沈昌明

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

好氧顆粒污泥工程應(yīng)用分析

沈昌明

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

好氧顆粒污泥是污水處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，其高效的處理能力和良好的沉降性能為建立更加集約化的污水處理系統(tǒng)提供契機(jī)?？偨Y(jié)歸納了好氧顆粒污泥技術(shù)的研究成果，介紹了好氧顆粒污泥培養(yǎng)和維持方法，確定了好氧顆粒污泥系統(tǒng)應(yīng)用邊界條件，分析了好氧顆粒污泥工程應(yīng)用的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性，提出了好氧顆粒污泥在我國進(jìn)行工程化應(yīng)用需重點(diǎn)考慮的技術(shù)難點(diǎn)，可為該項(xiàng)技術(shù)在我國污水處理領(lǐng)域的推廣應(yīng)用提供支撐。

好氧顆粒污泥；污水處理；工程應(yīng)用；高效

0　引言

隨著我國城市化進(jìn)程的不斷深入，城市建設(shè)用地不足已成為發(fā)展的瓶頸，污水處理也亟需能夠節(jié)約用地的高效工藝。好氧顆粒污泥是由微生物自凝聚形成的顆粒狀聚集體，具有沉降性能好、生物量高且種類豐富等優(yōu)勢，是目前應(yīng)用前景較好的高效污水處理技術(shù)之一。

1991年Miishima和Nakarnura利用連續(xù)升流式好氧污泥床反應(yīng)器首次發(fā)現(xiàn)了好氧顆粒污泥［1］，1998年Heijnen and van Loosdrecht獲得首項(xiàng)好氧顆粒污泥技術(shù)專利［2］，二十多年來國內(nèi)外專家學(xué)者對好氧顆粒污泥進(jìn)行了全方位的研究，并發(fā)表了大量很有價(jià)值的技術(shù)文獻(xiàn)，為好氧顆粒污泥的工程化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。雖然好氧顆粒污泥在研究層面取得了豐富的研究成果，在試驗(yàn)層面也成功構(gòu)建了高效的好氧顆粒污泥系統(tǒng)，但是工程化應(yīng)用仍處于探索和嘗試階段，國外以荷蘭DHV公司為代表的好氧顆粒污泥技術(shù)已逐步推廣［3］，國內(nèi)尚缺乏可借鑒的成功范例?，F(xiàn)階段總結(jié)歸納好氧顆粒污泥的研究成果，評估好氧顆粒污泥培養(yǎng)和維持方法，確定好氧顆粒污泥系統(tǒng)應(yīng)用邊界條件，分析好氧顆粒污泥工程應(yīng)用的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性，具有重要的實(shí)踐意義。

1　好氧顆粒污泥的形成、性質(zhì)和培養(yǎng)方法

1.1好氧顆粒污泥形成機(jī)理

統(tǒng)一的好氧顆粒污泥的形成機(jī)理尚未建立，但對于好氧顆粒污泥成形、維持和強(qiáng)化的認(rèn)識正不斷深入。好氧顆粒污泥形成受接種污泥、有機(jī)物負(fù)荷、污水組分、反應(yīng)器構(gòu)型、進(jìn)水策略、曝氣強(qiáng)度、沉淀時(shí)間等諸多條件影響，是包括物理、化學(xué)和生物作用的綜合過程。國內(nèi)外研究關(guān)于好氧污泥顆粒化的包括選擇壓假說、胞外聚合物假說、晶核假說、電綜合假說等。好氧顆粒污泥的形成過程主要包括4個(gè)階段：（1）物理作用下的細(xì)菌碰撞和粘附；（2）多種作用力下的聚集體形成；（3）胞外聚合物作用下的聚集體粘附；（4）水力剪切力作用下的顆粒污泥穩(wěn)定［4］。

1.2好氧顆粒污泥性質(zhì)

好氧顆粒污泥性質(zhì)涵蓋物理、化學(xué)和生物三個(gè)方面，不同條件下培養(yǎng)出來的好氧顆粒在形態(tài)和組成方面差異較大。

（1）物理性質(zhì)

