（來源 微信視頻號：WATERCNWW1985）
（來源 微信視頻號：WATERCNWW1985）
好氧顆粒污泥技術(shù)（AGS）因其快速沉降和高固體濃度特性，可省去占地面積較大的二沉淀池與耗能顯著的回流設(shè)施，不僅能同時去除或回收碳、氮、磷等污染物，亦可減少75%的占地面積。目前，AGS技術(shù)在全球范圍內(nèi)的工程應(yīng)用已達到70多例（包括我們在國內(nèi)的首例工程案例，見公眾號2021年4月27日推送文章：工程實例 | 國產(chǎn)好氧顆粒污泥工程見聞）。好氧顆粒污泥工程應(yīng)用除技術(shù)原因限制外，基于SBR運行模式使其不太容易集成到既有、需依賴二沉池完成固-液分離的連續(xù)流污水處理廠。然而，人們對連續(xù)流反應(yīng)器應(yīng)用顆粒污泥的渴望也并非完全沒有可能，三組并聯(lián)運行的SBR顆粒污泥反應(yīng)器其實便可構(gòu)成一種“連續(xù)流”反應(yīng)器。本期推送將介紹中心客座教授Mark an Loosdrecht等剛剛（1月27日）發(fā)表于《Science》的觀點文章——Intensifying existing urban wastewater，介紹AGS技術(shù)優(yōu)勢、應(yīng)用現(xiàn)狀以及未來對連續(xù)流AGS技術(shù)的研發(fā)設(shè)想。
原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm3900
整理 | 張益寧 劉然彬 吳遠遠 郝曉地
隨著全球人口持續(xù)增長，在水資源安全和可持續(xù)發(fā)展方面面臨著一系列挑戰(zhàn)，尤其是與水之社會循環(huán)息息相關(guān)的工程問題。另外，水業(yè)早已達成共識：污水為一種可行且可持續(xù)的資源/能源載體，不僅可以提供優(yōu)質(zhì)再生水，還可以通過資源/能源回收最大限度減少處理設(shè)施占地面積與能量消耗。然而，研發(fā)合適的技術(shù)解決方案或?qū)崿F(xiàn)上述目標(biāo)仍需要不斷努力。在此方面，好氧顆粒污泥（AGS）技術(shù)似乎是解決上述問題的選擇之一，該技術(shù)能夠同時去除（或回收）碳、氮和磷；同時，該技術(shù)占地面積可減少多達75%。
目前，世界上55%人口居住在城市地區(qū)；預(yù)計到2050年，這一數(shù)字將增加至68%。這將使既有市政污水處理廠（WWTP）不堪重負，且缺乏空間允許其擴建。此外，很多國家已逐步收緊了對污水中營養(yǎng)物（氮和磷）的去除或回收目標(biāo)，而既有污水處理廠傳統(tǒng)工藝設(shè)計并不能靈活地增加功能來適應(yīng)流量增加和更加嚴(yán)格的出水排放標(biāo)準(zhǔn)。況且，日趨老化的基礎(chǔ)設(shè)施更加劇了這一問題的解決。即使在新冠大流行所引發(fā)的經(jīng)濟危機情況下，改善老化水系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的投資仍需要放在重中之重之位置。例如，一直以來，美國對其污水系統(tǒng)投資不足，但最近通過了一項大規(guī)模法案來更新其基礎(chǔ)設(shè)施。這極大推動了技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展，以提供經(jīng)濟又可靠的解決方案。
