王凱軍：連續(xù)流好氧顆粒污泥技術(shù)的突破與革新之路

8月3日下午，在“2022（第二十屆）水業(yè)戰(zhàn)略論壇”上，清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院教授、國家環(huán)境保護技術(shù)管理與評估工程技術(shù)中心主任王凱軍，以“連續(xù)流好氧顆粒污泥技術(shù)突破——淺談華益德之大規(guī)模工程應(yīng)用”為主題，講述了華益德公司連續(xù)流好氧顆粒污泥技術(shù)在30000噸示范項目中的應(yīng)用，分享了華益德公司在連續(xù)流好氧顆粒污泥的工藝、機理以及突破。

作為技術(shù)驅(qū)動型企業(yè)，華益德公司一直致力于連續(xù)流好氧顆粒污泥的培養(yǎng)、形成過程、顆?；绊懙难芯抗ぷ鳎壳耙矊⒒诤醚躅w粒污泥自主研發(fā)的（SPND）工藝應(yīng)用于市政污水處理廠提標(biāo)改造、白酒工業(yè)廢水、制藥工業(yè)廢水、醫(yī)院污水處理、村鎮(zhèn)污水處理等項目。

8月3日下午，在“2022（第二十屆）水業(yè)戰(zhàn)略論壇”上，清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院教授、國家環(huán)境保護技術(shù)管理與評估工程技術(shù)中心主任王凱軍，以“連續(xù)流好氧顆粒污泥技術(shù)突破——淺談華益德之大規(guī)模工程應(yīng)用”為主題，講述了華益德公司連續(xù)流好氧顆粒污泥技術(shù)在30000噸示范項目中的應(yīng)用，分享了華益德公司在連續(xù)流好氧顆粒污泥的工藝、機理以及突破。

王凱軍

追根溯源——好氧顆粒污泥的發(fā)展歷程和技術(shù)關(guān)鍵

王凱軍表示，污水處理顛覆性技術(shù)發(fā)明較少，目前較集中于厭氧氨氧化技術(shù)，衡量改造技術(shù)優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)之一是節(jié)能和節(jié)省投資的比例問題，如果一個新技術(shù)不能節(jié)省30%，那么其就不能作為重大突破技術(shù)。活性污泥領(lǐng)域好氧顆粒污泥技術(shù)是具有重大創(chuàng)新的技術(shù)，活性污泥工藝一般較為復(fù)雜，但在好氧顆粒污泥中所有工藝單元化為一個工藝單元。如下圖所示，為荷蘭以代爾夫特為主發(fā)明的好氧顆粒污泥工藝，因為污泥濃度高、容積負荷高，顆粒污泥沉速快不用二沉池，所以節(jié)約75%占地；因沒有二沉池，所以沒有回流，節(jié)省30%能耗；因顆粒污泥結(jié)構(gòu)特點，可以實現(xiàn)碳、氮、磷一體化去除，讓出水水質(zhì)好。

好氧顆粒污泥工藝對傳統(tǒng)活性污泥的替代

目前，全世界范圍內(nèi)累計有3000多篇相關(guān)研究。如下圖所示，紅色部分是中國學(xué)術(shù)界的相關(guān)研究，僅有的幾篇連續(xù)流好氧污泥顆粒的相關(guān)研究也是從近幾年開始逐漸豐富。中文文章檢索于CNKI，將關(guān)鍵詞設(shè)置“好氧顆粒污泥”、“連續(xù)流”；英文文章檢索于Web of Science/Scopus，關(guān)鍵詞設(shè)置為“aerobic granular sludge”、“continuous flow”，將限制范圍鎖定在Article，結(jié)果顯示只有189篇相關(guān)研究，進一步去掉綜述及不相關(guān)文獻，結(jié)果顯示只有57篇連續(xù)流好氧顆粒污泥的密切相關(guān)研究（見下綠色小圖）。

連續(xù)流好氧顆粒污泥的學(xué)術(shù)研究概況

在研究序批好氧顆粒污泥的3000多篇文章以及幾百個研究團隊中，只有Mark的研究組取得成功，并將序批式好氧顆粒污泥推向應(yīng)用，其理論基礎(chǔ)是饑餓豐盛機理。在連續(xù)流活性污泥工藝中借助厭/缺氧、好氧手段等實現(xiàn)好氧顆粒污泥，目前相關(guān)研究主要有兩個方向：第一，以饑餓豐盛理論為主，試圖將幾個池子變成饑餓段和豐盛段；第二，借助選擇性理論，淘汰輕的絮體，其后進入加3分鐘或者5分鐘的沉淀池，通過選擇淘汰絮狀污泥。

