定性高。
這個也好理解，試想，如果好氧菌種被擠在里面，缺氧，缺食物，很可能死掉，顆粒就容易空心，解體。
最后，還有一個沉速選擇理論。
前面我們提到，顆粒污泥沉速極快，一般3-5分鐘就可以沉降完畢。
我們也聽到過，顆粒污泥都是在SBR或其變形（也就是間歇式反應(yīng)器）中培養(yǎng)出來的，其實這個就是為了適應(yīng)沉速選擇。
系統(tǒng)運行的時候發(fā)展出顆粒污泥，系統(tǒng)間歇沉淀的時候把沉速快的顆粒污泥留下了，把沉不下的絮狀污泥給淘汰走了，這樣就使污泥顆?；试絹碓礁摺?/p>
并且，沉淀時間不能過長，太長則會把絮狀污泥也沉下來了，起不到生物選擇的作用。不過，剛開始培養(yǎng)的時候顆粒沒幾個，要是沉淀時間太短了就都給淘汰走了，所以，污泥培養(yǎng)期應(yīng)采取逐步降低沉淀的方式，隨著顆粒的增多調(diào)整沉淀時間。
所以，第三條原則是，像生物進(jìn)化選擇那樣，通過沉速選擇，把已經(jīng)形成顆粒而沉得快的污泥留下，把形不成顆粒的逐漸淘汰，剩下的，就越來越都是顆粒污泥。
三、好氧顆粒污泥技術(shù)的工程化應(yīng)用
目前，好氧顆粒污泥技術(shù)工程化應(yīng)用最成功的是由荷蘭Royal Haskoning DHV（中文簡稱“德和威”）公司實施的Nereda技術(shù)。Nereda技術(shù)就是來源于代爾夫特理工大學(xué)的研究成果。
據(jù)德和威公司中文網(wǎng)站的報道，截至2018年底，全球共有25家使用Nereda技術(shù)的全規(guī)模污水處理廠投入運營，并有64家正在建設(shè)或設(shè)計中。到目前應(yīng)該又增加了一些。
Nereda工藝的第一個應(yīng)用是處理荷蘭Smilde Foods BV食品公司的奶酪廢水，反應(yīng)器由牛奶儲罐改造而成，處理規(guī)模為250m³/d。Nereda工藝第一個市政污水應(yīng)用是在南非的 Gansbaai污水處理廠。荷蘭本土的Epe污水廠在2011年改造采用Nereda工藝后，立即成為荷蘭全國能耗最低的市政污水廠。目前荷蘭已經(jīng)建成10多座此工藝的污水廠，好氧顆粒污泥法已經(jīng)成為荷蘭污水處理的主流方法。
設(shè)計規(guī)模最大的是為愛爾蘭水務(wù)公司建造的 Ringsend污水處理廠改造項目，處理規(guī)模為600000m³/d，預(yù)計2021年完工投入運行。我們拭目以待，這么大規(guī)模的應(yīng)用如能穩(wěn)定運行，此工藝應(yīng)沒什么規(guī)模上的限制。
Royal HaskoningDHV在中國建立了德和威（北京）環(huán)境工程有限公司，該公司在2019年初與北京北控工業(yè)環(huán)?？萍加邢薰荆ê喎Q“北控工業(yè)環(huán)保”）建立了合作關(guān)系。北控工業(yè)環(huán)?？捎迷摷夹g(shù)對廢水處理設(shè)施進(jìn)行提標(biāo)、擴容和改造。
雖然如此，目前國內(nèi)也僅有一座使用Nereda技術(shù)的污水廠，就是去年11月通過竣工驗收的浙江龍游縣城南工業(yè)污水處理廠。該污水廠成為國內(nèi)首座，也是亞洲首座使用Nereda好氧顆粒污泥技術(shù)的污水處理廠，日處理能力2萬噸。
那么，我們國內(nèi)的好氧顆粒污泥工藝研究是個什么狀況呢？
近期，由北京首創(chuàng)股份有限公司、北京建筑大學(xué)與荷蘭代爾夫特大學(xué)共同成立的中荷未來污水處理技術(shù)研發(fā)中心在河南南陽淅川實施了一項示范工程。