好氧顆粒污泥通常呈球形和橢球形，粒徑范圍在0.3～8.0 mm；好氧顆粒污泥的密度通常為1.004～1.065 g/cm3，沉降速度可達(dá)25～70 m/h，遠(yuǎn)高于絮狀活性污泥的沉降速度，為生化反應(yīng)池維持高污泥濃度奠定基礎(chǔ)。

（2）化學(xué)性質(zhì)

好氧顆粒污泥的疏水性明顯強(qiáng)于絮狀活性污泥，被認(rèn)為是影響顆粒污泥形成的重要因素。疏水性受胞外聚合物中蛋白質(zhì)和多糖比值影響，有研究表明蛋白質(zhì)與多糖比值越高，疏水性越強(qiáng)，相對較高的蛋白質(zhì)比例是好氧顆粒污泥一個(gè)重要特征。

（3）生物性質(zhì)

好氧顆粒污泥具有很好的微生物多樣性，硝化菌、反硝化菌、聚磷菌和聚糖菌在顆粒污泥中均有發(fā)現(xiàn)，各類功能菌的種類和比例受好氧顆粒污泥的培養(yǎng)條件影響較大，國內(nèi)外研究人員根據(jù)實(shí)際處理需要培養(yǎng)出同時(shí)脫氮除磷顆粒污泥、硝化顆粒污泥、亞硝化顆粒污泥等［5］。

1.3好氧顆粒污泥培養(yǎng)方法

好氧顆粒污泥快速有效培養(yǎng)和穩(wěn)定維持對工程化至關(guān)重要。同活性污泥相比，好氧顆粒污泥系統(tǒng)運(yùn)行控制參數(shù)值域較窄，其培養(yǎng)條件也更為苛刻。目前顆粒污泥培養(yǎng)方法主要來源于污泥顆粒化理論，主要從接種污泥、水質(zhì)與負(fù)荷、進(jìn)水控制、剪切力、沉淀時(shí)間以及凝結(jié)核等方面進(jìn)行強(qiáng)化。

（1）接種污泥

選擇合適的接種污泥往往可起到事半功倍的效果，以好氧顆粒污泥作為接種污泥，將大幅縮短培養(yǎng)時(shí)間；以活性污泥為接種污泥時(shí)，應(yīng)考慮接種污泥的功能性，即若培養(yǎng)硝化顆粒污泥應(yīng)接種具有硝化功能的污泥；有研究表明接種污泥疏水性越高，培養(yǎng)周期越短［6］。

（2）水質(zhì)與負(fù)荷

研究人員采用城市生活污水、葡萄糖、醋酸鹽、淀粉等底物均成功培養(yǎng)出好氧顆粒污泥，正二價(jià)、正三價(jià)離子有助于帶負(fù)電荷細(xì)胞形成聚集體，從而加速好氧顆粒污泥的形成，投加Ca2+、Mg2+等可強(qiáng)化好氧顆粒污泥的培養(yǎng)［7］。

研究表明有機(jī)負(fù)荷在2.5～15 kgCOD/（m3·d）范圍內(nèi)均可培養(yǎng)出好氧顆粒污泥［8］，但低有機(jī)物負(fù)荷不利于好氧顆粒污泥的培養(yǎng)，此外有研究表明負(fù)荷交替可加速好氧顆粒污泥的培養(yǎng)［9］。

（3）沉淀

基于“選擇壓”理論，利用絮狀污泥和顆粒污泥之間沉降性能的差異，研究人員通過控制混合液沉淀時(shí)間，加快了好氧顆粒污泥的培養(yǎng)過程。王昌穩(wěn)等的研究表明，污泥平均粒徑與沉淀時(shí)間具有很好的負(fù)相關(guān)性，且沉淀時(shí)間小于5 min（SBR反應(yīng)器），才能形成顆粒污泥［10］。