顆粒污泥是生物膜結(jié)構(gòu)的一種特殊形式，因為它們不需要依附任何載體生長，而是通過自凝聚、聚集所形成的球形顆粒，直徑一般為0.5~2 mm，沉降速度是傳統(tǒng)絮狀污泥的10~15倍�；诖�，可將絮狀污泥選擇性從系統(tǒng)中排出（Wash out）以富集顆粒污泥，提高固-液分離效率。AGS這一快速沉降和高固體濃度的特性可將沉淀單元被集成于處理單元之內(nèi)，從而省去占地面積較大的二沉池和耗能顯著的回流設(shè)施，即，可大大減少整個廠區(qū)的占地面積并強化了反應(yīng)器運行處理效果。
在傳統(tǒng)活性污泥系統(tǒng)中，污泥絮體須通過泵送循環(huán)于多個不同反應(yīng)池，以完成對C、N和P的去除，在末端還需要沉淀池來完成泥水分離。從顆粒污泥結(jié)構(gòu)和生物群落分布來看，硝化菌、聚磷菌 (PAO)、糖原菌 (GAO) 和其他功能微生物成層狀分布。硝化菌為好氧菌，一般分布在顆粒污泥外層氧氣豐富的地方，可完成氨氮到硝酸氮的轉(zhuǎn)化。PAO雖可好氧生長，但更傾向于生長在顆粒內(nèi)部（缺氧層），可將硝酸氮還原為氮氣并吸收磷酸鹽。兩者協(xié)作可完成對C、N和P的轉(zhuǎn)化與去除，實現(xiàn)水質(zhì)凈化目的。這一方式的優(yōu)點是，通過EBPR過程形成的顆粒要比基于異養(yǎng)微生物形成的顆粒更加致密、穩(wěn)定性更強。
因此，為了淘汰快速生長的異養(yǎng)微生物并促進生長相對緩慢的PAO 和GAO的富集并形成生物膜，反應(yīng)器須在厭氧和好氧條件下交替運行，并采用厭氧段進水方式，即，直接將污水通過已沉降的顆粒污泥床注入完成。顆粒污泥可同時去除營養(yǎng)物且易于分離的特性，可以將整個污染物去除過程整合在一個序批式反應(yīng)器（SBR）中，極大減少占地空間。當(dāng)存在三個并聯(lián)反應(yīng)器時，可順序協(xié)作運行，相當(dāng)于傳統(tǒng)連續(xù)流運行模式。
絮狀污泥和顆粒污泥都具有營養(yǎng)物回收潛力，但顆粒污泥的特殊之處在于可回收可觀的糖蛋白，它在化學(xué)和農(nóng)業(yè)中具有良好的經(jīng)濟價值。AGS的高固體濃度也為磷回收提供了條件，通過剩余顆粒污泥厭氧釋磷即可生產(chǎn)富含磷的上清液，從而不必通過厭氧消化池完成磷的回收過程。因此，AGS技術(shù)對于需要擴容但又受限于土地利用的市政污水處理廠可提供一種有效解決方案。
目前，AGS技術(shù)在全球范圍內(nèi)的工程應(yīng)用已達到70多例。但是，其基于SBR運行的模式使其不容易集成到既有、依賴于沉淀池完成固液分離的連續(xù)流污水處理廠中。因此，要想將傳統(tǒng)連續(xù)流反應(yīng)器改造成AGS技術(shù)工藝，不得不暫停所有水處理功能，不僅繁瑣且不友好。日前，在一傳統(tǒng)連續(xù)流EBPR反應(yīng)器中意外觀察到大量基于PAO的顆粒污泥，這似乎表明，在連續(xù)流反應(yīng)器中實現(xiàn)污泥顆�；阮A(yù)期容易多。因此，在EBPR連續(xù)流系統(tǒng)可通過設(shè)置一個顆粒-絮狀污泥分離選擇器，借助于其厭氧環(huán)境來強化生長緩慢細菌（如，PAO和GAO）的富集以增強造粒能力，這可能是將AGS 技術(shù)整合進連續(xù)流反應(yīng)器的一種解決方案。
好氧顆粒污泥系統(tǒng)的切片顆粒（左）包括硝化菌（紅色）和反硝化聚磷酸鹽蓄積生物（PAO）（藍色）。顆粒來自連續(xù)流動系統(tǒng)（右）。
照片來源：STEPHNY WEI/華盛頓大學(xué)
