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连续流好氧污泥颗粒化:No longer a dream!
2019-09-03 14:34       来源:环境纵横       作者:孙业伟       分享:

“至今,好氧污泥颗粒化大多仅成功于序批式反应器,严重阻碍了该技术的推广和应用。污水处理行业迫切期待连续流颗粒污泥技术的突破。”

前言          

好氧颗粒污泥技术有望取代已经应用了一百多年的传统活性污泥法污水处理工艺。这是因为好氧颗粒污泥可以为反应器提供更高的生物量和更好的污泥沉降性,还可以固定不同功能的生物种群(好氧、兼氧和厌氧),从而能在更小的反应器里处理更多的污水和去除更多种的污染物。据近期调研(Kent et al., 2018),世界上绝大部分好氧颗粒污泥的形成和应用均在序批式生物反应器中实现,其中包括目前工业界应用最广的荷兰Nereda®技术。然而,与序批式反应器采用的间歇性运行方式不同,污水处理厂,尤其是大型城市污水处理厂,大多采用连续流的方式运行。这是因为连续流反应器相对于序批式反应器设计更简单且易于控制与运行,而且与城市污水连续性产生的性质相匹配。相比之下,序批式反应器需要使用调节池或几个序批式反应器交替运行的方式来实现连续流入污水的处理。另一方面,序批式反应器须在较短的时间里(比如15%的水力停留时间)完成全部被处理污水的流入和流出,极大地增加了水泵和管道的运行和维护压力。至今,鲜有能在连续流反应器中从无到有形成稳定颗粒污泥报道,即连续流好氧颗粒污泥技术至今仍未有显著的发展。对此,美国弗吉尼亚理工大学王智武教授团队研发了一种活塞流式反应器以实现连续流好氧污泥颗粒化的技术(plug-flow aerobic granulation,简称PAG),并成功应用于市政污水的二级处理(图1)。

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图1(a)PAG反应器示意,(b)PAG反应器实物

(来源:Sun et al. Sci. Total Environ. 2019)

活塞流式反应器   

已有研究表明,污泥沉降速度的选择力是推动好氧颗粒污泥形成的推动力。然而即使在传统的完全混合式反应器里加入了对污泥沉降速度的选择力,好氧颗粒污泥仍无法形成。完全混合式和序批式反应器的一个重大区别在于后者有盛宴期与饥饿期的交替,而前者没有。因此,盛宴期与饥饿期的交替极有可能是污泥沉降速度选择力外的另一个好氧颗粒污泥形成所需的必要条件。基于此,本研究采用10个完全混合式反应器串联的方式组成了一个近乎完美的活塞流反应器,以气动污泥回流的方法,实现了盛宴到饥饿期的过渡与交替(图1a)。沉降速度的选择力(Vs)由位于活塞流反应器最末端的快速沉降池实现。不同于传统活性污泥工艺二沉池所用的长达1小时以上的沉淀时间,快速沉降池的沉淀时间只有 5分钟。在此期间,只有沉降速度足够快的污泥才可保留在反应器中。该活塞流反应器在美国弗吉尼亚州Centreville市的UOSA市政污水处理厂进行了中试,其初级出水(PE)水质详见表1。反应器接种物为UOSA曝气池中活性污泥。


表1 UOSA污水水质 
1.jpg(来源:Sun et al. Sci. Total Environ. 2019)


好氧颗粒污泥的形成与稳定


经过90天的运行,好氧颗粒污泥成功的在PAG反应器中形成并稳定(图2a),并与接种的传统活性污泥在表观上有了显著差异(图2b)。如表2所示,50%的连续流好氧颗粒污泥直径(d50)大于3.4mm,而相比之下传统活性污泥的d50只有0.3mm。此外,污泥沉降性能显著提高。如图3所示,PAG反应器中的污泥沉降性能(SVI)在前90天的运行时间里逐步改善并于90天后达到稳态。如表2所示,稳态时的好氧颗粒污泥的5分钟和30分钟SVI都显著低于传统活性污泥,且其比例接近1,这也是好氧颗粒污泥沉降性能良好的显著标志。

1.jpg

图2连续流好氧颗粒污泥(a)和传统活性污泥(b)

(来源:Sun et al. Sci. Total Environ. 2019)

2.jpg

图3 污泥沉降性能对比

(来源:Sun et al. Sci. Total Environ. 2019)


污染物的去除性能      

在污染物的去除方面,对比了连续流颗粒污泥反应器和UOSA污水处理厂活性污泥反应器对COD和氨氮的去除效果。如表2所示,连续流颗粒污泥反应器对总COD的去除与UOSA活性污泥反应器相近,而对溶解性COD的去除(61.6%)低于活性污泥反应器(80.9%)。这可能是由于传统活性污泥较大的比表面积使其对于溶解性COD有更好的吸附能力。连续流颗粒污泥反应器和传统活性污泥反应器对氨氮去除效果相近,去除率均可达99%以上。

表2 反应器性能对比

3.jpg

(来源:Sun et al. Sci. Total Environ. 2019)

         
前景展望          

活塞流式反应器(PAG)可实现连续流好氧污泥的颗粒化,具有工艺流程简单、易于控制与运行等诸多优势。PAG工艺对污泥沉降施加的水力选择速度为传统活性污泥沉淀池的10倍,换言之PAG工艺的沉淀池占地仅为传统工艺的十分之一。此外,水力旋流器(hydrocyclone)和斜板(管)沉淀池等占地面积小且价格便宜的设备均可用于污泥沉降速度的选择。因此,传统市政污水处理厂仅需对现有设施进行简易改造即可实现连续流好氧颗粒污泥工艺,极大降低了改造成本,为其在市政污水处理中的广泛推广和应用提供了坚实的基础。


参考文献

Sun Yewei, Angelotti Bob, Wang Zhi-Wu* (2019). Continuous-flow aerobic granulation in plug-flow bioreactors fed with real domestic wastewater. Sci. Total Environ. 688, 762-770.

Kent Timothy R., Bott Charles B., Wang Zhi-Wu* (2018). State of the art of aerobic granulation in continuous flow bioreactors. Biotechnol. Adv. 36(4), 1139-1166.


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