8月3日下午，在“2022（第二十届）水业战略论坛”上，清华大学环境学院教授、国家环境保护技术管理与评估工程技术中心主任王凯军，以“连续流好氧颗粒污泥技术突破——浅谈华益德之大规模工程应用”为主题，讲述了华益德公司连续流好氧颗粒污泥技术在30000吨示范项目中的应用，分享了华益德公司在连续流好氧颗粒污泥的工艺、机理以及突破。
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王凯军：连续流好氧颗粒污泥技术的突破与革新之路
来源：中国水网 整理：焱焱
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作为技术驱动型企业，华益德公司一直致力于连续流好氧颗粒污泥的培养、形成过程、颗粒化影响的研究工作，目前也将基于好氧颗粒污泥自主研发的（SPND）工艺应用于市政污水处理厂提标改造、白酒工业废水、制药工业废水、医院污水处理、村镇污水处理等项目。
8月3日下午，在“2022（第二十届）水业战略论坛”上，清华大学环境学院教授、国家环境保护技术管理与评估工程技术中心主任王凯军，以“连续流好氧颗粒污泥技术突破——浅谈华益德之大规模工程应用”为主题，讲述了华益德公司连续流好氧颗粒污泥技术在30000吨示范项目中的应用，分享了华益德公司在连续流好氧颗粒污泥的工艺、机理以及突破。
王凯军
王凯军表示，污水处理颠覆性技术发明较少，目前较集中于厌氧氨氧化技术，衡量改造技术优劣的标准之一是节能和节省投资的比例问题，如果一个新技术不能节省30%，那么其就不能作为重大突破技术。活性污泥领域好氧颗粒污泥技术是具有重大创新的技术，活性污泥工艺一般较为复杂，但在好氧颗粒污泥中所有工艺单元化为一个工艺单元。如下图所示，为荷兰以代尔夫特为主发明的好氧颗粒污泥工艺，因为污泥浓度高、容积负荷高，颗粒污泥沉速快不用二沉池，所以节约75%占地；因没有二沉池，所以没有回流，节省30%能耗；因颗粒污泥结构特点，可以实现碳、氮、磷一体化去除，让出水水质好。
好氧颗粒污泥工艺对传统活性污泥的替代
目前，全世界范围内累计有3000多篇相关研究。如下图所示，红色部分是中国学术界的相关研究，仅有的几篇连续流好氧污泥颗粒的相关研究也是从近几年开始逐渐丰富。中文文章检索于CNKI，将关键词设置“好氧颗粒污泥”、“连续流”；英文文章检索于Web of Science/Scopus，关键词设置为“aerobic granular sludge”、“continuous flow”，将限制范围锁定在Article，结果显示只有189篇相关研究，进一步去掉综述及不相关文献，结果显示只有57篇连续流好氧颗粒污泥的密切相关研究（见下绿色小图）。
连续流好氧颗粒污泥的学术研究概况
在研究序批好氧颗粒污泥的3000多篇文章以及几百个研究团队中，只有Mark的研究组取得成功，并将序批式好氧颗粒污泥推向应用，其理论基础是饥饿丰盛机理。在连续流活性污泥工艺中借助厌/缺氧、好氧手段等实现好氧颗粒污泥，目前相关研究主要有两个方向：第一，以饥饿丰盛理论为主，试图将几个池子变成饥饿段和丰盛段；第二，借助选择性理论，淘汰轻的絮体，其后进入加3分钟或者5分钟的沉淀池，通过选择淘汰絮状污泥。
连续流好氧颗粒污泥的相关研究和试验之所以意义重大是因为连续流污水厂占绝大多数，连续流好氧颗粒污泥需求的污水流态和实际水厂的污水流态相匹配，更适于工程改造，更容易推广应用。
目前，形成好氧颗粒污泥的技术关键是以丰盛－饥饿方式运行，采取3-5分钟的沉淀时间，冲洗淘汰方式，颗粒污泥碳氮磷去除微生物的竞争优势。除此之外，在好氧颗粒污泥培养中颗粒化不仅仅限于产甲烷微生物，与甲烷菌相类似的其他缓慢生长微生物中也可发生颗粒化现象。只要采用适合的反应器形式并以正确方式运行，在其他生物处理工艺也能形成颗粒污泥。其中升流式污泥床(USB)反应器结构有利于颗粒化过程。
王凯军表示，华益德连续流好氧颗粒污泥工艺路径最早并非诞生于实验室，先是发现于湖北的200吨/天生活污水处理工程中，其后又在酒厂污水处理站升级改造工程中被发现，酒厂污水处理站污水来源为白酒废水，设计处理水量为100m³，设计进水COD为10000mg/L。采用“调节池+UASB+一级SPND+二级SPND+混凝沉淀”工艺。
华益德公司在项目运营中发现的好氧颗粒污泥如下所示，好氧颗粒污泥沉淀性能良好，颗粒形态良好。但随之也产生相关问题，好氧颗粒污泥产生的机理和原因是什么？
随后，华益德公司邀请王凯军老师跟踪30000吨示范项目连续流好氧颗粒污泥现象的研究。如下图所示，华益德公司对连续流好氧颗粒污泥现象的研究分为以下两个部分：
