顆粒污泥|荷蘭代爾夫特理工大學連續流工藝系統研究成果
發布者： 中國給水排水
2024-05-31
論文
污泥處理
三星
編者按：隨著序批式（SBR）好氧顆粒污泥（AGS-SBR）技術（Nereda®）在全球范圍內工程應用，開發應用于既有連續流反應器處理工藝（CFRs）的污泥顆粒化技術近年亦引發全球興趣，因為大多數既有CFRs工藝普遍面臨著原位擴容需要。在既有CFRs工藝基礎上培養顆粒污泥將可能至少擴容1倍處理能力，同時無需增加二沉池體積而改善二沉池效果。這就是荷蘭Harnaschpolder污水處理廠（位于Delft附近的Den Hoorn）為什么幾年前啟動合作研發（委托TU Delft）項目——HARKOS的一個動機。然而，連續流工藝的缺點是內外污泥回流導致的能耗要比SRB方式高30%，新建顆粒污泥工藝以SBR方式運行應該比連續流更具能耗優勢。我國對連續流好氧顆粒污泥的深入研究不多，僅從污水處理實踐中偶然發現了顆粒化現象（河北某地），但成因及其系統機理研究尚不成熟。5月16日，在代爾夫特理工大學（TU Delft）博士畢業答辯中，Viktor Albert HAAKSMAN（導師：Mark van Loosdrecht教授）以畢業論文形式系統地為全球業內呈現了其對連續流好氧顆粒污泥技術（AGS-CFRs）相關研究內容與見解，他的博士論文主要章節分別在Water Research上發表4篇文章。現將其主要研究內容進行整理概述，供國內同行了解。
整理 | 吳道琦
責編 | 郝曉地
據報道，采用厭氧階段強化生物除磷（EBPR）的CFRs中常常會出現自發性污泥顆粒化現象，并且這也已被證明與厭氧池/選擇器顯著相關。實際上，厭氧選擇器設計原理在一定程度上與序批式好氧顆粒污泥（AGS-SBR）工藝條件及技術原理非常相似，但需進一步證實前者的設計、污水組分與污泥顆粒化程度之間的相關性。為此，研究旨在進一步闡明SBR中厭氧階段在AGS形成中作用的同時，將AGS-SBR技術轉化為AGS-CFRs技術，以實現對連續流活性污泥工藝的強化與升級。
01
好氧條件下易生物降解有機底物的影響
通常，在活性污泥工藝中設置厭氧選擇器能夠有效避免后續好氧條件下仍有過多易生物降解有機底物（rbCOD），即，避免好氧條件下底物擴散限制影響帶來的絲狀菌膨脹問題。但在實際應用中，選擇器內底物迅速擴散將難以確保rbCOD完全去除，而使其流入好氧階段中，并對污泥性能產生上述影響。實際上，AGS-SBR中厭氧階段采用底部活塞流式進水模式便是為了解決這一問題而生的。但不論如何，部分流入好氧階段的rbCOD對該階段中的AGS形態學和沉降性能影響尚未被研究，特別是在篩選具有厭氧儲存胞內物質微生物和沉降速度選擇壓的工藝條件背景下的相關機制。這將為后續AGS-CFRs開發提供一定指導。
圖1 WR(2020)原文及不同好氧rbCOD負荷情況下污泥形態變化特征
為此，該章節中通過在上述工藝條件下對好氧階段逐步增加乙酸鹽負荷，考查污泥形態及沉降性能變化。其中，隨著好氧乙酸鹽負荷增加，污泥體系除磷效率逐步降低，并在顆粒表面形成贅生物，隨之引發了污泥沉降性能惡化及生物量沖刷與驟降。而在停止好氧乙酸鹽供給10 d后，污泥各項性能指標恢復正常。實際上，通過實施篩選具有厭氧儲存胞內物質微生物和沉降速度選擇壓的工藝條件，能夠減弱好氧階段中rbCOD對污泥性能的不利影響。在此基礎上，若能夠保證進水中大部分rbCOD在厭氧階段被攝取，則能夠允許一部分rbCOD（≤20% rbCOD，好氧乙酸鹽負荷為4 mg COD/g VSS/h）進入好氧階段，但超過這一閾值仍將導致污泥各項指標惡化。
02
不同厭氧進水模式下
易生物降解有機底物分配
在明晰了不同rbCOD負荷對好氧階段中污泥影響機制后，該章節聚焦于厭氧階段對污泥粒徑及組分等分布情況的影響。通常，在CFRs中推流式厭氧選擇器內，內/外循環污泥在懸浮狀態下與進水接觸。這將大大增加污泥絮體內的rbCOD擴散梯度，而難以形成相對致密且沉降性能良好的絮凝體。而在已成熟應用的SBR中所采用的底部活塞流式進水模式則能夠有效富集AGS。這2種進水模式究竟如何影響厭氧選擇器內底物的分布，及由此產生的顆粒大小分布和營養物去除效果尚不清楚。
圖2 WR(2020)原文及不同厭氧進水模式的影響示意圖
為此，該章節通過2種實驗室規模SBR以模擬上述情況并作剖析（一種通過對沉淀后污泥床進行底部活塞流式進水，另一種則在厭氧階段開始時以氮氣射流混合同時脈沖進水）。結果顯示，前者能夠將大部分基質分配給大尺寸污泥，而后者則對絮狀及顆粒污泥的基質分配趨于一致。顯然，不同厭氧進水模式直接決定了不同尺寸污泥對基質的分配情況，而與顆粒的停留時間無關（SRT）。相比于后者，優先將有限基質供給于大尺寸污泥將有利于促進顆粒污泥的形成與穩定。
