[碳中和] 低能耗技術之白話好氧顆粒污泥
我們在《污水廠實現“碳中和”的途徑》（點擊查看）一文中提到，實現污水廠的“碳中和”，除了把能量回收搞得多多的，還要把能量耗用搞得少少的。同時，我們在《污水廠“碳中和”升級一定是高成本嗎？》（點擊查看）提到，污水廠碳中和升級，可以朝污水廠、中水廠、能源廠和資源廠“四位一體”的方向發展。
業內似乎也已形成共識：污水廠將從一座只確保廢水達標排放的污水處理廠逐步轉變為若干個更小型、功能劃分更細化的資源回收廠。
污水處理技術的快速演變，也讓我們有了更多的選擇，例如：
以厭氧氨氧化、好氧顆粒污泥為核心的低能耗脫氮、生物降解技術；
以厭氧消化為核心的能量回收技術；
以膜為核心，結合其他深度水處理技術（如UV、高級氧化、生物活性炭等）的水回用技術；
以磷回收為主的資源回收技術等。
這些趨勢和發展預期會隨著生物技術和材料科學的進步而得到進一步的發展。因此，“碳中和”下的水處理廠，不僅需要更適應各種功能性要求的變化，還需要更適應技術的變化。
那么，后期我們將逐一討論碳中和下污水處理可適用的各種技術。敬請期待喲。
本次，我們先白話一下低能耗技術之一的好氧顆粒污泥技術（AGS）。
一、好氧顆粒污泥的起源與發展
說起好氧顆粒污泥的起源，我們回到長長的100多年前，從活性污泥開始白話起。
搞污水的都知道，活性污泥是1912年英國的克拉克（Clark）和蓋奇（Gage）發現的，他們對污水進行長時間曝氣，發現水中就會長出污泥狀的東西，同時水質也會變好。
這個現象激起了阿爾敦（Arden）和洛凱特（Lockgtt）的興趣，他們接著往下玩，每天把污水裝在瓶子里進行曝氣，偶然發現，如果瓶子沒有洗干凈，瓶壁上還粘著污泥時，處理效果更好。
于是，他們每天結束實驗前，都把曝氣后的污水沉淀一下，只倒掉上面的清水，留著瓶底的污泥第二天繼續用，越玩越有意思，每天都很開心。（妥妥的跟我們現在將泥水進行沉淀，將沉淀出來的清水收集，再將沉淀下來的污泥回流到反應池的方式一套搞法啊）。
他們把這個污泥稱之為活性污泥，活性污泥法就這么發明了。
我們都知道，這個污泥并不是真正的泥，而是由各種微生物菌群加上所依附的有機物和無機物所組成，它之所以能凈化水，是因為微生物菌群的作用。
后來，活性污泥逐漸被廣泛用于污水處理。隨著人們對微生物的認識不斷加深，又發展出了好氧化、厭氧法，以及厭氧、缺氧、好氧的不同組合而形成的各種活性污泥工藝。
1972年，荷蘭瓦赫寧根大學的Lettinga教授在處理甜菜廢水的6m3/d的UASB（升流式厭氧污泥床系統，厭氧生物法的一種）中試裝置中發現了顆粒污泥。顆粒污泥就是眾多微生物團聚成了一個顆粒小球，從而使單位容積內的微生物量大量增加。
我們看一個圖片直觀感受一下，下圖的（a）是普通污泥，（b）是好氧顆粒污泥。
厭氧顆粒污泥的發現，使得高效厭氧反應系統成為可能。
如果把最開始誕生的厭氧生物法相對負荷，也就是處理效率，設定為1，那么通過強化污泥回流的UASB反應器相對負荷可以提到5，也就是5倍，而厭氧顆粒污泥的發現使其迅速提高至25，后來，第三代強化接觸的膨脹床顆粒污泥系統（EGSB）進一步提高到75。也就是，處理效率相當于最初的75倍。
可以說，顆粒污泥的發現，改寫了厭氧技術的發展歷程，甚至可以說，改變了整個污水處理行業的技術發展歷程。因為隨之而來，才引起了對各種微生物顆粒的研究。
1975年，瓦格寧根大學與研究中心（WageningenUniversity & Research，簡稱WUR）
開始全面系統的研究污泥顆粒化現象。
通過不斷研究和發展，顆粒家族已經形成了厭氧顆粒污泥、厭氧氨氧化顆粒污泥、好氧顆粒污泥、生物脫硫顆粒污泥等幾大成員的格局。
說到這里，我們不得不膜拜一下荷蘭，顆粒家族的成員基本都是荷蘭發展出來的，工程化應用的關鍵技術也在他們那兒。所以荷蘭人號稱都是用顆粒處理污水的。