在連續(xù)流反應(yīng)器中實現(xiàn)污泥顆�；�的另一種方案是設(shè)置食物豐富和匱乏交替的好氧環(huán)境，雖然這一方案也可以產(chǎn)生顆粒污泥且容易實施，但它需要比厭氧進料方案更強的顆粒選擇能力。迄今為止，用于連續(xù)流反應(yīng)器中培養(yǎng)顆粒的主要選擇壓力是基于沉降速度，其中沉速較快的顆�？赏ㄟ^固液分離器、外部沉降器等設(shè)備保留在系統(tǒng)中，再通過將較大的顆粒從分離器循環(huán)到厭氧區(qū)來促進顆粒中 GAO和PAO的生長，以進一步促進顆粒污泥的形成。
當(dāng)然，在連續(xù)流反應(yīng)器中進行污泥顆�；悦媾R很多挑戰(zhàn)，例如，解耦絮狀污泥與顆粒污泥停留時間。另外，還包括：1）產(chǎn)生足夠碳源強化GAO和PAO的富集；2）曝氣和混合攪拌策略；3）絮狀和顆粒污泥尺寸分布對傳質(zhì)擴散的影響；4）平衡不同微生物間的競爭；5）在水處理過程中整合資源回收，特別是磷酸鹽和生物聚合物。
總的說來，市政污水處理經(jīng)過一個世紀(jì)的發(fā)展，正面臨著向更加可持續(xù)方向發(fā)展的挑戰(zhàn)，好氧顆粒污泥技術(shù)日趨成熟似乎給我們提供了令人興奮的解決方案。這對于處理設(shè)施已經(jīng)過時、且急需升級改造的污水處理廠來說，基于SBR模式運行的AGS是最佳選擇，而連續(xù)流AGS更適合仍處于運行狀態(tài)但需進行改造以強化現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的工廠。
作者簡介：
Mark van Loosdrecht，中—荷中心客座教授，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院環(huán)境生物技術(shù)系系主任、教授，污水生物處理工藝，特別是環(huán)境生物技術(shù)領(lǐng)域的專家，荷蘭皇家科學(xué)院與工程院雙院士、美國國家工程院院士、中國工程院外籍院士，并獲得世界水處理領(lǐng)域最高獎之一的新加坡李光耀水獎和斯德哥爾摩水獎。
來源：水業(yè)碳中和資訊
比較生物除磷系統(tǒng)中聚磷菌（PAOs）與聚糖菌（GAOs）的代謝模型差異，并分析兩者競爭的關(guān)鍵影響因素。
傳統(tǒng)A²O工藝存在的矛盾有以下幾點
1、污泥齡矛盾
從生物除磷角度分析富磷污泥的排放是實現(xiàn)系統(tǒng)磷減量化的唯一渠道。
若排泥不及時，一方面會因 PAOs 的內(nèi)源呼吸使胞內(nèi)糖原 （Glycogen）消耗殆盡，進而影響厭氧區(qū)乙酸鹽的吸收及聚 -β- 羥基烷酸（PHAs）的貯存，系統(tǒng)除磷率下降，嚴(yán)重時甚至造成富磷污泥磷的二次釋放；另一方面，SRT 也影響到系統(tǒng)內(nèi) PAOs 和聚糖菌（GAOs） 的優(yōu)勢生長。
在 30 ℃的長泥齡（SRT≈ 10 d）厭氧環(huán)境中，GAOs 對乙酸鹽的吸收速率高于PAOs，使其在系統(tǒng)中占主導(dǎo)地位，影響 PAOs 釋磷行為的充分發(fā)揮。
2、碳源競爭及硝酸鹽和DO殘余干擾
在傳統(tǒng)A²/O脫氮除磷系統(tǒng)中，碳源主要消耗于釋磷、反硝化和異養(yǎng)菌的正常代謝等方面，其中釋磷和反硝化速率與進水碳源中易降解部分的含量有很大關(guān)系。一般而言，要同時完成脫氮和除磷兩個過程，進水的碳氮比（BOD5 /ρ(TN)）＞4～5，碳磷比（BOD5 /ρ(TP)）＞20～30。
