相關背景

　　近日，清華環(huán)境學院王凱軍教授和北京華益德張凱淵聯(lián)合研究團隊在環(huán)境領域著名學術期刊Water Research上發(fā)表了題為“Full-scale upgrade activated sludge to continuous-flow aerobic granular sludge: implementing microaerobic-aerobic configuration with internal separators”的研究論文。文章報道了采用微氧-好氧耦合沉淀反應器升級現(xiàn)有活性污泥工藝為連續(xù)流好氧顆粒污泥工藝的實際處理效能，探究了微生物群落變化、污染物去除途徑和顆粒化機理。

　　厭氧氨氧化和好氧顆粒污泥的發(fā)現(xiàn)為污水處理領域帶來了巨大的發(fā)展機遇。經過最近十余年的發(fā)展，好氧顆粒污泥技術已經成功應用于百余座采用序批式反應器(SBR)運行的污水處理廠。與活性污泥工藝相比，好氧顆粒污泥工藝能夠節(jié)省70%以上的占地和最高可達63%的能耗。然而，在序批式好氧顆粒污泥技術推廣十余年后，連續(xù)流模式下的好氧顆粒污泥技術至今還未取得突破性的進展。

　　2022年，荷蘭代爾夫特理工大學的Mark教授在Science雜志上發(fā)表了一篇關于好氧顆粒污泥的論文，提出SBR模式運行的好氧顆粒污泥工藝適用于主體設施需要升級的污水處理廠，而連續(xù)流好氧顆粒污泥工藝則是現(xiàn)有污水處理廠提質增效的最佳選擇(SBR-AGS is the best option for plants that require a major infrastructure upgrade，whereas CF-AGS is best suited for plants that are still in good enough shape to allow a retrofit for intensifying existing infrastructure)。

　　近日，清華大學環(huán)境學院王凱軍等發(fā)表文章，報道了全球首個大規(guī)模(2.5×104 m3/d)實現(xiàn)連續(xù)流好氧顆?；墓こ虒嵺`，通過對現(xiàn)有污水處理設施進行輕量改造后，培養(yǎng)連續(xù)流好氧顆粒污泥，出水穩(wěn)定達到地標的同時，可減少38.2%的占地面積，并節(jié)省約三分之一的污泥回流能耗。這一創(chuàng)新性研究引發(fā)了廣泛關注，其中一些觀點和發(fā)現(xiàn)成為了學術界和產業(yè)界關注的焦點和熱點(見《追蹤AGS：連續(xù)流好氧顆粒污泥實現(xiàn)污水廠原位擴能改造》)。

　　成果簡介

　　1 文章提出的關鍵的新觀點之一：涉及好氧顆粒污泥培養(yǎng)的理論問題，即成功指導序批式好氧顆粒化的“豐盛-饑餓”理論，能否繼續(xù)用來指導連續(xù)流好氧顆?；?還是需要回歸好氧顆粒污泥培養(yǎng)的水力剪切理論?

　　截至目前，全球已經發(fā)表了超過4000篇與好氧顆粒污泥相關的文章。假設每家研究機構平均發(fā)表了10篇論文，這意味著有超過400家研究機構正在從事好氧顆粒污泥的研究。然而，令人遺憾的是，除了荷蘭的Mark團隊之外，其他研究機構均未能成功開發(fā)出可以應用于生產線的好氧顆粒污泥工藝。

　　經過對Mark團隊研究成果的深入調研，發(fā)現(xiàn)他們在早期發(fā)表的論文中強調了水力剪切力在顆粒化過程中的重要性。然而，到了2004年，他們成功地提出了篩選緩慢生長菌以實現(xiàn)同步去除碳、氮、磷的觀點，并據此開發(fā)了后來眾所周知的Nereda?工藝。該觀點的核心在于“豐盛-饑餓”理論，即創(chuàng)造外部基質可用于微生物生長的“豐盛”條件和外部基質缺乏、微生物使用內部儲存基質的“饑餓”條件，較長的厭氧階段、進水向上流等條件是Nereda?工藝成功的關鍵。

　　然而，本次報道的工程實例以及前期報道的中試研究，均沒有設置升流式厭氧進水階段，而是采用微氧-好氧工藝。他們提出的顆粒化機理是所謂的“豐盛-饑餓”的逆過程(如圖1所示)。階段I：顆粒污泥前體形成階段，機理是基于剪切的聚集生長，在好氧池中，水流和曝氣形成良好的混合條件，增加了微生物的隨機運動和碰撞，逐漸形成聚集體，即顆粒污泥的前體;階段II：選擇性培養(yǎng)功能微生物階段，當污泥回流到基質濃度相對較高，即豐盛的微氧池后，慢速生長的微生物如PAOs、DPAOs在有利的選擇壓下富集生長;階段III：循環(huán)往復的成熟階段，通過在缺氧和好氧環(huán)境條件下(不同基質濃度條件和剪切力)循環(huán)，好氧顆粒污泥前體不斷生長，在好氧池水力剪切力的作用下，初始的顆粒污泥變得更加規(guī)則和致密，形成功能成熟的好氧顆粒污泥。