顆粒污泥的形成，主要源自于生物自絮凝現象。我們如果在反應器中放入填料，污泥就會趴在上面，形成生物膜；而如果沒有填料，污泥就會互趴，你趴著我，他趴著你，大家手拉手，肩并肩，緊緊團結在一起，形成一個球。
所以，顆粒污泥就是無需內核，自固定化的生物膜。
不同的顆粒污泥主要是組成的功能菌群不同。例如：厭氧顆粒污泥主要由產酸、產甲烷菌群團聚而成；厭氧氨氧化顆粒污泥主要由厭氧氨氧化菌組成；好氧顆粒污泥則根據硝化、除磷、同步脫氮除磷等不能功能需求，由不同的功能微生物呈現分層分布。
由此可見，我們今天談的好氧顆粒污泥法（AGS），其實不是一種裝置，而是一種培養出好氧法下，硝化、除磷或同步脫氮除磷的顆粒型生物功能群菌的方法。
也就是說，無論采取什么辦法，搞得出多多的顆粒污泥就行。顆粒越多越優秀，有個專門的衡量指標叫顆粒化率。
關于好氧顆粒污泥第一個研究性的工作，是由日本學者開展的。
1991年，Mishima模仿厭氧UASB反應器制作了一個好氧升流式污泥床反應器，用純氧曝氣，培養出了好氧顆粒污泥。
可能是看到厭氧顆粒污泥那么好，于是依葫蘆畫瓢照著搞好氧顆粒污泥。但由于是純氧曝氣，能耗過高，難度較大，未能實現推廣。
隨后，慕尼黑大學的Morgenroth教授與代爾夫特理工大學的Mark vanLoosdrecht教授組成了聯合研究組，分為兩個小組分頭開展研究。
Morgenroth組采用實際污水，MarkvanLoosdrecht教授組采用的是實驗室合成污水。從顆粒污泥的培養速度來看，后者更快了一些。1997年，雙方合作在《Water Research》發表文章，從而帶來了好氧顆粒污泥里程碑式的發展。
隨后，眾多的學者與機構投入開展研究，帶動了好氧顆粒污泥的進一步發展。
從好氧顆粒污泥的起源來看，我們可以整理出這樣一條脈絡：
發現活性污泥--發現厭氧污泥--厭氧反應器中找到了顆粒，顆粒很好效率很高--依葫蘆畫瓢搞好氧顆粒--調整路徑培養好氧顆粒污泥成功。
二、好氧顆粒污泥的特點與形成機理
說了這么久好氧顆粒污泥的起源，那好氧顆粒污泥有什么好處讓我們如此看重呢？
如前面提到的，厭氧技術一旦發展出顆粒污泥，就帶來了技術的新生，相對負荷迅速從5提升至25，效率立馬提升了5倍。
好氧顆粒污泥也如是。傳統活性污泥法的污泥濃度一般在3000-5000mg/L范圍，MBR工藝可將污泥濃度提升至8000-10000mg/L。而國外好氧顆粒污泥反應器中的污泥量一般大于10000mg/L，有的甚至能達到15000mg /L。
污泥濃度高，生物量大，處理效率就高。這是第一個特點。
另外，我們來看一下荷蘭DHV公司Nereda工藝的好氧顆粒污泥剖面示意圖：
一個顆粒污泥內部為缺氧/厭氧區，主要為反硝化菌和聚磷菌，外部為好氧區，主要為氨氧化菌和生物氧化菌群，就是說，同一位置上的同一顆粒，就可以起到脫氮除磷和降解有機物的作用，也就是說，一個顆粒就是一個同步脫氮除磷和降解有機物的反應器。這是第二個特點。
同時，生物自凝聚團聚成密實的球體（粒徑一般在200μm-7mm之間呈正態分面，以0.6mm-1mm的顆粒居多，活性也最高），生物質密度和強度顯著增高。
我們一般以SV30（即曝氣池的泥水混合液在量筒中靜止沉淀30分鐘后，污泥所占的體積百分比）表現活性污泥的沉降性能，而顆粒污泥沉速極快，一般3-5分鐘就可以沉降完畢。所以，對于好氧顆粒污泥的沉降性能，可以用SV8（即靜止沉淀8分鐘的污泥占比）來表示。
優秀的沉降性能使好氧顆粒污泥能高效沉淀，沉淀池也不用了，占地面積可以大幅度縮小。這是第三個特點。
生物濃度高，處理高效，占地面積小，結構還可以特別簡單，能耗也就可以大幅降低，且化學藥劑的使用量也很低。（怎么越說越妥妥地覺得，都是在說咱們VFL垂直流迷宮水處理技術？）
好氧顆粒污泥的好處主要就這些，當然，還有就是因為團聚成球，相對普通絮狀污泥比較不容易老化、膨脹等。
前面說到顆粒污泥來自于生物自絮凝。就是說，菌菌們在水中游走，一旦相撞就傾向于緊緊擁抱，團結凝聚成一個力量強大的球體。
