無污泥循環水處理工藝
論文詳細介紹了由張永明教授團隊根據其專利技術(ZL2015 1 0510978.7和ZL2019 1 0930412.8)與福建中科三凈環保股份有限公司合作研發的無污泥循環的A/O水處理設備和工藝。該成果有望打破國外在污水處理技術方面的壟斷地位，具有重要應用價值。
研究團隊將缺(厭)氧和好氧的垂直折流式生物反應器(Vertical Baffled BioReactor, VBBR)串聯組合為一體，并將其用于城鎮生活污水處理。相比傳統的A/O水處理工藝，缺(厭)氧和好氧VBBR的組合實現了無污泥循環的A/O水處理工藝，在水力停留時間縮短30% ~ 50%的情況下，COD和總氮去除率提高了6%和22%，尤其是總氮的去除甚至幾乎達到了極限脫氮水平。該反應器操作、運行維護十分簡便，并且剩余污泥量大大減少，已在福建中科三凈股份有限公司運維的福建永春污水處理廠成功運行。
極限脫氮的實現
長期以來，活性污泥法一直都是城鎮生活污水處理廠的主要方法。經過百多年的發展和改進，倒置厭氧/好氧法(A/O)或厭氧/缺氧/好氧法(A2/O)是當今城鎮污水處理的主流工藝。由于城鎮生活污水經過處理后的尾水幾乎都是排放到自然環境，目前處理后的城鎮生活污水排放的國家標準中，總氮濃度與地表水標準相差甚大。因此，控制城鎮生活污水處理廠尾水中總氮濃度成為當今世界水處理界的難點。通�？偟娜コ饕峭ㄟ^水處理系統中硝化和反硝化兩類不同微生物交替地在好氧和厭氧環境下的作用才能實現。但在傳統的A/O或A2/O工藝的運行時，微生物(污泥)與水一起循環流動，導致硝化菌和反硝化菌混合在一起，使得硝化和反硝化效率都降低，因此傳統的A/O或A2/O水處理工藝總是難以做到總氮的高效去除。
本新工藝則利用VBBR能很好地固定住微生物的特性，將缺(厭)氧與好氧VBBR串聯在一起，形成一套新穎的反應器系統(如圖1所示)。該系統有效地克服了傳統A/O工藝的缺點，在循環過程中污泥固定不動而只有水的循環流動，從而大大提高了硝化和反硝化反應的效率。此外，由于前段的缺(厭)氧反應器(An-VBBR)可以嚴格限制溶解氧的侵入，從而可以極大地提高有機碳源的利用率，進而實現“極限脫氮”。
圖1 無污泥循環的A/O污水處理反應器及工藝示意圖
當將好氧VBBR(Ox-VBBR)與缺氧VBBR(An-VBBR)串聯在一起用于實際的城鎮污水處理時，在不同回流比(R)條件下，進出水的COD、氨氮和總氮的濃度變化如圖2所示。從圖2可以看出，在回流比為200%時，最后出水總氮的平均濃度僅有1.5 mg/L，達到了極限脫氮的水平。
圖2 好氧與缺氧VBBR串聯處理城鎮污水時
進出水濃度的變化
其中Effluent (1)和(2)分別表示
An-VBBR和Ox-VBBR的出水
具有重要自主創新價值的
新型水處理工藝
張永明教授團隊開發的該套設備在福建中科三凈股份有限公司運維的福建永春污水處理廠進行了1年的現場實驗，取得了良好的效果。尤其是經該反應器處理后出水的總氮平均濃度只有1.5 mgN/L，達到了地表水IV類標準。
目前，我國現有的污水處理設備及工藝其原創幾乎全部來源自于國外。例如，UASB、IC、氧化溝、流化床等最初都源自荷蘭；MBR(膜反應器)、MBfR源自美國；生物轉盤反應器源自德國；活性污泥法、ABAF反硝化生物濾池源自英國，而本項目所涉及的組合式VBBR經上海師范大學張永明教授團隊多年潛心研究，并與美國工程院院士、斯德哥爾摩水獎獲得者Bruce E. Rittmann教授緊密合作，屬于具有重要自主創新價值的新型水處理工藝，有望打破國外壟斷，為建設科技強國作出更大貢獻。
本論文得到環境模擬與污染控制國家重點聯合實驗室(清華大學)開放基金(16K10ESPCT)的資助，環境科學2018級博士研究生陸沁園、2018級碩士研究生周雋清和2019級博士研究生朱格為共同第一作者，張永明為通訊作者，合作者包括美國工程院院士，斯德哥爾摩水獎獲得者Bruce E. Rittmann教授。