（4）剪切力

研究表明剪切力可刺激胞外聚合物的產(chǎn)生，促進(jìn)好氧顆粒污泥形成，使顆粒污泥粒徑變小、結(jié)構(gòu)更密實(shí)。有研究在不依賴選擇壓的情況下，主要通過剪切力控制培養(yǎng)出穩(wěn)定高效的好氧顆粒污泥系統(tǒng)［11］。剪切力的大小主要通過曝氣量控制，為控制運(yùn)行能耗，不宜采用過高的剪切力，但有研究表明氣體上升流速低于0.3 m/s將無顆粒污泥產(chǎn)生［12］。

（5）進(jìn)料控制

進(jìn)料控制可使好氧顆粒污泥系統(tǒng)處于飽食/饑餓狀態(tài)，雖然飽食/饑餓狀態(tài)對好氧顆粒污泥過程的影響尚缺乏定論，合理的饑餓時(shí)間對維持好氧顆粒污泥系統(tǒng)十分重要。

（6）晶核

晶核在好氧顆粒污泥的形成過程中起到重要作用，有研究通過投加0.2 mm的顆?；钚蕴?，有效強(qiáng)化了好氧顆粒污泥的培養(yǎng)［13］。

2　好氧顆粒污泥工程應(yīng)用分析

2.1好氧顆粒污泥工程應(yīng)用現(xiàn)狀

從好氧顆粒污泥的應(yīng)用領(lǐng)域、典型工藝和實(shí)際工程三個(gè)方面總結(jié)好氧顆粒污泥的工程應(yīng)用現(xiàn)狀。

（1）應(yīng)用領(lǐng)域

根據(jù)已有的研究和相關(guān)工程，好氧顆粒污泥具有廣泛的適用性，可用于有機(jī)物和氮磷去除、毒性有機(jī)物去除、重金屬去除、顆粒物去除和核廢物去除等。城市生活污水量大面廣，好氧顆粒污泥處理城市生活污水是工程化應(yīng)用的重點(diǎn)。

（2）典型工藝

基于好氧顆粒污泥的典型工藝包括Nereda、ARGUS和PEFBIOF［14］，其中Nereda工藝應(yīng)用范圍較廣，目前在世界各地?fù)碛卸囗?xiàng)工程。

Nereda工藝通過特定設(shè)計(jì)和控制模式使生化反應(yīng)池內(nèi)形成好氧顆粒污泥，其運(yùn)行模式在傳統(tǒng)SBR（進(jìn)水/曝氣/沉淀/潷水）基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，一個(gè)完整的運(yùn)行周期包括同時(shí)進(jìn)水/出水、曝氣和沉淀三個(gè)階段。Nereda工藝配備定制的控制系統(tǒng)，保障工藝系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行，并根據(jù)水量、水質(zhì)和溫度的變化調(diào)整運(yùn)行參數(shù)，使工藝系統(tǒng)始終處于穩(wěn)定高效的運(yùn)行狀態(tài)。

ARGUS工藝由克羅地亞Eco-Engineering公司開發(fā)，主要通過引入合適的工業(yè)廢水在側(cè)線培養(yǎng)富集好氧顆粒污泥，然后連續(xù)或者分批投加到污水處理主線，從而保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定和高效。

（3）實(shí)際工程

好氧顆粒污泥技術(shù)已在多項(xiàng)實(shí)際工程中得到應(yīng)用。根據(jù)DHV公司的介紹，截至2015年6月，Nereda工藝目前已在全球擁有25座工程案例，其中實(shí)際運(yùn)行工程13座，在建工程9座，設(shè)計(jì)階段工程3座。南非Gansbaai是第一座處理城市生活污水的Nereda污水處理廠，荷蘭的Garmerwolde污水處理廠規(guī)模30 000 m3/d，是目前在運(yùn)行的最大好氧顆粒污泥處理系統(tǒng)。巴西擁有多項(xiàng)工程處于設(shè)計(jì)和建設(shè)階段，其中在建的 Deodoro，Rio de Janeiro污水處理廠規(guī)模達(dá)到86 400 m3/d，處于設(shè)計(jì)階段的Jaboatao，Recife污水處理廠一期工程即達(dá)到了109 683 m3/d［15］。ARGUS工藝也成功應(yīng)用到多家工業(yè)廢水處理廠以及Lendava污水處理廠的升級改造工程［14］。