　　圖1 微氧-好氧耦合沉淀反應器內顆?；瘷C理

　　與Mark團隊著重于“豐盛-饑餓”理論不同，該系統(tǒng)中水力剪切力是污泥顆粒化的關鍵因素。隨著連續(xù)流好氧顆粒污泥問題的提出，顆?；牟呗砸残枰粩嘌葑儭τ谶B續(xù)流好氧顆?；奶剿?，我們是應該繼續(xù)堅守“豐盛-饑餓”理論，還是回歸到水力剪切力的問題，將成為培養(yǎng)連續(xù)流好氧顆粒污泥的焦點之一。2 文章提出的第二個關鍵性觀點：如何理解好氧顆粒化現(xiàn)象?如何界定好氧顆粒污泥工藝?這不僅涉及到好氧顆粒污泥的判定問題，還涉及到如何利用好氧顆粒污泥指導工程應用的現(xiàn)實問題。文章中新的系統(tǒng)性觀點將成為業(yè)界關注的焦點。

　　在文章中，污泥的平均粒徑為138.5 μm，其中粒徑大于200 μm的污泥占比為28.9%，低于Nereda?工藝所報道的60~80%的范圍。這一數(shù)據引發(fā)了廣泛的討論：到底什么是好氧顆粒污泥工藝?這涉及到如何認識好氧顆?；F(xiàn)象和好氧顆粒污泥工藝的實質問題。

　　在2004年的第一屆好氧顆粒污泥研討會上，好氧顆粒污泥的定義被確定為：在低水力剪切力條件下不會絮凝、沉降速度明顯快于活性污泥的微生物聚集體。在2006年的第二屆好氧顆粒污泥研討會上，對好氧顆粒污泥做出了如下5條解釋性定義：“(1)Aggregates of microbial origin.(2)No coagulation under reduced hydrodynamic shear.(3)Which settle significantly faster than activated sludge flocs.(4)The minimum size of the granules should be as such that the biomass still fulfils point three. This minimum size was set to 0.2 mm，which was decided based on measurements in the past. This limit could be adjusted per case/granule type，as long as the other demands of the definition hold.(5)Sieving is considered a proper method to harvest granules from activated sludge tanks or from aerobic granule reactors”。盡管文中根據過去的實踐建議將最小污泥粒徑設定為0.2毫米，但文中明確指出，只要滿足定義中的其他各項條件，每個案例或顆粒類型的尺寸閾值可以根據實際情況進行調整。由此可見，粒徑并不是判定好氧顆粒污泥的唯一標準。

　　相比之下，好氧顆粒污泥的功能是一個經常被大家忽略但更為重要的問題。首先，顆?；铀傥勰嗾w的沉速。在沉淀功能方面，我們不僅需要考慮大粒徑顆粒(>0.2 mm)相對污泥總數(shù)的占比，同時還要考慮污泥的整體沉降性能，這樣才有可能使得從工藝上取消二沉池簡化工藝。事實上，在實踐中發(fā)現(xiàn)，完全顆?；?大顆粒)和不完全顆?；?小顆粒)進程的好氧顆粒污泥工藝，均可滿足這一要求，這對于工程應用是十分重要的一點。其次，好氧顆粒污泥具有最重要的功能，即在顆粒中傳質阻力的存在下，其三維結構使其產生沿顆粒直徑方向形成溶解氧濃度梯度，進而造成獨特的微生物功能分層結構，即外層好氧和內層缺氧/厭氧的結構。這種結構使得好氧顆粒污泥具有在單一曝氣反應條件下實現(xiàn)碳、氮、磷同步去除的功能。

編輯：趙凡

　　文章中作者利用模型模擬了底物和溶解氧在顆粒中滲透的過程，結果如圖2所示。結果表明，DO濃度沿顆粒半徑迅速下降，導致了缺氧/厭氧內層的形成(除了半徑為25 μm、溶解氧濃度為0.5 mg/L和底物為36.7 mg/L的情況)。這表明，盡管在微氧-好氧耦合沉淀反應器中培養(yǎng)的污泥粒徑相對較小，但在微氧池中低溶解氧濃度條件下，分層現(xiàn)象仍然存在，即粒徑在100~200 μm之間的小顆粒(占比超過65%)也可以充分形成好氧外層和缺氧/厭氧內層，從而完成同步去除碳氮磷的重要功能。如圖3所示，批次實驗進一步證實了不僅粒徑大于200 μm的污泥具有同步硝化反硝化能力，粒徑小于200 μm的污泥同樣具有同步硝化反硝化能力。

