顆粒污泥|荷蘭代爾夫特理工大學(xué)連續(xù)流工藝系統(tǒng)研究成果
發(fā)布者： 中國給水排水
2024-05-31
論文
污泥處理
三星
編者按：隨著序批式（SBR）好氧顆粒污泥（AGS-SBR）技術(shù)（Nereda®）在全球范圍內(nèi)工程應(yīng)用，開發(fā)應(yīng)用于既有連續(xù)流反應(yīng)器處理工藝（CFRs）的污泥顆粒化技術(shù)近年亦引發(fā)全球興趣，因為大多數(shù)既有CFRs工藝普遍面臨著原位擴(kuò)容需要。在既有CFRs工藝基礎(chǔ)上培養(yǎng)顆粒污泥將可能至少擴(kuò)容1倍處理能力，同時無需增加二沉池體積而改善二沉池效果。這就是荷蘭Harnaschpolder污水處理廠（位于Delft附近的Den Hoorn）為什么幾年前啟動合作研發(fā)（委托TU Delft）項目——HARKOS的一個動機(jī)。然而，連續(xù)流工藝的缺點是內(nèi)外污泥回流導(dǎo)致的能耗要比SRB方式高30%，新建顆粒污泥工藝以SBR方式運行應(yīng)該比連續(xù)流更具能耗優(yōu)勢。我國對連續(xù)流好氧顆粒污泥的深入研究不多，僅從污水處理實踐中偶然發(fā)現(xiàn)了顆�；F(xiàn)象（河北某地），但成因及其系統(tǒng)機(jī)理研究尚不成熟。5月16日，在代爾夫特理工大學(xué)（TU Delft）博士畢業(yè)答辯中，Viktor Albert HAAKSMAN（導(dǎo)師：Mark van Loosdrecht教授）以畢業(yè)論文形式系統(tǒng)地為全球業(yè)內(nèi)呈現(xiàn)了其對連續(xù)流好氧顆粒污泥技術(shù)（AGS-CFRs）相關(guān)研究內(nèi)容與見解，他的博士論文主要章節(jié)分別在Water Research上發(fā)表4篇文章�，F(xiàn)將其主要研究內(nèi)容進(jìn)行整理概述，供國內(nèi)同行了解。
整理 | 吳道琦
責(zé)編 | 郝曉地
據(jù)報道，采用厭氧階段強(qiáng)化生物除磷（EBPR）的CFRs中常常會出現(xiàn)自發(fā)性污泥顆�；F(xiàn)象，并且這也已被證明與厭氧池/選擇器顯著相關(guān)。實際上，厭氧選擇器設(shè)計原理在一定程度上與序批式好氧顆粒污泥（AGS-SBR）工藝條件及技術(shù)原理非常相似，但需進(jìn)一步證實前者的設(shè)計、污水組分與污泥顆粒化程度之間的相關(guān)性。為此，研究旨在進(jìn)一步闡明SBR中厭氧階段在AGS形成中作用的同時，將AGS-SBR技術(shù)轉(zhuǎn)化為AGS-CFRs技術(shù)，以實現(xiàn)對連續(xù)流活性污泥工藝的強(qiáng)化與升級。
01
好氧條件下易生物降解有機(jī)底物的影響
通常，在活性污泥工藝中設(shè)置厭氧選擇器能夠有效避免后續(xù)好氧條件下仍有過多易生物降解有機(jī)底物（rbCOD），即，避免好氧條件下底物擴(kuò)散限制影響帶來的絲狀菌膨脹問題。但在實際應(yīng)用中，選擇器內(nèi)底物迅速擴(kuò)散將難以確保rbCOD完全去除，而使其流入好氧階段中，并對污泥性能產(chǎn)生上述影響。實際上，AGS-SBR中厭氧階段采用底部活塞流式進(jìn)水模式便是為了解決這一問題而生的。但不論如何，部分流入好氧階段的rbCOD對該階段中的AGS形態(tài)學(xué)和沉降性能影響尚未被研究，特別是在篩選具有厭氧儲存胞內(nèi)物質(zhì)微生物和沉降速度選擇壓的工藝條件背景下的相關(guān)機(jī)制。這將為后續(xù)AGS-CFRs開發(fā)提供一定指導(dǎo)。
圖1 WR(2020)原文及不同好氧rbCOD負(fù)荷情況下污泥形態(tài)變化特征
