王凯军课题组报道首个大规模连续流好氧颗粒污泥工程

导语：近日，清华大学环境学院王凯军课题组在连续流好氧颗粒污泥研究领域取得重大突破，成功将现有的厌氧-缺氧-好氧脱氮除磷（AAO）工艺（2.5×104 m3/d）升级为连续流好氧颗粒污泥工艺。研究结果揭示了水力剪切力和丰盛-饥饿条件是连续流模式下污泥颗粒化的关键因素，同时发现在仅有氧的条件下能发生同步硝化反硝化除磷，且是该系统主要的污染物去除途径。

随着城镇人口的不断增加，污水处理厂面临着在有限的占地面积内提高出水水质、增加处理量并降低能耗的巨大挑战。好氧颗粒污泥的沉降速度显著快于活性污泥，能同步去除碳、氮和磷。相比于传统活性污泥工艺，好氧颗粒污泥工艺能减少多达75%的占地面积和高达63%的能耗。然而，目前好氧颗粒污泥工艺仅成功应用于序批式反应器，连续流模式下的好氧颗粒化尚未取得突破性进展。

该研究将一种微氧-好氧耦合沉淀反应器应用于升级设计规模为2.5×104m3/d的活性污泥工艺。结果表明，启动1个月后，接种的絮状污泥逐渐转变为颗粒污泥。在稳定运行阶段，污泥平均粒径由31.9μm增大至138.5μm，粒径>200μm的污泥占比由0增加至28.9%，平均污泥容积指数（SVI30）为51.4mL/g；出水化学需氧量（COD）、NH4+-N和总氮（TN）的第95百分位浓度分别为35.0mg/L、1.2mg/L和13.3mg/L；颗粒污泥中反硝化除磷菌（DPAOs）富集，丰度达3.29%，分别是接种污泥和絮状污泥中的7.3倍和10.3倍。

研究发现，微氧池对NH4+-N、TN和总磷（TP）的去除率分别占平均进水日负荷的78%、83%和93%，而好氧池的贡献率仅为21%、3%和0%（图1）。研究通过动力学模型模拟了底物和溶解氧在颗粒中渗透的过程（图2）。结果表明，溶解氧（DO）浓度沿颗粒半径迅速下降，导致了缺氧/厌氧内层的形成（除了半径为25μm、DO浓度为0.5mg/L和底物为36.7mg/L的情况）。这表明，尽管连续流模式下培养的污泥粒径相对较小，但在微氧池中低溶解氧浓度条件下，分层现象仍然存在，即粒径在100μm~200μm之间的小颗粒（占比超过65%）也可以充分形成好氧外层和缺氧/厌氧内层，从而实现同步去除碳、氮和磷。

图1 (a) COD、（b) NH4+-N、(c) TN和(d) TP的质量衡算

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

传统的生物除磷方法要求将电子供体和电子受体进行厌氧和好氧条件的物理分离。然而，文章发现的微氧池连续曝气条件下的生物除磷过程，却打破了这一传统观念。

研究通过计算流体动力学-群体平衡模型和COD降解曲线发现微氧-好氧耦合沉淀反应器构型为颗粒化提供了必要的水力剪切力和丰盛-饥饿条件，并提出了微氧-好氧耦合沉淀反应器内的颗粒化机理（图3）。阶段I：颗粒污泥前体形成阶段，机理是基于剪切的聚集生长，在好氧池中，水流和曝气形成良好的混合条件，增加了微生物的随机运动和碰撞，逐渐形成聚集体，即颗粒污泥的前体；阶段II：选择性培养功能微生物阶段，当污泥回流到基质浓度相对较高，即丰盛的微氧池后，慢速生长的微生物如聚磷菌（PAOs）、DPAOs在有利的选择压下富集生长；阶段III：循环往复的成熟阶段，通过在缺氧和好氧环境条件下（不同基质浓度条件和剪切力）循环，好氧颗粒污泥前体不断生长，在好氧池水力剪切力的作用下，初始的颗粒污泥变得更加规则和致密，形成功能成熟的好氧颗粒污泥。

图3 颗粒化机理

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