讓人想起那首歌唱的：團結就是力量。
那么，我們如果能創造一個讓菌菌們容易相撞相擁的環境，就能促進好氧顆粒污泥形成了。
如何能讓菌菌們容易相撞呢？其實我們自己想想也可以想到一些因素，比如：
首先，我們都知道，人多，且擠，就容易相撞，菌菌們也是一樣的。如果污泥濃度高，相撞相擁的概率就大，所以，影響污泥濃度的因素，比如有機負荷高低、曝氣強度、溫度高低等，都會影響顆粒污泥的形成。
其次，人多，且擠，還都在亂動，外部沖擊力又強，就更容易相撞，菌菌們也是一樣的。如果造成泥水的流動，通過反應器高徑比（高度與直徑的比率）形成較強的水力剪切力，提高曝氣強度等，也會有效的促進顆粒污泥的形成。
最后，還有一個，又多又擠的人走100米，相對于只走1米，相撞的概率肯定又會大很多，菌菌們也是一樣的。所以，泥水流徑的長短也會影響顆粒污泥的形成。
綜上所述，我們的第一條原則是：創造一條又長又擠的污泥通道，再通過內力外力的加壓，促進微生物相撞并團聚成球。
我們再看一個好氧顆粒污泥的掃瞄電鏡圖：
綠色的EUB是指細菌總群，分布在顆粒各處；
紅色的AOB是指氨氮氧化細菌，散落分布在顆粒外層；
藍色的PAO是指聚磷菌，都分布在顆粒里層。
聚磷菌是厭氧菌，生長緩慢，但很穩定。
談這個主要是想引出好氧顆粒污泥著名的“盛宴-饑餓”理論。
我們前面談到代爾夫特理工大學的Mark教授，他關于好氧顆粒污泥的理論有下面幾個要點：
首先，采用升流式厭氧進水，發展出厭氧的聚磷菌，并使這種生長緩慢而穩定的細菌逐漸形成一個核心。
其次，聚磷菌有儲存物質的特性，厭缺氧是盛宴階段，有很多食物，好氧是饑餓階段，消耗氧化食物，前后兩個階段，有利于好氧顆粒污泥的成長。
并且，發展緩慢生長的細菌形成顆粒污泥的核心，這一關鍵環節的把握，可使培養出來的好氧顆粒污泥形成非常穩定，拿出來1-2個月都不會解體。如果以其他方式培養顆粒污泥，不到一個星期污泥就會解體。
那么我們的第二條原則是什么？就是，要根據顆粒污泥的內外菌種組成，有順序的培養顆粒的菌種。也就是，就發展出始終在內部的厭氧菌種--聚磷菌，然后再讓一般在外部的菌種，EUB、AOB啥的，慢慢趴上去，顆粒就易成型且穩定性高。
這個也好理解，試想，如果好氧菌種被擠在里面，缺氧，缺食物，很可能死掉，顆粒就容易空心，解體。
最后，還有一個沉速選擇理論。
前面我們提到，顆粒污泥沉速極快，一般3-5分鐘就可以沉降完畢。
我們也聽到過，顆粒污泥都是在SBR或其變形（也就是間歇式反應器）中培養出來的，其實這個就是為了適應沉速選擇。
系統運行的時候發展出顆粒污泥，系統間歇沉淀的時候把沉速快的顆粒污泥留下了，把沉不下的絮狀污泥給淘汰走了，這樣就使污泥顆粒化率越來越高。
并且，沉淀時間不能過長，太長則會把絮狀污泥也沉下來了，起不到生物選擇的作用。不過，剛開始培養的時候顆粒沒幾個，要是沉淀時間太短了就都給淘汰走了，所以，污泥培養期應采取逐步降低沉淀的方式，隨著顆粒的增多調整沉淀時間。
所以，第三條原則是，像生物進化選擇那樣，通過沉速選擇，把已經形成顆粒而沉得快的污泥留下，把形不成顆粒的逐漸淘汰，剩下的，就越來越都是顆粒污泥。
三、好氧顆粒污泥技術的工程化應用
目前，好氧顆粒污泥技術工程化應用最成功的是由荷蘭Royal Haskoning DHV（中文簡稱“德和威”）公司實施的Nereda技術。Nereda技術就是來源于代爾夫特理工大學的研究成果。
據德和威公司中文網站的報道，截至2018年底，全球共有25家使用Nereda技術的全規模污水處理廠投入運營，并有64家正在建設或設計中。到目前應該又增加了一些。
Nereda工藝的第一個應用是處理荷蘭Smilde Foods BV食品公司的奶酪廢水，反應器由牛奶儲罐改造而成，處理規模為250m3/d。Nereda工藝第一個市政污水應用是在南非的 Gansbaai污水處理廠。荷蘭本土的Epe污水廠在2011年改造采用Nereda工藝后，立即成為荷蘭全國能耗最低的市政污水廠。目前荷蘭已經建成10多座此工藝的污水廠，好氧顆粒污泥法已經成為荷蘭污水處理的主流方法。