為此，該章節(jié)中通過在上述工藝條件下對好氧階段逐步增加乙酸鹽負(fù)荷，考查污泥形態(tài)及沉降性能變化。其中，隨著好氧乙酸鹽負(fù)荷增加，污泥體系除磷效率逐步降低，并在顆粒表面形成贅生物，隨之引發(fā)了污泥沉降性能惡化及生物量沖刷與驟降。而在停止好氧乙酸鹽供給10 d后，污泥各項性能指標(biāo)恢復(fù)正常。實際上，通過實施篩選具有厭氧儲存胞內(nèi)物質(zhì)微生物和沉降速度選擇壓的工藝條件，能夠減弱好氧階段中rbCOD對污泥性能的不利影響。在此基礎(chǔ)上，若能夠保證進(jìn)水中大部分rbCOD在厭氧階段被攝取，則能夠允許一部分rbCOD（≤20% rbCOD，好氧乙酸鹽負(fù)荷為4 mg COD/g VSS/h）進(jìn)入好氧階段，但超過這一閾值仍將導(dǎo)致污泥各項指標(biāo)惡化。
02
不同厭氧進(jìn)水模式下
易生物降解有機(jī)底物分配
在明晰了不同rbCOD負(fù)荷對好氧階段中污泥影響機(jī)制后，該章節(jié)聚焦于厭氧階段對污泥粒徑及組分等分布情況的影響。通常，在CFRs中推流式厭氧選擇器內(nèi)，內(nèi)/外循環(huán)污泥在懸浮狀態(tài)下與進(jìn)水接觸。這將大大增加污泥絮體內(nèi)的rbCOD擴(kuò)散梯度，而難以形成相對致密且沉降性能良好的絮凝體。而在已成熟應(yīng)用的SBR中所采用的底部活塞流式進(jìn)水模式則能夠有效富集AGS。這2種進(jìn)水模式究竟如何影響厭氧選擇器內(nèi)底物的分布，及由此產(chǎn)生的顆粒大小分布和營養(yǎng)物去除效果尚不清楚。
圖2 WR(2020)原文及不同厭氧進(jìn)水模式的影響示意圖
為此，該章節(jié)通過2種實驗室規(guī)模SBR以模擬上述情況并作剖析（一種通過對沉淀后污泥床進(jìn)行底部活塞流式進(jìn)水，另一種則在厭氧階段開始時以氮氣射流混合同時脈沖進(jìn)水）。結(jié)果顯示，前者能夠?qū)⒋蟛糠只|(zhì)分配給大尺寸污泥，而后者則對絮狀及顆粒污泥的基質(zhì)分配趨于一致。顯然，不同厭氧進(jìn)水模式直接決定了不同尺寸污泥對基質(zhì)的分配情況，而與顆粒的停留時間無關(guān)（SRT）。相比于后者，優(yōu)先將有限基質(zhì)供給于大尺寸污泥將有利于促進(jìn)顆粒污泥的形成與穩(wěn)定。
03
數(shù)學(xué)模擬好氧污泥顆粒化機(jī)制
在該章節(jié)中進(jìn)一步比較了不同厭氧進(jìn)水模式的作用效果，并與其他因素結(jié)合，形成6種假設(shè)的AGS形成機(jī)制（圖3）。其中，厭氧階段對能夠儲存rbCOD微生物的篩選和最大化rbCOD底物擴(kuò)散作用是優(yōu)先機(jī)制。兩者通常也作為連續(xù)流活性污泥工藝系統(tǒng)中厭氧選擇器的重要作用。此外，通過厭氧階段中底部活塞流式進(jìn)水模式所營造的對優(yōu)良沉降性能污泥選擇性供給基質(zhì)作用為全尺寸AGS-SBR中好氧污泥顆�；尿�(qū)動因素。這3種機(jī)制與另3種機(jī)制（選擇壓沖刷、基質(zhì)類型和顆粒破碎）一同包含于1個數(shù)值模型中，并由4個子模型呈現(xiàn)：1）一維對流擴(kuò)散模型：描述反應(yīng)器內(nèi)部流體力學(xué)；2）反應(yīng)擴(kuò)散模型：描述顆粒內(nèi)部生長的基本物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程；3）設(shè)定模型：用以在沉淀及進(jìn)水階段示蹤顆粒；4）群體模型：由多達(dá)100 000簇顆粒組成，用以描述污泥顆粒化過程中的隨機(jī)行為。該模型可以解析在實際應(yīng)用中觀察到的污泥顆粒化過程動力學(xué)，包括對滯后階段和污泥顆�；A段的描述。
圖3 6種好氧污泥顆�；瘷C(jī)制
（1、微生物選擇，2、選擇壓沖刷，3、生物膜中底物擴(kuò)散最大化，4、選擇性基質(zhì)供給，5、非顆粒形成基質(zhì)，6、顆粒破碎）
圖4 模型概述
（1、反應(yīng)器中對流與擴(kuò)散，2、通過邊界層的傳質(zhì)，3、一維徑向擴(kuò)散，4、顆粒形成基質(zhì)向PHA的轉(zhuǎn)化，5、反應(yīng)器中顆粒的沉降，6、基于個體的群體模型，7、顆粒破碎，8、從ASM 2d中有機(jī)底物轉(zhuǎn)化模型轉(zhuǎn)化為污泥顆�；Ｐ偷氖疽鈭D）