2.2好氧顆粒污泥工程應(yīng)用的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

在我國污水處理廠進(jìn)水復(fù)雜多變、排放標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格的情況下，好氧顆粒污泥進(jìn)行具體工程應(yīng)用時(shí)需重點(diǎn)分析技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性。

（1）技術(shù)可行性

大量的研究和工程實(shí)踐已經(jīng)證明，好氧顆粒污泥可對污染物進(jìn)行有效去除，但落實(shí)到具體工程仍需考慮出水的達(dá)標(biāo)問題。部分好氧顆粒污泥污水處理廠出水水質(zhì)如表1所示，這些污水處理廠出水水質(zhì)均很好地達(dá)到了所在地的排放標(biāo)準(zhǔn)。同我國目前普遍執(zhí)行的GB18918-2002一級A標(biāo)準(zhǔn)相比，部分污染物的去除仍需進(jìn)一步強(qiáng)化：有機(jī)物去除方面，出水COD濃度較高，考慮到未來出水COD濃度標(biāo)準(zhǔn)降至40 mg/L以下，需進(jìn)一步處理才能保證穩(wěn)定達(dá)標(biāo)；NH4+-N去除方面，出水NH4+-N濃度可穩(wěn)定達(dá)標(biāo)；TN去除方面，脫氮效果較好，不僅可穩(wěn)定達(dá)到GB18918-2002一級A標(biāo)準(zhǔn)，也能滿足未來出水TN指標(biāo)降至10 mg/L的排放標(biāo)準(zhǔn)；TP去除方面，生物除磷總體效果較好，但仍需輔以化學(xué)除磷才能保證穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。從處理效果方面看，好氧顆粒污泥系統(tǒng)作為生化處理的主體工藝是可行的，但是好氧顆粒污泥技術(shù)的實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)相對缺乏，在具體項(xiàng)目中仍需進(jìn)行系統(tǒng)的試驗(yàn)，以確保技術(shù)可行性。

表1　部分好氧顆粒污泥污水處理廠出水水質(zhì)［15，16］

根據(jù)好氧顆粒污泥實(shí)際運(yùn)行工程的進(jìn)水水質(zhì)，進(jìn)水COD濃度普遍高于500 mg/L，其脫氮除磷碳源充足，因此在一個(gè)反應(yīng)池內(nèi)可進(jìn)行較好的脫氮除磷，如果進(jìn)水有機(jī)物濃度低，特別是碳氮比較低時(shí)，好氧顆粒污泥系統(tǒng)的TN和TP去除效果需進(jìn)一步驗(yàn)證。

工藝穩(wěn)定性是工程化應(yīng)用的重要影響因素，好氧顆粒污泥的運(yùn)行參數(shù)范圍相對較窄，工藝控制的要求更高，因此好氧顆粒污泥工程化過程中一方面需提高工藝運(yùn)行的自動(dòng)化控制水平，建立智能決策系統(tǒng)，另一方面需加強(qiáng)技術(shù)培訓(xùn)，提高運(yùn)行人員的技術(shù)水平。

（2）經(jīng)濟(jì)性

好氧顆粒污泥系統(tǒng)由于可以維持較高的污泥濃度，生化反應(yīng)停留時(shí)間較短，因此可減少反應(yīng)池容，降低土建費(fèi)用，節(jié)約建設(shè)用地。部分好氧顆粒污泥技術(shù)介紹中好氧顆粒污泥工藝占地僅為傳統(tǒng)活性污泥工藝的20%～30%，應(yīng)該指出這種節(jié)地效果的描述并不全面。在典型污水處理廠中，生化工藝占地為污水處理廠總占地面積的25%左右，而通過好氧顆粒污泥應(yīng)用，整個(gè)污水處理廠可節(jié)約用地20%左右，若考慮到好氧顆粒污泥系統(tǒng)需配合一定容積的調(diào)節(jié)池，其節(jié)地效果將受到進(jìn)一步影響。