當(dāng)碳源含量低于此時，因前端厭氧區(qū) PAOs 吸收進水中揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）及醇類等易降解發(fā)酵產(chǎn)物完成其細胞內(nèi) PHAs 的合成，使得后續(xù)缺氧區(qū)沒有足夠的優(yōu)質(zhì)碳源而抑制反硝化潛力的充分發(fā)揮，降低了系統(tǒng)對 TN 的脫除效率。
反硝化菌以內(nèi)碳源和甲醇或 VFAs 類為碳源時的反硝化速率分別為 17～48 、120～900 mg/(g·d)。因反硝化不徹底而殘余的硝酸鹽隨外回流污泥進入?yún)捬鯀^(qū)，反硝化菌將優(yōu)先于 PAOs 利用 環(huán)境中的有機物進行反硝化脫氮，干擾厭氧釋磷的正常進行，最終影響系統(tǒng)對磷的高效去除。
一般， 當(dāng)厭氧區(qū)的 NO3-N 的質(zhì)量濃度＞1.0 mg/L 時，會對 PAOs 釋磷產(chǎn)生抑制，當(dāng)其達到 3～4 mg/L 時，PAOs 的釋磷行為幾乎完全被抑制，釋磷（PO4 3--P）速率降 至 2.4 mg/(g·d)。
按照回流位置的不同，溶解氧（DO）殘余干擾主要包括：
1）從分子態(tài)氧（O2）和硝酸鹽（NO3-N） 作為電子受體的氧化產(chǎn)能數(shù)據(jù)分析，以 O2 作為電子受體的產(chǎn)能約為 NO3-N 的 1.5 倍，因此當(dāng)系統(tǒng)中同時存在 O2 和 NO3-N 時，反硝化菌及普通異養(yǎng)菌將優(yōu)先以 O2 為電子受體進行產(chǎn)能代謝。
2）氧的存在破壞了 PAOs 釋磷所需的“厭氧壓抑”環(huán)境，致使厭氧菌以 O2 為終電子受體而抑制其發(fā)酵產(chǎn)酸作用，妨礙磷的正常釋放，同時也將導(dǎo)致好氧異養(yǎng)菌與 PAOs 進行碳源競爭。
一般厭氧區(qū)的 DO 的質(zhì)量濃度應(yīng)嚴(yán)格控制在 0.2 mg/L 以下。從某種意義上來說硝酸鹽及 DO 殘余干擾釋磷或反硝化過程歸根還是功能菌對碳源的競爭問題。
傳統(tǒng)A²O工藝改進策略
1、基于 SRT 矛盾的復(fù)合式
研究表明，當(dāng)懸浮污泥 SRT 控制為 5 d 時，復(fù)合式 A²/O 工藝的硝化效果與傳統(tǒng) A²/O工藝相比， 兩者的硝化效果無明顯差異，復(fù)合式 A²/O工藝的載 體填料不能完全獨立地發(fā)揮其硝化性能；若再降低懸浮污泥 SRT 則因系統(tǒng)懸浮污泥含量的降低致使 硝酸鹽積累，影響厭氧磷的正常釋放。
2、基于“碳源競爭”角度的工藝
解決傳統(tǒng) A²/O工藝碳源競爭及其硝酸鹽和 DO 殘余干擾釋磷或反硝化的問題，主要集中在 3 方面：
-
針對碳源競爭采取的解決策略，如補充外碳源、反硝化和釋磷 重新分配碳源（如倒置 A²/O工藝）等；
-
解決硝酸鹽干擾釋磷提出的工藝改革，如 JHB、UCT、MUCT 等工藝；
-
針對 DO 殘余干擾釋磷、反硝化的問題， 可在好氧區(qū)末端增設(shè)適當(dāng)容積的“非曝氣區(qū)”。
a、補充外碳源
補充外碳源是在不改變原有工藝池體結(jié)構(gòu)及各功能區(qū)順序的情況下，針對短期內(nèi)因水質(zhì)波動引起碳源不足而提出的應(yīng)急措施。一般供選擇的碳源可分為 2 類：
1）甲醇、乙醇、葡萄糖和乙酸鈉等有機化合物；
2）可替代有機碳源，如厭氧消化污泥上清液、 木屑、牲畜或家禽糞便及含高碳源的工業(yè)廢水等。相對糖類、纖維素等高碳物質(zhì)而言，因微生物以低分子碳水化合物（如，甲醇、乙酸鈉等）為碳源進行合成代謝時所需能量較大，使其更傾向于利用此類碳源進行分解代謝，如反硝化等。
