通讯作者：王凯军

通讯单位：清华大学环境学院

 

成果简介

 

近日，清华大学环境学院王凯军教授团队和北京华益德环境科技有限责任公司张凯渊团队联合在环境领域期刊环境工程学报上发表了题为“连续流好氧颗粒污泥技术处理低浓度市政污水的中试研究”的封面论文。该论文创新性地提出了微氧-好氧耦合沉淀一体式反应器，并基于河北省某市政污水处理厂原厌氧池构建了3000 m³/d的连续流好氧颗粒污泥中试系统，以低浓度市政污水为基质，接种活性污泥，成功培育了好氧颗粒污泥。研究结果指出中试系统形成的颗粒污泥轮廓清晰，呈规则球形和椭球形，粒径较活性污泥显著增大，机械强度提高，且具有良好的脱氮性能。此研究突破了连续流好氧颗粒污泥工艺的技术瓶颈，为现有污水处理厂升级为好氧颗粒污泥工艺提供了一种新的解决方案。

引言

相比于传统活性污泥工艺，好氧颗粒污泥工艺能节省50%~75%的占地面积和20%~50%的能耗，被认为是主导下一个世纪的环境友好的污水处理生物技术之一。好氧颗粒污泥在序批式反应器中已经实现了工业化应用，然而现有污水处理厂大多采用连续流模式运行，只有当好氧颗粒污泥能在连续流反应器中形成并稳定保持，好氧颗粒才能得到广泛的应用。尽管好氧颗粒化的机理尚不清楚，但在序批式反应器中的研究已经证明选择压和水力剪切力是颗粒污泥形成的必要条件。厌氧颗粒污泥的研究表明三相分离器能同时引入高的水力剪切力和驱动颗粒化的选择压，是颗粒化的有效有段。为了验证该方法在连续流好氧颗粒污泥系统中的可行性，该论文基于现有污水处理厂的原有设施，安装三相分离器，开展了连续流好氧颗粒污泥的研究。

图文导读

微氧-好氧耦合沉淀一体式连续流好氧颗粒污泥中试系统

中试系统分为系列I（1400 m³/d）和系列II（1600 m³/d），均由微氧池、好氧池及置于好氧池内部的三相分离器组成。各单元停留时间分别为6.9~8.9 h、4.9 h及3.5 h。采用气提回流控制污泥回流比约为200%，污泥浓度保持在4~7 g/L，每日排泥控制污泥龄为26~30 天。调整曝气量使得微氧池内溶解氧为0.2~0.5 mg/L，好氧池内溶解氧为1.0~3.0 mg/L。与传统活性污泥工艺相比，中试系统：1）微氧池代替缺氧池，控制低溶解氧条件促进同步硝化反硝化脱氮；2）内置沉淀装置的设计省去二沉池，同时合并内外回流，降低运行能耗。

中试系统进水为污水处理厂旋流沉砂池出水，平均COD、NH₄⁺-N、TN和TP分别为236.5、57.3、67.2和6.0 mg/L。原水C/N仅为3.6，生物脱氮所需碳源不足。因此在微氧池定量投加乙酸钠，使进水COD增加为328.1 mg/L，C/N为4.9。

图1 连续流好氧颗粒污泥中试系统示意图。

好氧颗粒污泥形貌特征

宏观上中试系统污泥与接种污泥差别不大，但经孔径为0.2 mm的筛网筛分可得到粒径较大的颗粒污泥。颗粒污泥轮廓清晰、紧致饱满，为形状规则的球形和椭球形。扫描电镜图像表明颗粒污泥主要由球状菌组成，表面仅有少量丝状菌。接种污泥粒径主要分布在0~50 μm，平均粒径为28.9 μm。而中试系统中污泥较均匀地分布在0~50、50~100及100~150 μm区间，粒径大于100 μm的占比达47.8%。

图2 (a) 污泥宏观照片；(b) 筛分后的污泥宏观照片；(c) 扫描电镜下污泥外部形貌；(d) 扫描电镜下污泥微观形貌。

 

颗粒化机理

利用三相分离器实现颗粒化在厌氧颗粒污泥领域应用十分广泛，连续流好氧颗粒污泥中试系统采用类似的原理。在好氧池内，底部曝气和微氧池出水（即好氧池进水）产生推动力，使得好氧池内部混合液向上流动，与内置的三相分离器碰撞并实现固液气三相分离。分离的气体经三相分离器间的气-液平面逸散到空气中，液体经出水渠排出系统，而泥水混合液只能向下继续流动，在好氧区与三相分离器间形成剧烈的内循环流动，为颗粒化提供关键的驱动力-水力剪切力。

污染物去除效果及机理

I和II系列平均出水NH₄⁺-N分别为1.3和1.0 mg/L，去除率分别为97.7%和98.2%；平均出水TN分别为9.9和9.1 mg/L，去除率分别为84.8%和85.7%。脱氮性能稳定，满足试验所在污水处理厂执行的地标《沧州市2020年重点断面水质达标治理方案》。

与传统活性污泥工艺设置缺氧池和好氧池进行独立的硝化和反硝化不同，中试系统设置微氧池，控制溶解氧为0.2~0.5 mg/L。当COD为50~100 mg/L时，溶解氧可渗透外表层10~18 μm，即当颗粒污泥粒径大于20~36 μm时，能形成外层好氧、内层缺氧/厌氧的微环境。进水中的NH₄⁺-N在外层好氧条件下被氧化，生成的NO₃^--N扩散至内层，在内层缺氧/厌氧的条件下发生反硝化。

图3 (a) I系列NH₄⁺-N去除情况；(b) II系列NH₄⁺-N去除情况；(c) I系列TN去除情况；(d) II系列TN去除情况

 

 

小结

 

 

基于污水处理厂原有设施构建的微氧-好氧耦合沉淀一体式反应器，以低浓度市政污水为基质，接种活性污泥，成功培育了长期稳定存在的连续流好氧颗粒污泥。污泥粒径由接种污泥的28.9 μm增至90.1 μm，粒径>100 μm的占47.8%。I和II系列平均出水NH₄⁺-N和TN分别为1.3和9.9 mg/L，1.0和9.1 mg/L，具有良好的脱氮效果。

 

主要作者介绍

 

余诚：清华大学环境学院博士研究生。主要从事合流制溢流控制、连续流好氧颗粒污泥和厌氧氨氧化等污水处理方向的研究。以第一作者发表中英文论文7篇，作为技术骨干参与2项“十三五”水体污染控制与治理科技重大专项课题，主持1项校级研究中心下设课题。

 

 

 

王凯军：清华大学环境学院教授，中国沼气学会理事长，国家环境保护技术管理与评估中心主任，博士生导师。长期从事污水和生物质废弃物前沿处理技术的研发、产业化和推广应用等工作。发表论文百余篇，授权国家发明专利30余项。曾荣获教育部科技进步奖、教育部技术发明奖和环保科技进步奖等奖项10余次。