在運(yùn)行方面，有文獻(xiàn)提出好氧顆粒污泥系統(tǒng)具有運(yùn)行能耗低，產(chǎn)泥量小等優(yōu)勢。由于好氧顆粒污泥通常需維持較高剪切力，曝氣強(qiáng)度較高，如果維持剪切力的曝氣量超過污染物降解所需曝氣量，將存在一定程度上的浪費(fèi)，因此好氧顆粒污泥處理進(jìn)水耗氧污染物濃度低的污水并不一定經(jīng)濟(jì)。

2.3好氧顆粒污泥工程應(yīng)用的技術(shù)難點(diǎn)

我國目前已建成3 700多座污水處理廠，處理規(guī)模超過1.5億m3/d，新建項(xiàng)目將主要集中在技術(shù)力量相對薄弱的縣城及村鎮(zhèn)。好氧顆粒污泥技術(shù)在新建項(xiàng)目中推廣應(yīng)用空間不大，因此好氧顆粒污泥工程應(yīng)用重點(diǎn)應(yīng)集中在已有污水處理廠內(nèi)部挖潛和提標(biāo)改造工程。

（1）系統(tǒng)構(gòu)建

雖然好氧顆粒污泥技術(shù)的機(jī)理研究已比較深入，在試驗(yàn)室和實(shí)際工程中都成功構(gòu)建了好氧顆粒污泥系統(tǒng)，但是針對不同工況快速構(gòu)建并穩(wěn)定維持好氧顆粒污泥系統(tǒng)仍缺乏全面的經(jīng)驗(yàn)和理論支持，特別是基于原有處理設(shè)施的改造工程，其技術(shù)難度更高，好氧顆粒污泥與現(xiàn)有污泥系統(tǒng)的有效銜接是值得探討的問題。

（2）波動(dòng)影響

污水處理系統(tǒng)受溫度、水質(zhì)和水量等波動(dòng)的影響，特別是溫度，低溫條件下好氧顆粒污泥穩(wěn)定維持和污染物去除能力均存在一定問題，部分研究對低溫條件下的好氧顆粒污泥系統(tǒng)開展了研究，并取得了建設(shè)性成果。此外好氧顆粒污泥系統(tǒng)抗水力沖擊能力較弱，工程上可通過增設(shè)緩沖調(diào)節(jié)池保持進(jìn)水量的穩(wěn)定。

3　結(jié)　論

本文歸納了好氧顆粒污泥技術(shù)的研究成果，總結(jié)了好氧顆粒污泥培養(yǎng)和維持方法，分析了好氧顆粒污泥工程應(yīng)用的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性，提出了可好氧顆粒污泥在我國進(jìn)行工程化應(yīng)用需重點(diǎn)考慮的技術(shù)難點(diǎn)，可為該項(xiàng)技術(shù)在我國污水處理領(lǐng)域的推廣應(yīng)用提供支撐。

在GB 18918-2002一級A排放標(biāo)準(zhǔn)下，好氧顆粒污泥技術(shù)可作為生化處理工藝，但具體項(xiàng)目需要進(jìn)行系統(tǒng)的試驗(yàn)驗(yàn)證。好氧顆粒污泥系統(tǒng)需進(jìn)水有機(jī)物濃度較高，一方面可充分發(fā)揮系統(tǒng)的處理效能優(yōu)勢，保證脫氮除磷效果；另一方面可使維持剪切力的曝氣量與污染物降解所需曝氣量相對平衡，減少曝氣量的浪費(fèi)。鑒于我國已建成大量污水處理廠，好氧顆粒污泥與現(xiàn)有污泥處理系統(tǒng)的合理銜接是值得探討的問題，此外好氧顆粒污泥系統(tǒng)在低溫條件下的控制和維持方法仍需進(jìn)一步研究。

［1］Mishima K，Nakamura M.Self-immobilization of aerobic activatedsludge—a pilot study of the aerobic upflow sludge blanket process in municipal sewage-treatment［J］.Water Sci Technol 1991 （23）:981-990.

