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        活性污泥法直接升级成好氧颗粒污泥工艺的可能性:生物强化除磷污水厂的潜力

        发布日期:2021-03-11 来源: IWA国际水协会
          谈及污水处理界的创新技术, 必然少不了好氧颗粒污泥(aerobic granular sludge,简称AGS)。它是近几年里曝光率最高的明星工艺之一。好氧颗粒污泥(AGS)是在特定环境条件下微生物之间自发形成的颗粒状生物聚合体,粒径大于0.2mm,小的颗粒介于0.2-1mm之间,大的颗粒可达3mm。它是一种生物膜的特殊存在形式。
          这种技术跟传统活性污泥方法相比,其特点是沉降性能更出色,完全由生物质组成,无需支撑载体,污泥浓度高,无污泥膨胀。理论上每一颗颗粒污泥就是一个微型的生物反应器,其构造使其能在一个微小颗粒实现去除COD 和脱氮除磷,因而能实践曝气和沉淀在同一反应池完成的操作理念,能耗更低而且无需投加化学药剂,并且占地更小,降低了建造和运行成本。
          
          图1. 颗粒污泥(左)和絮状污泥(右)显微镜图对比
          在好氧颗粒污泥工艺(AGS)里,反应器一般以SBR的形式设计,颗粒污泥的内部结构是分为好氧和厌氧/缺氧层的,所以脱氮除磷和COD的去除是同时进行的。另外,颗粒污泥反应器可以在更高的生物质浓度下运行,提高了负荷率,又能维持较长的SRT来完成稳定的硝化反应,防止亚硝酸盐的积累而产生毒性。如果设计运行得当,好氧颗粒污泥系统能在低DO值下运行,从而减少能耗。
          虽然当前的文献显示厌氧进料并不是必要条件,但它是形成好氧颗粒污泥的关键一步。目前最常见的好氧颗粒污泥工艺(AGS)都是自带生物强化除磷(EBPR)和硝化/反硝化能力的。研究污水处理的专家感到好奇的是:是因为污泥结构造就了AGS的EBPR能力呢?还是除磷菌促进了颗粒污泥的形成?EBPR和AGS之间究竟存在什么关联呢?这个问题价值连城。因为如果目前的污水厂仍以传统活性污泥法为主,如果这些污水厂能改造培养出好氧颗粒污泥,将意味着无需新增占地的情况下,大大提高污水厂的处理能力。
          美国华盛顿大学和香港理工大学的联合团队调查了13座含有EBPR工艺和4座没有EBPR工艺的活性污泥法污水厂,对其污泥样品进行分析,内容包括颗粒/絮状污泥的比例、相对大小以及微生物群落组成。目的是要考察:
          是否能在连续进水且低SVI值的生物强化除磷EBPR污水厂里找到颗粒污泥?
          颗粒污泥是否和PAOs/GAOs菌的丰度有关联性?
          采样方法
          研究团队从13座EBPR污水厂收集曝气池出口的混合液体样品,然后连夜冷冻运至华盛顿大学。他们还对其中三座污水厂进行第二次样品的采集。所有污水厂都会提供工艺流程图、运行条件和进出水的数据信息。13座污水厂的水样参数如下表所示。
          
          表1. 13座EPBR污水厂的参数概况。JHB指约翰内斯堡工艺,指回流污泥先进入缺氧区再进入第一个厌氧区;Cashmere, Crooked Creek, Henderson East & West没有初级处理;Idaho Falls会接收麦芽厂的污水;Cashmere会接收水果加工厂的污水;Ballenger McKinney位于马里兰州,工艺是MBR,接收甘油作为额外碳源
          其他数据他们通过实验获得数据,例如TSS、VSS以及SVI5和SVI30。颗粒污泥百分比通过对混合液过筛来测定,筛网孔径为212μm。其次他们会用显微镜辨认颗粒污泥和惰性杂质,用Neisser法染色辨认PAOs菌。微生物群落分析方面,他们分别从颗粒污泥和絮状污泥提取DNA,然后做量化PCR分析,从中获取各种生物信息。
          结果讨论
          结果显示,13座EBPR污水厂里都发现了颗粒污泥。颗粒污泥比例在0.5%-80%之间,SVI30在39-209mL/g之间。另外4座非EBPR污水厂里,除了Pasco污水厂之外,其他3座没有污泥颗粒。而Pasco污水厂的样品显示,SVI值和颗粒污泥比呈负相关,但没有检出PAOs菌。13座EBPR污水厂也有这情况。如下图2所示SVI值更低的污水厂有更高的颗粒丰度。
          传统的连续式活性污泥工艺(CFAS)不是为了颗粒化设计的,所以大部分颗粒粒径小于0.5mm。因为颗粒小,不明显,此前人们往往忽略了它们。过去人们以为在CFAS污水厂看到的颗粒多为进水的惰性颗粒物杂质,之前的显微镜观察主要针对丝状菌,100倍的放大倍数是看不到颗粒污泥的,6-20倍的放大倍数更为合适。
          