03
數學模擬好氧污泥顆粒化機制
在該章節中進一步比較了不同厭氧進水模式的作用效果，并與其他因素結合，形成6種假設的AGS形成機制（圖3）。其中，厭氧階段對能夠儲存rbCOD微生物的篩選和最大化rbCOD底物擴散作用是優先機制。兩者通常也作為連續流活性污泥工藝系統中厭氧選擇器的重要作用。此外，通過厭氧階段中底部活塞流式進水模式所營造的對優良沉降性能污泥選擇性供給基質作用為全尺寸AGS-SBR中好氧污泥顆粒化的驅動因素。這3種機制與另3種機制（選擇壓沖刷、基質類型和顆粒破碎）一同包含于1個數值模型中，并由4個子模型呈現：1）一維對流擴散模型：描述反應器內部流體力學；2）反應擴散模型：描述顆粒內部生長的基本物質轉化過程；3）設定模型：用以在沉淀及進水階段示蹤顆粒；4）群體模型：由多達100 000簇顆粒組成，用以描述污泥顆粒化過程中的隨機行為。該模型可以解析在實際應用中觀察到的污泥顆粒化過程動力學，包括對滯后階段和污泥顆粒化階段的描述。
圖3 6種好氧污泥顆粒化機制
（1、微生物選擇，2、選擇壓沖刷，3、生物膜中底物擴散最大化，4、選擇性基質供給，5、非顆粒形成基質，6、顆粒破碎）
圖4 模型概述
（1、反應器中對流與擴散，2、通過邊界層的傳質，3、一維徑向擴散，4、顆粒形成基質向PHA的轉化，5、反應器中顆粒的沉降，6、基于個體的群體模型，7、顆粒破碎，8、從ASM 2d中有機底物轉化模型轉化為污泥顆粒化模型的示意圖）
最終結果顯示，選擇性供給基質被確定為一個重要機制，這尚未在文獻中報道過。顆粒形成基質與非顆粒形成基質的比值以及盛宴/饑荒比值決定了從滯后階段到污泥顆粒化階段的過渡能否成功。選擇壓篩選和選擇性供給基質的效率均決定這一階段轉變速率。此外，大顆粒破碎成較小但具有優良沉降性能顆粒被認為是新顆粒的重要來源。即，污泥顆粒化過程是這6種機制的綜合結果，若其中一種機制條件效果不佳，其他機制可以在一定程度上進行補償。該模型為分析AGS形成的不同相關機制提供了一個理論框架，并可以作為一個包含詳細營養物去除與轉化過程的模型基礎。
圖5 WR(2022)原文
04
連續流反應器中選擇壓之營造
綜合上述見解，該章節引申出一個AGS-CFR概念，并于以實際污水作為進水的中試規模反應器中開展研究，如下圖所示。其主要作用原理與全尺寸AGS-SBR一致，通過2個交替工作的上流式厭氧選擇器實現對能夠厭氧儲存rbCOD微生物的富集及顆粒污泥的培養。
圖6 WR(2020)原文與中試規模連續流反應器示意圖
（階段I（PI）：采用兩個交替作業的上流式厭氧選擇器；階段II（PII）：常規混合式厭氧選擇器）
研究中主要對接種后AGS的生長情況進行考查（階段Ⅰ），并再次重點研究了不同厭氧進水模式對rbCOD分配的影響（階段Ⅱ）。階段Ⅰ中產生了與全尺寸AGS-SBR相似的顆粒污泥，并且相較于進水水源污水廠的連續流活性污泥系統，對其氮磷的去除能力均提高了2倍以上。階段Ⅱ卻導致污泥強化生物除磷活性從大尺寸顆粒為作用核心到小尺寸絮體為作用核心轉變，但硝化作用基本不受影響。因此，使用具有底部活塞流式進水模式的上流式厭氧選擇器有利于AGS的長期穩定性，特別是對于發酵量（即所含rbCOD）較少的污水。該研究強調了AGS在提高現有連續流傳統活性污泥系統的水力性能和生物處理能力方面的潛力。
05
對連續流好氧顆粒污泥技術的展望
論文末尾，作者根據中試研究，對連續流好氧顆粒污泥技術（AGS-CFR）提出了見解與展望。
就對連續流工藝的升級改造而言，毋庸置疑的是，利用合理的技術能夠在其中實現顆粒污泥形成與穩定運行。但回過頭來，未來的生物處理技術發展實質上應更多地關注生物量與處理能力的提高。因此，業界在了解到AGS-CFR技術優勢的同時，也應看到其內外污泥回流能耗及改造難度提升等問題帶來的限制，并與其他連續流工藝升級改造技術進行合理比較，最終尋求最優解。實際上，只有在實現AGS-CFR后，其基礎設施仍能夠維持幾十年的使用壽命前提下，這一升級改造方案才可能是經濟的。
對于已經實現應用的相似連續流污水處理技術——致密污泥（densified Activated Sludge: dAS）工藝，其通常通過外設水力旋流分離器等選擇性污泥排除設施實現污泥沉降性能提高（SVI30可達40~50 mL/g），可降低絲狀菌膨脹風險（其部分性質如圖6所示），且無需對原有基礎設施過多改造。相比于AGS，dAS只不過顆粒化程度及生物量較低而已（平均粒徑<1 mm，MLSS<6 g/L）。就此而言，dAS工藝或許會是一個更為經濟的選擇。而未來的相關工作則應聚焦于能否在保持相同污泥沉降性能及顆粒化程度的同時，實現生物量有效提高。
圖7 不同種類污泥間部分性質比較