最終結(jié)果顯示，選擇性供給基質(zhì)被確定為一個重要機(jī)制，這尚未在文獻(xiàn)中報道過。顆粒形成基質(zhì)與非顆粒形成基質(zhì)的比值以及盛宴/饑荒比值決定了從滯后階段到污泥顆�；A段的過渡能否成功。選擇壓篩選和選擇性供給基質(zhì)的效率均決定這一階段轉(zhuǎn)變速率。此外，大顆粒破碎成較小但具有優(yōu)良沉降性能顆粒被認(rèn)為是新顆粒的重要來源。即，污泥顆粒化過程是這6種機(jī)制的綜合結(jié)果，若其中一種機(jī)制條件效果不佳，其他機(jī)制可以在一定程度上進(jìn)行補償。該模型為分析AGS形成的不同相關(guān)機(jī)制提供了一個理論框架，并可以作為一個包含詳細(xì)營養(yǎng)物去除與轉(zhuǎn)化過程的模型基礎(chǔ)。
圖5 WR(2022)原文
04
連續(xù)流反應(yīng)器中選擇壓之營造
綜合上述見解，該章節(jié)引申出一個AGS-CFR概念，并于以實際污水作為進(jìn)水的中試規(guī)模反應(yīng)器中開展研究，如下圖所示。其主要作用原理與全尺寸AGS-SBR一致，通過2個交替工作的上流式厭氧選擇器實現(xiàn)對能夠厭氧儲存rbCOD微生物的富集及顆粒污泥的培養(yǎng)。
圖6 WR(2020)原文與中試規(guī)模連續(xù)流反應(yīng)器示意圖
（階段I（PI）：采用兩個交替作業(yè)的上流式厭氧選擇器；階段II（PII）：常規(guī)混合式厭氧選擇器）
研究中主要對接種后AGS的生長情況進(jìn)行考查（階段Ⅰ），并再次重點研究了不同厭氧進(jìn)水模式對rbCOD分配的影響（階段Ⅱ）。階段Ⅰ中產(chǎn)生了與全尺寸AGS-SBR相似的顆粒污泥，并且相較于進(jìn)水水源污水廠的連續(xù)流活性污泥系統(tǒng)，對其氮磷的去除能力均提高了2倍以上。階段Ⅱ卻導(dǎo)致污泥強(qiáng)化生物除磷活性從大尺寸顆粒為作用核心到小尺寸絮體為作用核心轉(zhuǎn)變，但硝化作用基本不受影響。因此，使用具有底部活塞流式進(jìn)水模式的上流式厭氧選擇器有利于AGS的長期穩(wěn)定性，特別是對于發(fā)酵量（即所含rbCOD）較少的污水。該研究強(qiáng)調(diào)了AGS在提高現(xiàn)有連續(xù)流傳統(tǒng)活性污泥系統(tǒng)的水力性能和生物處理能力方面的潛力。
05
對連續(xù)流好氧顆粒污泥技術(shù)的展望
論文末尾，作者根據(jù)中試研究，對連續(xù)流好氧顆粒污泥技術(shù)（AGS-CFR）提出了見解與展望。
就對連續(xù)流工藝的升級改造而言，毋庸置疑的是，利用合理的技術(shù)能夠在其中實現(xiàn)顆粒污泥形成與穩(wěn)定運行。但回過頭來，未來的生物處理技術(shù)發(fā)展實質(zhì)上應(yīng)更多地關(guān)注生物量與處理能力的提高。因此，業(yè)界在了解到AGS-CFR技術(shù)優(yōu)勢的同時，也應(yīng)看到其內(nèi)外污泥回流能耗及改造難度提升等問題帶來的限制，并與其他連續(xù)流工藝升級改造技術(shù)進(jìn)行合理比較，最終尋求最優(yōu)解。實際上，只有在實現(xiàn)AGS-CFR后，其基礎(chǔ)設(shè)施仍能夠維持幾十年的使用壽命前提下，這一升級改造方案才可能是經(jīng)濟(jì)的。
對于已經(jīng)實現(xiàn)應(yīng)用的相似連續(xù)流污水處理技術(shù)——致密污泥（densified Activated Sludge: dAS）工藝，其通常通過外設(shè)水力旋流分離器等選擇性污泥排除設(shè)施實現(xiàn)污泥沉降性能提高（SVI30可達(dá)40~50 mL/g），可降低絲狀菌膨脹風(fēng)險（其部分性質(zhì)如圖6所示），且無需對原有基礎(chǔ)設(shè)施過多改造。相比于AGS，dAS只不過顆�；潭燃吧锪枯^低而已（平均粒徑<1 mm，MLSS<6 g/L）。就此而言，dAS工藝或許會是一個更為經(jīng)濟(jì)的選擇。而未來的相關(guān)工作則應(yīng)聚焦于能否在保持相同污泥沉降性能及顆粒化程度的同時，實現(xiàn)生物量有效提高。
圖7 不同種類污泥間部分性質(zhì)比較