          图2. a.颗粒污泥比例和SVI值的相关分析; b.颗粒污泥比和SVI5/SVI30比值的相关分析
          此外,他们发现颗粒丰度和缺氧/厌氧选择器的设计有关。CFAS污水厂里的缺氧和厌氧区一般用于抑制好氧丝状菌的生长。在AGS工艺里,厌氧区一般会有较高的F/M比,使得易降解的COD通过扩散传质作用进入颗粒内部,同时也加速颗粒化进程,提高颗粒的稳定性。虽然研究者没有在13座EBPR污水厂看到F/M比和颗粒丰度的相关性,但F/M值最高的Henderson污水厂的颗粒丰度是最高的。因此,他们猜测含有以下特征的缺氧/厌氧池有助于颗粒污泥的形成:1. 高厌氧F/M比;2. 不搅拌发酵;3. 可溶COD比例高。
          
          图3. 混合液样品的立体显微镜图像,6倍放大倍数,比例尺为500μm,a至h的颗粒比分别为80.2%、515.%、29.3%、17.4%、15%、5.6%、3.3%、0%。
          生物群落分析显示,Accumulibacter PAO菌和Competibacter GAO菌在颗粒污泥中的丰度高于絮状物。他们的分析结果也印证了PAOs和GAOs菌这两种生长缓慢的异养菌对生成颗粒的重要性。他们认为下一步的研究工作是了解PAO/GAO在胞外聚合物(EPS)的释出的作用。这将有助认识如何在CFAS系统中生成好氧颗粒污泥。
          研究价值
          在西雅图著名的探索公园旁边,有一个叫West Point的污水厂。为了保护周围的海洋生态环境,该污水厂在未来几年将面临更加严格的氮排放标准。
          
          图4. West Point污水厂目前使用的还是传统的活性污泥法工艺
          如果还要沿用传统的处理工艺,需要新增土地和运行费用。但大家可以看到,West Point污水厂周边没有空间扩建了。因此,他们把目光投到了好氧颗粒污泥工艺身上。这篇文章的通讯作者、华盛顿大学的Mari Winkler教授就参与了West Point污水厂改造调研项目。这篇文章的结果也为West Point污水厂升级改造给予了信心。
          另一位作者,也是来自华盛顿大学的David Stensel教授表示:“这是一种全新的工艺方案,之前没有人将它用到升级改造项目中。” 他们认为在传统絮体处理系统中加入颗粒污泥是一种理想的结合。因为相比颗粒污泥,絮体能更好地捕获一些小型颗粒物,而颗粒污泥能用更小的占地面积完成脱氮除磷。去年9月他们已经在West Point开始中试实验,合作方包括了美国公司Ovivo以及洛杉矶县卫生局。

          图5. Mari Winkler教授和他们团队培养的污泥
          小结
          这篇文章的研究显示了传统活性污泥污水厂中的颗粒污泥和强化生物除磷工艺之间的关联性,通过选择地保留缓慢生长的异养菌,或者能够分泌EPS的微生物,都会促进好氧颗粒污泥的形成。一方面这意味着增加好氧颗粒污泥的应用范围的潜力,另一方面也为现有的基于活性污泥法的污水厂的升级改造提供了全新的解决思路。
          参考资料
          Flocs in disguise? High granule abundance found in continuous-flow activated sludge treatment plants, Stephany P. Wei, H. David Stensel, Bao Nguyen Quoc, David A. Stahl, Xiaowu Huang, Po-Heng Lee, Mari-K.H. Winkler, Water Research 179 (2020) 115865
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