［2］Heijnen J.J.and M.C.M.van Loosdrecht，.Method for Acquiring Grain-shaped Growth of a Microorganism in a Reactor:European Patent，EP0826639［P］.1998.

［3］郝曉地，孫曉明，Mark van Loosdrecht.好氧顆粒污泥技術(shù)工程化進(jìn)展一瞥［J］.中國給水排水2011，27（20）:9-12.

［4］Liu Y，Tay J H.The essential role of hydrodynamic shear force inthe formation of biofilm and granular sludge［J］.Water Research，2002，36（7）:1653-1665.

［5］Sunil S.Adav，Duu-Jong Lee，Kuan-Yeow Show，Joo-Hwa Tay. Aerobic granular sludge:Recent advances［J］.Biotechnology Advances.2008（26）:411-423.

［6］Wilen BM，Onuki M，Hermansson M，Lumley D，Mino T. Microbial community structure in activated sludge floc analysed by fluorescence in situ hybridization and itsrelation to floc stability［J］. Water Research，2008，42（8-9）:2300-2308.

［7］劉紹根，孫菁，徐銳.Ca2+、Mg2+對好氧污泥快速顆?；挠绊懷芯浚跩］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2015，35（1）:168-176.

［8］Liu Y，Tay J H.State of the art of biogranulation technology for wastewater［J］.Biotechnology Advance，2004，22（7）:533-563.

［9］沈娜，楊昌柱，濮文虹，等.負(fù)荷交替法快速培養(yǎng)好氧硝化顆粒污泥的研究［J］.環(huán)境科學(xué)，2013，34（4）:1464-1471.

［10］王昌穩(wěn)，李軍，趙白航，等.好氧顆粒污泥的快速培養(yǎng)與污泥特性分析 ［J］.中南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，44（6）: 2623-2628.

［11］Dandan Zhou，Shu Niu，Yongjiao Xiong，et al.Microbial selection pressure is not a prerequisite for granulation:Dynamic granulation and microbial community study in a completemixing bioreactor［J］. Bioresource Technology，2014（161）:102-108.

［12］Tay JH，LiuQ S，LiuY.The effectofupflow airveloc-ity on the structure ofaerobic granules cultivated in a sequencing batch reactor［J］.WaterSciTechno.2004，49（11-12）:35-40.

［13］Zhou，J.H.，Zhao，H.，Hu，M.，Yu，H.T.，Xu，X.Y.，Vidonish，J.，Alvarez，P.J.J.，Zhu，L.，Granular activated carbon as nucleating agent for aerobic sludge granulation:effect of GAC size on velocity field differences（GAC versus flocs）andaggregation behavior［J］. Bioresour Technol.，2015（198）：358-363.

［14］季民，魏燕杰，李超，等.好氧顆粒污泥處理實(shí)際污（廢）水的研究與工程化應(yīng)用進(jìn)展［J］.中國給水排水，26（4）:10-14.

［15］Giesen，A.，de Bruin，L.M.M.，Niermans，R.P.，van der Roest，H. F..Advancements in the application of aerobic granular biomass technology for sustainable treatment of wastewater［J］.Water Pract.Technol.，2013，8（1）:47-54.

［16］M.Pronk a，M.K.de Kreuk，B.de Bruin，et al.Full scale performance of the aerobic granular sludge process for sewage treatment［J］.Water Research，2015（84）:207-217.

X703

B

1009-7716（2016）07-0327-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.097

2016-03-16

上海市科委啟明星計(jì)劃（14QB1403900）

沈昌明（1980-），男，江蘇揚(yáng)州人，博士，高級工程師，主要從事水污染控制方面的研究工作。