連續(xù)流好氧顆粒污泥的相關(guān)研究和試驗之所以意義重大是因為連續(xù)流污水廠占絕大多數(shù)，連續(xù)流好氧顆粒污泥需求的污水流態(tài)和實際水廠的污水流態(tài)相匹配，更適于工程改造，更容易推廣應(yīng)用。

目前，形成好氧顆粒污泥的技術(shù)關(guān)鍵是以豐盛－饑餓方式運行，采取3-5分鐘的沉淀時間，沖洗淘汰方式，顆粒污泥碳氮磷去除微生物的競爭優(yōu)勢。除此之外，在好氧顆粒污泥培養(yǎng)中顆?；粌H僅限于產(chǎn)甲烷微生物，與甲烷菌相類似的其他緩慢生長微生物中也可發(fā)生顆粒化現(xiàn)象。只要采用適合的反應(yīng)器形式并以正確方式運行，在其他生物處理工藝也能形成顆粒污泥。其中升流式污泥床(USB)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)有利于顆?；^程。

推進研究——華益德連續(xù)流好氧顆粒污泥工藝路徑

王凱軍表示，華益德連續(xù)流好氧顆粒污泥工藝路徑最早并非誕生于實驗室，先是發(fā)現(xiàn)于湖北的200噸/天生活污水處理工程中，其后又在酒廠污水處理站升級改造工程中被發(fā)現(xiàn)，酒廠污水處理站污水來源為白酒廢水，設(shè)計處理水量為100m3，設(shè)計進水COD為10000mg/L。采用“調(diào)節(jié)池+UASB+一級SPND+二級SPND+混凝沉淀”工藝。

華益德公司在項目運營中發(fā)現(xiàn)的好氧顆粒污泥如下所示，好氧顆粒污泥沉淀性能良好，顆粒形態(tài)良好。但隨之也產(chǎn)生相關(guān)問題，好氧顆粒污泥產(chǎn)生的機理和原因是什么？

隨后，華益德公司邀請王凱軍老師跟蹤30000噸示范項目連續(xù)流好氧顆粒污泥現(xiàn)象的研究。如下圖所示，華益德公司對連續(xù)流好氧顆粒污泥現(xiàn)象的研究分為以下兩個部分：

第一部分是左上方紅色區(qū)域的3000m3/d中試實驗區(qū)，利用缺氧、好氧兩極形式進行試驗，從研究結(jié)果來看，在3000m3/d中試實驗中出現(xiàn)部分顆粒污泥現(xiàn)象，在該階段顆?；潭炔惶?；

第二部分是25000m3/d到27000m3/d中試實驗區(qū)，在原有缺氧、好氧的氧化溝中，分為一個缺氧區(qū)、一個好氧區(qū)，好氧區(qū)上部有分離器，以該種形式進行改造。從耗時兩年取得改造成效可以從處理量、出水COD、氨氮濃度等方面來看：

從處理量和出水COD來看，旱季來水量少，平均處理量大約是2.5萬噸；雨季來水量大，處理水量接近3萬噸，雨天甚至?xí)^3萬方。出水COD方面，除去啟動時有波動外，其余均穩(wěn)定達標(biāo)，2021年、2022年均穩(wěn)定在25mg/L左右。

從出水氨氮穩(wěn)定性來看，出水NH3-N實現(xiàn)穩(wěn)定達標(biāo)，平均0.6 mg/L；較改造前的1.9mg/L，降低1.2mg/L；出水TN實現(xiàn)穩(wěn)定達標(biāo)，平均10.3mg/L；較改造前的13.6mg/L，降低2.7mg/L，水質(zhì)提升明顯，日均出水穩(wěn)定達標(biāo)，消除了該廠出水總氮不達標(biāo)的風(fēng)險。從統(tǒng)計學(xué)角度出發(fā)，出水氨氮值在2021年的最大值為-1.4 mg/L ；2022年的最大值為-0.83mg/L，均遠低于較改造前的1.9mg/L。出水總氮值在2021年最大值為的-14.6mg/L；2022年的最大值為-13.5mg/L，均遠低于改造前的13.6mg/L。

從顆粒污泥形成、粒徑等來看，污泥顆?；壤?0%左右。啟動后，顆?；壤推骄骄饾u升高；在11月底，由于冬季水溫降低，顆粒化比例和平均粒徑的兩項指標(biāo)下降；從粒徑分布情況來看，粒徑<0.1μm的污泥逐漸減少，污泥粒徑逐漸增大。