設計規模最大的是為愛爾蘭水務公司建造的 Ringsend污水處理廠改造項目，處理規模為600000m3/d，預計2021年完工投入運行。我們拭目以待，這么大規模的應用如能穩定運行，此工藝應沒什么規模上的限制。
Royal HaskoningDHV在中國建立了德和威（北京）環境工程有限公司，該公司在2019年初與北京北控工業環保科技有限公司（簡稱“北控工業環保”）建立了合作關系。北控工業環保可用該技術對廢水處理設施進行提標、擴容和改造。
雖然如此，目前國內也僅有一座使用Nereda技術的污水廠，就是去年11月通過竣工驗收的浙江龍游縣城南工業污水處理廠。該污水廠成為國內首座，也是亞洲首座使用Nereda好氧顆粒污泥技術的污水處理廠，日處理能力2萬噸。
那么，我們國內的好氧顆粒污泥工藝研究是個什么狀況呢？
近期，由北京首創股份有限公司、北京建筑大學與荷蘭代爾夫特大學共同成立的中荷未來污水處理技術研發中心在河南南陽淅川實施了一項示范工程。
示范工程以淅川一座處理規模為1000m3/d的鄉鎮污水處理廠為基礎，將4組CAST池中的1組改造為處理水量為500m3/d的AGS工藝。該項目經過幾個月運行后，目前顆粒成型良好、穩定，在不投加藥劑的情況下可達到一級A出水標準。
另外，中科大的俞漢青教授早在2003年于合肥朱專井污水處理廠建立了一座中試裝置，開始介入好氧顆粒污泥的研究。目前應該暫無廣泛的工程化應用。
四、VFL技術的顆粒化特性
前面我們提到，好氧顆粒污泥技術的很多特性跟咱們VFL垂直流迷宮技術很一致。
其實VFL技術所有的考慮，均是基于對生物細菌的理解，并根據細菌的需要，營造出一個適宜顆粒污泥形成的環境。我們結合VFL的結構示意圖來看一下：
首先，VFL反應器厭、缺氧區內置豎向導流板，將反應器分隔成若干個串聯的反應室，每個反應室都是一個相對獨立的上下流式污泥床，形成了很長的流徑，并營造出升流式的厭氧混合流（如上圖中“1”所示），有利于先發展出厭氧的聚磷菌，并使其形成顆粒污泥的核心。結合盛宴-饑餓理論，這種結構有利于形成穩定的顆粒污泥。
其次，厭、缺氧區分隔成若干格，每一格都能形成較大高徑比的反應室，使之具有很強的水力剪切力。以我們一個日處理規模為5000噸的項目為例，整個厭缺氧區分為80個反應室，每個反應室寬約2米，厭缺氧區有效水深（也就是高）約5.5米，因此，每個反應室的高徑比均在2倍以上，形成強勁的水力剪切力，有利于顆粒污泥的大量形成。
最后，VFL采取間歇式運行模式，一般20分鐘一個周期，曝氣時間與間歇時間根據有機負荷濃度、污泥生長情況、溶解氧量等多種因素進行調整，間歇時間長的可達10分鐘，短的可至4分鐘，結合沉速選擇理論，截留顆粒污泥，淘汰絮狀污泥。
由于顆粒污泥的沉降性能，VFL同樣省略了二沉池，沉淀池內置于好氧區（如上圖中“3”所示）。以我們前面所述日處理規模5000噸的項目為例，沉淀池上部面積約377平米，整個組合池面積約1860余平米，沉淀池面積占組合池面積為5分之1，占整個廠區面積約18分之1，而一般活性污泥法二沉池的面積可占到污水廠總面積的30-50%。可謂切實實現了省地節能的目的。
放一張我們貴陽使用VFL技術的項目照片，其顆粒污泥肉眼可見，陽光下還可以看到其面上一層薄薄的清亮的上清液。
前面提到，顆粒越多工藝越優秀。VFL的顆粒化率、處理效率等有待進一步的對比實驗。
總結
雖然理論與實踐均證明好氧顆粒污泥是一個好東西，但要在國內廣泛使用還是存在一些問題和難點。比如我們前面提到，污泥濃度有助于顆粒的形成，而我國市政污水的有機濃度普遍較低，很多時候都難以養出好泥，更別說超高生物濃度的顆粒污泥。不過，碳中和與生態文明建設已經成為重要的國家戰略，我們樂觀的期待行業與工藝的進一步發展。
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