圖2 微氧池中半徑為(a)25 μm、(b)50 μm、(c)75 μm和(d)100 μm的污泥中DO和COD的分布

圖3 好氧條件下不同污泥：(a)粒徑>200 μm的污泥占比20%;(b)不含粒徑>200 μm的污泥的氮素降解曲線

　　基于以上發(fā)現(xiàn)，文章沒有再繼續(xù)糾纏顆粒污泥的定義，而是明確提出了好氧顆粒污泥工藝的定義。好氧顆粒污泥工藝應具有以下特征：(1)能夠在特定好氧反應體系中，通過微生物自固定過程形成具有機械穩(wěn)定性且粒徑相對較大的聚集體;(2)在沉降過程中形成的顆粒不發(fā)生再絮凝，而是以獨立的單體形式沉降，污泥整體沉降速度明顯快于絮狀活性污泥;(3)顆粒污泥具有功能性分層結構的微生態(tài)系統(tǒng)。通過控制環(huán)境條件(如基質濃度和DO等)，可以同步去除碳、氮和磷，并具有較高的比活性。3 文章還發(fā)現(xiàn)，在微氧-好氧條件下，生物除磷的效果顯著。這一反常的現(xiàn)象引發(fā)了人們的思考：是否存在新的生物除磷途徑?這一問題有待學術屆和工程界進一步探討和研究

　　傳統(tǒng)的生物除磷方法要求將電子供體和電子受體進行厭氧和好氧條件的物理分離。然而，文章所描述的微氧池連續(xù)曝氣條件下的生物除磷過程，卻打破了這一傳統(tǒng)觀念。如圖4所示，微需氧池對NH4+-N、TN和TP的去除率分別占平均進水日負荷的78%、83%和93%，而好氧池的貢獻率僅為21%、3%和0%。這一發(fā)現(xiàn)促使我們對現(xiàn)有生物除磷理論進行重新思考。

　　目前普遍接受的生物除磷理論認為，生物除磷需要先在厭氧條件下降解內部儲存的聚磷酸鹽來釋放磷，然后在好氧條件下過量吸收磷，或者說厭氧條件是磷轉化背后的主要驅動力。然而，這一理論與文章在微氧池內觀察到的生物除磷現(xiàn)象大相徑庭。因此，是否存在一種無需厭氧條件釋磷的新生物除磷途徑?

　　早在2000年，Daigger和Littleton報道了7個實際污水處理廠在沒有缺氧區(qū)和厭氧區(qū)時，仍具有穩(wěn)定的高效的同步硝化反硝化除磷性能。他們提出了三種可能的機制，分別是：(1)生物反應器內混合不均勻，導致存在宏觀的缺氧/厭氧區(qū);(2)絮體內部存在微觀的缺氧/厭氧的環(huán)境;(3)存在新型的能夠在曝氣的生物反應器中去除營養(yǎng)物的微生物。同樣，Vargas等人在僅好氧的強化生物除磷系統(tǒng)中實現(xiàn)了46天的生物除磷。最近，Iannacone等人在DO濃度為1.0±0.2 mg/L的連續(xù)流動移動床生物膜反應器中也獲得了類似的結果，實現(xiàn)了對溶解有機碳、總無機氮和磷酸鹽的同步去除，去除效率分別為100%、62%和75%。他們將同步硝化、反硝化和除磷歸因于Hydrogenophaga和Pseudomonas的富集，這與本研究中觀察到DPAOs的富集類似?；谶@些發(fā)現(xiàn)，推測新的生物除磷途徑可能通過DPAOs在好氧、缺氧/厭氧的微環(huán)境中實現(xiàn)。

　　這一現(xiàn)象可能會改變我們對生物除磷過程的理解，并可能為現(xiàn)有的污水處理系統(tǒng)提供一種新的、更具競爭力的生物除磷方法。

　　圖4 微氧-好氧耦合沉淀反應器內(a)COD、(b)NH4+-N、(c)TN和(d)TP的質量衡算

　　4 生產性連續(xù)流好氧顆粒污泥的工程實踐文章采用了微氧-好氧耦合沉淀反應器(如圖5所示)，成功將AAO工藝升級為設計規(guī)模為2.5×104 m3/d的連續(xù)流好氧顆粒污泥工藝。實際的工程應用證明，現(xiàn)有污水處理設施經過輕量改造后升級為連續(xù)流好氧顆粒污泥工藝是可行的。在穩(wěn)定運行階段，污泥平均粒徑由31.9增大至138.5 μm，粒徑>200 μm的污泥占比達28.9%，平均SVI30為51.4 mL/g;污染物主要通過微氧池內的同步硝化反硝化除磷去除，出水COD、NH4+-N和TN的第95百分位濃度分別為35.0、1.2和13.3 mg/L(如圖6所示)。升級后的工藝可減少38.2%的占地面積，并節(jié)省約三分之一的污泥回流能耗，為現(xiàn)有污水處理提供了一種具有競爭力的替代方案。

圖5 微氧-好氧耦合沉淀反應器構型

圖6 實際處理水量和出水水質

　　作者介紹

　　王凱軍，清華大學環(huán)境學院教授，中國沼氣學會理事長，國家環(huán)境保護技術管理與評估中心主任，博士生導師。長期從事污水和生物質廢棄物前沿處理技術的研發(fā)、產業(yè)化和推廣應用等工作。發(fā)表論文百余篇，授權國家發(fā)明專利30余項。曾榮獲教育部科技進步獎、教育部技術發(fā)明獎和環(huán)?？萍歼M步獎等獎項10余次。

　　通訊郵箱：wkj@tsinghua.edu.cn

編輯：趙凡