示范工程以淅川一座處理規(guī)模為1000m³/d的鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠為基礎(chǔ)，將4組CAST池中的1組改造為處理水量為500m³/d的AGS工藝。該項目經(jīng)過幾個月運行后，目前顆粒成型良好、穩(wěn)定，在不投加藥劑的情況下可達(dá)到一級A出水標(biāo)準(zhǔn)。
另外，中科大的俞漢青教授早在2003年于合肥朱專井污水處理廠建立了一座中試裝置，開始介入好氧顆粒污泥的研究。目前應(yīng)該暫無廣泛的工程化應(yīng)用。
四、VFL技術(shù)的顆?；匦?/strong>
前面我們提到，好氧顆粒污泥技術(shù)的很多特性跟咱們VFL垂直流迷宮技術(shù)很一致。
其實VFL技術(shù)所有的考慮，均是基于對生物細(xì)菌的理解，并根據(jù)細(xì)菌的需要，營造出一個適宜顆粒污泥形成的環(huán)境。我們結(jié)合VFL的結(jié)構(gòu)示意圖來看一下：
首先，VFL反應(yīng)器厭、缺氧區(qū)內(nèi)置豎向?qū)Я靼?，將反?yīng)器分隔成若干個串聯(lián)的反應(yīng)室，每個反應(yīng)室都是一個相對獨立的上下流式污泥床，形成了很長的流徑，并營造出升流式的厭氧混合流（如上圖中“1”所示），有利于先發(fā)展出厭氧的聚磷菌，并使其形成顆粒污泥的核心。結(jié)合盛宴-饑餓理論，這種結(jié)構(gòu)有利于形成穩(wěn)定的顆粒污泥。
其次，厭、缺氧區(qū)分隔成若干格，每一格都能形成較大高徑比的反應(yīng)室，使之具有很強的水力剪切力。以我們一個日處理規(guī)模為5000噸的項目為例，整個厭缺氧區(qū)分為80個反應(yīng)室，每個反應(yīng)室寬約2米，厭缺氧區(qū)有效水深（也就是高）約5.5米，因此，每個反應(yīng)室的高徑比均在2倍以上，形成強勁的水力剪切力，有利于顆粒污泥的大量形成。
最后，VFL采取間歇式運行模式，一般20分鐘一個周期，曝氣時間與間歇時間根據(jù)有機負(fù)荷濃度、污泥生長情況、溶解氧量等多種因素進(jìn)行調(diào)整，間歇時間長的可達(dá)10分鐘，短的可至4分鐘，結(jié)合沉速選擇理論，截留顆粒污泥，淘汰絮狀污泥。
由于顆粒污泥的沉降性能，VFL同樣省略了二沉池，沉淀池內(nèi)置于好氧區(qū)（如上圖中“3”所示）。以我們前面所述日處理規(guī)模5000噸的項目為例，沉淀池上部面積約377平米，整個組合池面積約1860余平米，沉淀池面積占組合池面積為5分之1，占整個廠區(qū)面積約18分之1，而一般活性污泥法二沉池的面積可占到污水廠總面積的30-50%?？芍^切實實現(xiàn)了省地節(jié)能的目的。
放一張我們貴陽使用VFL技術(shù)的項目照片，其顆粒污泥肉眼可見，陽光下還可以看到其面上一層薄薄的清亮的上清液。
前面提到，顆粒越多工藝越優(yōu)秀。VFL的顆粒化率、處理效率等有待進(jìn)一步的對比實驗。
總結(jié)
雖然理論與實踐均證明好氧顆粒污泥是一個好東西，但要在國內(nèi)廣泛使用還是存在一些問題和難點。比如我們前面提到，污泥濃度有助于顆粒的形成，而我國市政污水的有機濃度普遍較低，很多時候都難以養(yǎng)出好泥，更別說超高生物濃度的顆粒污泥。不過，碳中和與生態(tài)文明建設(shè)已經(jīng)成為重要的國家戰(zhàn)略，我們樂觀的期待行業(yè)與工藝的進(jìn)一步發(fā)展。
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