任何外碳源的投加都要使系統(tǒng)經(jīng)歷一定的適應(yīng)期，方可達到預(yù)期的效果。
針對要解決的矛盾主體選擇合適的碳源投加點對系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和節(jié)能降耗至關(guān)重要。一般在厭氧區(qū)投加外碳源不僅能改善系統(tǒng)除磷效果，而且可增強系統(tǒng)的反硝化潛能；但是若反硝化碳源嚴(yán)重不足致使系統(tǒng) TN 脫除欠佳時， 應(yīng)優(yōu)先考慮向缺氧區(qū)投加。
b、倒置 A²/O 工藝及其改良工藝
傳統(tǒng) A²/O工藝以犧牲系統(tǒng)的反硝化速率為前提，優(yōu)先考慮釋磷對碳源的需求，而將厭氧區(qū)置于工藝前端，缺氧區(qū)后置，忽視了釋磷本身并非除磷工藝的目的所在。
從除磷角度分析可知，倒置 A²/O 工藝還具有 2 個優(yōu)勢：
-
“饑餓效應(yīng)”。PAOs厭氧釋磷后直接進入生化 效率較高的好氧環(huán)境，其在厭氧條件下形成的攝磷驅(qū) 動力可以得到充分地利用。
-
“群體效應(yīng)”。允許所有 參與回流的污泥經(jīng)歷完整的釋磷、攝磷過程。然而有研究者認(rèn)為，倒置 A2 /O 工藝的布置形式。
c、JHB、UCT 及改良 UCT 工藝
與分點進水倒置 A2 /O 工藝相比，JHB（亦稱 A+ A2 /O 工藝） 和 UCT 工藝的設(shè)計初衷是通過改變外回流位點以解決硝酸鹽、DO殘余干擾釋磷。
JHB 工藝中的氮素的脫除主要發(fā)生在污泥反硝化區(qū)和缺氧區(qū)，且兩者的脫除量相當(dāng)， 污泥反硝化區(qū)的設(shè)置改變了氮素在各功能區(qū)的分配比例，使厭氧區(qū)能夠更好地專注于釋磷。
JHB 工藝流程
與倒置 A2 /O 工藝相同，對于低 C/N 進水而言， JHB 工藝污泥反硝化區(qū)的設(shè)置可能會引起后續(xù)各功能區(qū)的碳源不足，為此也有必要采用分點進水方式。
與倒置 A2 /O 工藝不同，UCT 工藝是在不改變傳統(tǒng) A2 /O 工藝各功能區(qū)空間位置的情況下，污泥先回流至缺氧區(qū)，使其經(jīng)歷反硝化脫氮后，再通過缺氧區(qū)的混合液回流至厭氧區(qū)，避免了回流污泥中硝酸鹽、DO 對厭氧釋磷的干擾。
UCT 工藝流程
在進水C/N適中的情況下，缺氧區(qū)的反硝化作用可使回流至厭氧區(qū)的混合液中硝酸鹽的含量接近于0；而當(dāng)進水C/N較低時， UCT工藝中的缺氧區(qū)可能無法實現(xiàn)氮的完全脫除， 仍有部分硝酸鹽進入?yún)捬鯀^(qū)，因此又產(chǎn)生了改良UCT工藝（MUCT）。
與UCT工藝相比，MUCT將傳統(tǒng) A2 /O工藝中 的缺氧區(qū)分隔為 2 個獨立區(qū)域，前缺氧區(qū)接受來自 二沉池的回流污泥，后缺氧區(qū)接受好氧區(qū)的硝化液， 從而使外回流污泥的反硝化與內(nèi)回流硝化液的反硝 化完全分離，進一步減少了硝酸鹽對厭氧釋磷的影響。
以MUCT工藝為主體工藝的流程圖
無論UCT還是MUCT，回流系統(tǒng)的改變強化了 厭氧、缺氧的交替環(huán)境，使其與JHB一樣，缺氧區(qū)容易富集反硝化PAOs，實現(xiàn)同步脫氮除磷。
3、兼顧SRT矛盾及“碳源競爭”工藝
（一）新型雙污泥脫氮除磷工藝
新型雙污泥脫氮除磷工藝（PASF）工藝也可謂是傳統(tǒng) A2/O 與曝氣生物濾池（BAF）的組合工藝， 是以分相培養(yǎng)為基礎(chǔ)的雙泥系統(tǒng)，能更好地滿足各功能微生物對環(huán)境、營養(yǎng)物質(zhì)及生存空間的最佳需 求。
