相關(guān)背景

　　近日，清華環(huán)境學(xué)院王凱軍教授和北京華益德張凱淵聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)在環(huán)境領(lǐng)域著名學(xué)術(shù)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(bào)道了采用微氧-好氧耦合沉淀反應(yīng)器升級(jí)現(xiàn)有活性污泥工藝為連續(xù)流好氧顆粒污泥工藝的實(shí)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(jī)理。

　　厭氧氨氧化和好氧顆粒污泥的發(fā)現(xiàn)為污水處理領(lǐng)域帶來(lái)了巨大的發(fā)展機(jī)遇。經(jīng)過(guò)最近十余年的發(fā)展，好氧顆粒污泥技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于百余座采用序批式反應(yīng)器(SBR)運(yùn)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(dá)63%的能耗。然而，在序批式好氧顆粒污泥技術(shù)推廣十余年后，連續(xù)流模式下的好氧顆粒污泥技術(shù)至今還未取得突破性的進(jìn)展。

　　2022年，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的Mark教授在Science雜志上發(fā)表了一篇關(guān)于好氧顆粒污泥的論文，提出SBR模式運(yùn)行的好氧顆粒污泥工藝適用于主體設(shè)施需要升級(jí)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(zhì)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(xué)環(huán)境學(xué)院王凱軍等發(fā)表文章，報(bào)道了全球首個(gè)大規(guī)模(2.5×104 m3/d)實(shí)現(xiàn)連續(xù)流好氧顆?；墓こ虒?shí)踐，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有污水處理設(shè)施進(jìn)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(dá)到地標(biāo)的同時(shí)，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(guān)注，其中一些觀點(diǎn)和發(fā)現(xiàn)成為了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)和熱點(diǎn)(見(jiàn)《追蹤AGS：連續(xù)流好氧顆粒污泥實(shí)現(xiàn)污水廠原位擴(kuò)能改造》)。

　　成果簡(jiǎn)介

　　1 文章提出的關(guān)鍵的新觀點(diǎn)之一：涉及好氧顆粒污泥培養(yǎng)的理論問(wèn)題，即成功指導(dǎo)序批式好氧顆粒化的“豐盛-饑餓”理論，能否繼續(xù)用來(lái)指導(dǎo)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(jīng)發(fā)表了超過(guò)4000篇與好氧顆粒污泥相關(guān)的文章。假設(shè)每家研究機(jī)構(gòu)平均發(fā)表了10篇論文，這意味著有超過(guò)400家研究機(jī)構(gòu)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(tuán)隊(duì)之外，其他研究機(jī)構(gòu)均未能成功開(kāi)發(fā)出可以應(yīng)用于生產(chǎn)線的好氧顆粒污泥工藝。

　　經(jīng)過(guò)對(duì)Mark團(tuán)隊(duì)研究成果的深入調(diào)研，發(fā)現(xiàn)他們?cè)谠缙诎l(fā)表的論文中強(qiáng)調(diào)了水力剪切力在顆粒化過(guò)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(zhǎng)菌以實(shí)現(xiàn)同步去除碳、氮、磷的觀點(diǎn)，并據(jù)此開(kāi)發(fā)了后來(lái)眾所周知的Nereda?工藝。該觀點(diǎn)的核心在于“豐盛-饑餓”理論，即創(chuàng)造外部基質(zhì)可用于微生物生長(zhǎng)的“豐盛”條件和外部基質(zhì)缺乏、微生物使用內(nèi)部?jī)?chǔ)存基質(zhì)的“饑餓”條件，較長(zhǎng)的厭氧階段、進(jìn)水向上流等條件是Nereda?工藝成功的關(guān)鍵。

　　然而，本次報(bào)道的工程實(shí)例以及前期報(bào)道的中試研究，均沒(méi)有設(shè)置升流式厭氧進(jìn)水階段，而是采用微氧-好氧工藝。他們提出的顆?；瘷C(jī)理是所謂的“豐盛-饑餓”的逆過(guò)程(如圖1所示)。階段I：顆粒污泥前體形成階段，機(jī)理是基于剪切的聚集生長(zhǎng)，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(jī)運(yùn)動(dòng)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(dāng)污泥回流到基質(zhì)濃度相對(duì)較高，即豐盛的微氧池后，慢速生長(zhǎng)的微生物如PAOs、DPAOs在有利的選擇壓下富集生長(zhǎng);階段III：循環(huán)往復(fù)的成熟階段，通過(guò)在缺氧和好氧環(huán)境條件下(不同基質(zhì)濃度條件和剪切力)循環(huán)，好氧顆粒污泥前體不斷生長(zhǎng)，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(yīng)器內(nèi)顆?；瘷C(jī)理

　　與Mark團(tuán)隊(duì)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?；年P(guān)鍵因素。隨著連續(xù)流好氧顆粒污泥問(wèn)題的提出，顆?；牟呗砸残枰粩嘌葑儭?duì)于連續(xù)流好氧顆?；奶剿?，我們是應(yīng)該繼續(xù)堅(jiān)守“豐盛-饑餓”理論，還是回歸到水力剪切力的問(wèn)題，將成為培養(yǎng)連續(xù)流好氧顆粒污泥的焦點(diǎn)之一。2 文章提出的第二個(gè)關(guān)鍵性觀點(diǎn)：如何理解好氧顆?；F(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(wèn)題，還涉及到如何利用好氧顆粒污泥指導(dǎo)工程應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。文章中新的系統(tǒng)性觀點(diǎn)將成為業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。

　　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(bào)道的60~80%的范圍。這一數(shù)據(jù)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(rèn)識(shí)好氧顆粒化現(xiàn)象和好氧顆粒污泥工藝的實(shí)質(zhì)問(wèn)題。

　　在2004年的第一屆好氧顆粒污泥研討會(huì)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(huì)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(huì)上，對(duì)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(jù)過(guò)去的實(shí)踐建議將最小污泥粒徑設(shè)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(xiàng)條件，每個(gè)案例或顆粒類(lèi)型的尺寸閾值可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。由此可見(jiàn)，粒徑并不是判定好氧顆粒污泥的唯一標(biāo)準(zhǔn)。

　　相比之下，好氧顆粒污泥的功能是一個(gè)經(jīng)常被大家忽略但更為重要的問(wèn)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(duì)污泥總數(shù)的占比，同時(shí)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(jiǎn)化工藝。事實(shí)上，在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，完全顆粒化(大顆粒)和不完全顆?；?小顆粒)進(jìn)程的好氧顆粒污泥工藝，均可滿足這一要求，這對(duì)于工程應(yīng)用是十分重要的一點(diǎn)。其次，好氧顆粒污泥具有最重要的功能，即在顆粒中傳質(zhì)阻力的存在下，其三維結(jié)構(gòu)使其產(chǎn)生沿顆粒直徑方向形成溶解氧濃度梯度，進(jìn)而造成獨(dú)特的微生物功能分層結(jié)構(gòu)，即外層好氧和內(nèi)層缺氧/厭氧的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)使得好氧顆粒污泥具有在單一曝氣反應(yīng)條件下實(shí)現(xiàn)碳、氮、磷同步去除的功能。

編輯：趙凡