探究本質(zhì)—華益德公司連續(xù)流好氧顆粒污泥機理

1.連續(xù)流好氧顆粒污泥的異?，F(xiàn)象分析

王凱軍表示華益德的研究沒有拘泥于饑餓豐盛理論中，連續(xù)流好氧顆粒污泥研究發(fā)現(xiàn)一個反?，F(xiàn)象，在缺氧區(qū)大部分氨氮和總氮得到去除，不像序批工藝總氮主要在好氧區(qū)被去除?；诜闯，F(xiàn)象對其菌群進行研究，發(fā)現(xiàn)顆粒污泥中存在如存在PAO、DPAO、GAO功能菌等各類反硝化細菌。

通過間歇式活性污泥法實驗，對顆粒污泥進行強曝氣處理，在曝氣過程觀察氮的變化，通過觀察可以看出：顆粒污泥較多的氨氮去除量較多。其原因是顆粒污泥結(jié)構(gòu)導(dǎo)致同步硝化反硝化現(xiàn)象發(fā)生，曝氣過程中氨氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，在顆粒污泥內(nèi)部發(fā)生反硝化現(xiàn)象。粒徑一定情況下，內(nèi)部缺/厭氧區(qū)隨著DO增加而減少；如果DO一定情況下，厭氧區(qū)隨粒徑減少而減少。證實粒徑>0.2mm的污泥具有同步硝化反硝化能力，小于0.2mm的污泥同樣具有同步硝化反硝化能力，因此推斷微氧池發(fā)生了同步硝化反硝化。

2. 連續(xù)流好氧顆粒污泥的饑餓-豐盛理論研究

如前所述，現(xiàn)階段多數(shù)理論以豐盛為主，豐盛條件是為有足夠的底物維持微生物生長的條件，微生物吸取揮發(fā)酸之后轉(zhuǎn)變活性胞內(nèi)聚合物，生長較為緩慢的聚磷菌可以發(fā)展，在連續(xù)的好氧污泥顆粒中豐盛條件判斷的標(biāo)準(zhǔn)是借助動力學(xué)理論衡量，過程較為復(fù)雜。華益德對反應(yīng)器第一個池子處于微氧狀態(tài)，但是又有充足的曝氣量足以將大量氨氮轉(zhuǎn)化硝酸鹽，反應(yīng)器處于好氧狀態(tài)，饑餓現(xiàn)象無法發(fā)生。

王凱軍教授根據(jù)華益德公司的實驗結(jié)果試圖解釋這一問題，針對連續(xù)流好氧顆粒污泥過程提出剪切誘導(dǎo)的逆饑餓-豐盛顆?；纬蛇^程的假說。剪切誘導(dǎo)的逆饑餓-豐盛顆?；^程可以被分為三步：第一步顆粒污泥前體形成過程是絮狀污泥在曝氣剪切力作用下，形成顆粒污泥前體。在三千多篇相關(guān)學(xué)術(shù)研究中大部分都支持剪切力作用下形成顆粒污泥這一現(xiàn)象，在高負荷的內(nèi)置沉淀池形成選擇作用；第二步顆粒污泥生長：顆粒污泥前體反復(fù)回流進入微氧池，在相對豐盛條件下得以迅速生長，即：顆粒污泥在好氧區(qū)回流到缺氧區(qū)后，在不斷生長中生成一定粒徑，從而導(dǎo)致微環(huán)境發(fā)生改變；第三步顆粒污泥分層成熟：一定粒徑的顆粒污泥在微氧池環(huán)境條件下，功能微生物分層生長，最終形成成熟的顆粒污泥。

最后，王凱軍表示，國際上目前對連續(xù)流好氧顆粒污泥的研究主要由兩種理論指導(dǎo)：第一是饑餓豐盛理論；第二是選擇壓理論。華益德在連續(xù)流好氧顆粒污泥的研究意義有兩點：第一，借助生產(chǎn)性規(guī)模3萬噸水平，初步實現(xiàn)好氧顆粒污泥；第二，在特定反應(yīng)器結(jié)構(gòu)中表現(xiàn)出獨特的機制。華益德公司在連續(xù)流好氧顆粒污研究中表現(xiàn)出的機制是否具有普遍性，是下一步需要深入研究的，同樣該機制的發(fā)現(xiàn)對于連續(xù)流好氧顆粒污泥的研究也是非常重要的，未來值得在華益德公司研究基礎(chǔ)上推動相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。