在工藝設(shè)計及運行過程中，通過縮短前端 A2 /O 工藝好氧區(qū)的 HRT，將硝化過程從中分離而順序“嫁接”于二沉池后端的 BAF。
對于 PAOs 的厭氧釋磷而言，因前端的污泥單元不承擔(dān)硝化功能，在理想條件下外回流污泥中不含有硝酸鹽，為 PAOs 釋磷創(chuàng)造了良好的“壓抑”環(huán)境，使其優(yōu)先利用原水中的 VFAs 類物質(zhì)合成 PHAs 并釋放磷；
再者，也因長SRT硝化菌以生物膜形式固著生長在填料表面而短SRT的 PAOs和反硝化菌呈懸浮態(tài)生長在前端的污泥單元，實現(xiàn)了硝化菌與反硝化菌、PAOs 等功 能微生物的SRT分離，緩解了SRT矛盾。
決定缺氧區(qū)反硝化效果的因素主要有2個：進入缺氧區(qū)的優(yōu)質(zhì)碳源（VFAs 和 PHAs）含量及來自 BAF 的內(nèi)回流硝化液中的硝酸鹽含量。
當(dāng)進水 C/N 較高時，硝酸鹽成為反硝化的限制因子，隨著內(nèi)回流比的增大缺氧區(qū)異養(yǎng)反硝化效果也相應(yīng)提高，但升高幅度卻呈遞減趨勢；
而當(dāng)進水 C/N 較低時，因碳源成為反硝化的限制因子，根據(jù)異養(yǎng)反硝化菌和反 硝化 PAOs 對電子受體的競爭機制，適當(dāng)提高內(nèi)回 流硝酸鹽負荷的方式刺激反硝化聚磷菌（DPAOs） 的優(yōu)勢生長，使其以硝酸鹽為電子受體，并以 PHAs 為電子供體進行同步反硝化脫氮除磷，實現(xiàn)“一碳 兩用”，同時可節(jié)省系統(tǒng)的能耗，減少污泥產(chǎn)量。
（二）雙循環(huán)兩相生物處理工藝
雙循環(huán)兩相生物處理工藝（BICT）是在序批式活性污泥法的基礎(chǔ)上，增設(shè)獨立的生物膜硝化反應(yīng)器，使自養(yǎng)硝化菌與反硝化菌、PAOs 等異養(yǎng)菌分相培養(yǎng)，以克服脫氮與除磷間的 SRT 矛盾及硝酸鹽、 DO 干擾釋磷而開發(fā)的污水處理新工藝，其主體單元由厭氧生物選擇器、序批式懸浮污泥主反應(yīng)器、生物膜硝化反應(yīng)器組成。
BICT工藝流程圖
該工藝正常運行時主要完成 4 個操作過程：
1） 進水、曝氣攪拌 + 污泥回流
原水與沉淀池的回流污泥在厭氧生物選擇器內(nèi)混合接觸，借助高負荷梯 度產(chǎn)生的“選擇壓力”篩選出具有良好絮凝性的細 菌，并使 PAOs 厭氧釋磷。此時，主反應(yīng)器在曝氣攪 拌的作用下，完成 COD 的去除及 PAOs 的超量攝磷；
2）缺氧攪拌 + 硝化液回流
主反應(yīng)器接受來自生物膜反應(yīng)器的硝化液，在機械攪拌作用下，完成反硝化脫氮，同時被擠出的混合液進入沉淀池，經(jīng)沉淀分離后上清液進入生物膜硝化反應(yīng)器；
3）再曝氣（可選做）
吹脫污泥中包裹的氮氣以利于泥水分離，也 可強化 PAOs 的好氧攝磷；
4）靜止沉淀、潷水
靜止沉淀的同時排出富磷污泥。此工藝獨立硝化反應(yīng)單元的設(shè)置消除了 SRT 與 硝化的高度關(guān)聯(lián)性，SRT 不再是影響系統(tǒng)脫氮效率 的限制因子。
（三）BCFS 工藝
BCFS 工藝（Biologische Chemische Fosfaat Stikstof verwijdering） 可實現(xiàn)磷的完全去除和氮的最佳脫除。
BCFS工藝流程圖
來源：“環(huán)保水圈”微信訂閱號