第一部分是左上方红色区域的3000m³/d中试实验区，利用缺氧、好氧两极形式进行试验，从研究结果来看，在3000m³/d中试实验中出现部分颗粒污泥现象，在该阶段颗粒化程度不太高；
第二部分是25000m³/d到27000m³/d中试实验区，在原有缺氧、好氧的氧化沟中，分为一个缺氧区、一个好氧区，好氧区上部有分离器，以该种形式进行改造。从耗时两年取得改造成效可以从处理量、出水COD、氨氮浓度等方面来看：
从处理量和出水COD来看，旱季来水量少，平均处理量大约是2.5万吨；雨季来水量大，处理水量接近3万吨，雨天甚至会超过3万方。出水COD方面，除去启动时有波动外，其余均稳定达标，2021年、2022年均稳定在25mg/L左右。
从出水氨氮稳定性来看，出水NH3-N实现稳定达标，平均0.6 mg/L；较改造前的1.9mg/L，降低1.2mg/L；出水TN实现稳定达标，平均10.3mg/L；较改造前的13.6mg/L，降低2.7mg/L，水质提升明显，日均出水稳定达标，消除了该厂出水总氮不达标的风险。从统计学角度出发，出水氨氮值在2021年的最大值为-1.4 mg/L ；2022年的最大值为-0.83mg/L，均远低于较改造前的1.9mg/L。出水总氮值在2021年最大值为的-14.6mg/L；2022年的最大值为-13.5mg/L，均远低于改造前的13.6mg/L。
从颗粒污泥形成、粒径等来看，污泥颗粒化比例在20%左右。启动后，颗粒化比例和平均粒径均逐渐升高；在11月底，由于冬季水温降低，颗粒化比例和平均粒径的两项指标下降；从粒径分布情况来看，粒径<0.1µm的污泥逐渐减少，污泥粒径逐渐增大。
1.连续流好氧颗粒污泥的异常现象分析
王凯军表示华益德的研究没有拘泥于饥饿丰盛理论中，连续流好氧颗粒污泥研究发现一个反常现象，在缺氧区大部分氨氮和总氮得到去除，不像序批工艺总氮主要在好氧区被去除。基于反常现象对其菌群进行研究，发现颗粒污泥中存在如存在PAO、DPAO、GAO功能菌等各类反硝化细菌。
通过间歇式活性污泥法实验，对颗粒污泥进行强曝气处理，在曝气过程观察氮的变化，通过观察可以看出：颗粒污泥较多的氨氮去除量较多。其原因是颗粒污泥结构导致同步硝化反硝化现象发生，曝气过程中氨氮转化为硝酸盐，在颗粒污泥内部发生反硝化现象。粒径一定情况下，内部缺/厌氧区随着DO增加而减少；如果DO一定情况下，厌氧区随粒径减少而减少。证实粒径>0.2mm的污泥具有同步硝化反硝化能力，小于0.2mm的污泥同样具有同步硝化反硝化能力，因此推断微氧池发生了同步硝化反硝化。
2. 连续流好氧颗粒污泥的饥饿-丰盛理论研究
如前所述，现阶段多数理论以丰盛为主，丰盛条件是为有足够的底物维持微生物生长的条件，微生物吸取挥发酸之后转变活性胞内聚合物，生长较为缓慢的聚磷菌可以发展，在连续的好氧污泥颗粒中丰盛条件判断的标准是借助动力学理论衡量，过程较为复杂。华益德对反应器第一个池子处于微氧状态，但是又有充足的曝气量足以将大量氨氮转化硝酸盐，反应器处于好氧状态，饥饿现象无法发生。
王凯军教授根据华益德公司的实验结果试图解释这一问题，针对连续流好氧颗粒污泥过程提出剪切诱导的逆饥饿-丰盛颗粒化形成过程的假说。剪切诱导的逆饥饿-丰盛颗粒化过程可以被分为三步：第一步颗粒污泥前体形成过程是絮状污泥在曝气剪切力作用下，形成颗粒污泥前体。在三千多篇相关学术研究中大部分都支持剪切力作用下形成颗粒污泥这一现象，在高负荷的内置沉淀池形成选择作用；第二步颗粒污泥生长：颗粒污泥前体反复回流进入微氧池，在相对丰盛条件下得以迅速生长，即：颗粒污泥在好氧区回流到缺氧区后，在不断生长中生成一定粒径，从而导致微环境发生改变；第三步颗粒污泥分层成熟：一定粒径的颗粒污泥在微氧池环境条件下，功能微生物分层生长，最终形成成熟的颗粒污泥。
最后，王凯军表示，国际上目前对连续流好氧颗粒污泥的研究主要由两种理论指导：第一是饥饿丰盛理论；第二是选择压理论。华益德在连续流好氧颗粒污泥的研究意义有两点：第一，借助生产性规模3万吨水平，初步实现好氧颗粒污泥；第二，在特定反应器结构中表现出独特的机制。华益德公司在连续流好氧颗粒污研究中表现出的机制是否具有普遍性，是下一步需要深入研究的，同样该机制的发现对于连续流好氧颗粒污泥的研究也是非常重要的，未来值得在华益德公司研究基础上推动相关技术的发展。
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编辑 | 刘彤、汪茵
统筹 | 李晓佳