歷史性突破！Water Research報道首個大規模連續流好氧顆粒污泥工程

時間：2023-12-06 13:55

來源：生態環境科學

　　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

　　基于以上發現，文章沒有再繼續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系統。通過控制環境條件(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 文章還發現，在微氧-好氧條件下，生物除磷的效果顯著。這一反常的現象引發了人們的思考：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曝氣條件下的生物除磷過程，卻打破了這一傳統觀念。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%。這一發現促使我們對現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和厭氧區時，仍具有穩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;(2)絮體內部存在微觀的缺氧/厭氧的環境;(3)存在新型的能夠在曝氣的生物反應器中去除營養物的微生物。同樣，Vargas等人在僅好氧的強化生物除磷系統中實現了46天的生物除磷。最近，Iannacone等人在DO濃度為1.0±0.2 mg/L的連續流動移動床生物膜反應器中也獲得了類似的結果，實現了對溶解有機碳、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。基于這些發現，推測新的生物除磷途徑可能通過DPAOs在好氧、缺氧/厭氧的微環境中實現。

　　這一現象可能會改變我們對生物除磷過程的理解，并可能為現有的污水處理系統提供一種新的、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工藝升級為設計規模為2.5×104 m3/d的連續流好氧顆粒污泥工藝。實際的工程應用證明，現有污水處理設施經過輕量改造后升級為連續流好氧顆粒污泥工藝是可行的。在穩定運行階段，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，并節省約三分之一的污泥回流能耗，為現有污水處理提供了一種具有競爭力的替代方案。