如何在传统A2O工艺里种出好氧颗粒污泥？
最近有不少读者私信小编，好奇为啥频繁撰写和好氧颗粒污泥有关的文章。小编只能说，因为这是时下的一个热点。
好氧颗粒污泥自成立体分层的微生物群落，包含聚磷菌(PAOs)、氨氧化菌(AOB)、亚硝酸盐氧化菌(NOB)、反硝化异养菌甚至还有厌氧氨氧化菌(anammox)。它的分层结构使得颗粒污泥通过底物扩散传质作用形成好氧层、缺氧层以及厌氧层，实现COD以及氮磷的去除。好氧颗粒大大改善了污泥的沉降性能，不需要生物絮凝来进行泥水分离。
虽然优点众多，但由于RoyalHaskoningDHV公司(RHDHV)为该工艺技术申请了专利并取名Nereda®，因此目前该工艺的工程案例主要还是以RHDHV的工程案例为主。
但你是否知道，除了荷兰的Nereda®，业内也有其他可以培养好氧颗粒污泥的技术团队，而且有着和Nereda®不一样的卖点——他们称在传统的活性污泥工艺系统里就种出污泥颗粒。去年9月，来自瑞士的一个工程团队，在他们国家的著名水业刊物《Aqua & Gas》上，分享了相关案例。在本期微信专栏，小编就做一下搬运工，看看运行数据效果如何。
该项目位于在瑞士首都苏黎世和列支敦士登国首都Vaduz之间的瑞士小城Bilten，污水厂的名字是Glarnerland。该污水厂建于1970年初，处理能力为70000人口当量(PE),日处理量约23000m³。
2015年，Glarnerland污水厂面临提标改造的挑战，不仅处理能力要从70000 PE提升到105000 PE，而且要满足更高出水标准(微污染物的去除)。当时的Glarnerland污水厂本身就面临污泥沉降性能差的问题，如果选择扩建，费用起码要1000万瑞士法郎(约7000万人民币)。此时，他们发现可能有一个更便宜的选择。
项目亮点
早在2006年，DEMON厌氧氨氧化工艺的发明人Bernhard Wett博士就给Glarnerland污水厂搭建了一套侧流DEMON系统，处理污泥脱水后的高氨氮废水。脱氮率超过90%。也许由于这让人信服的数据，该厂给了Wett博士一条主流处理线(共四条平行线)进行主流厌氧氨氧化的试验。毕竟如果这能成功，将大大降低运行成本。
可惜的是，当时的侧流DEMON富集的anammox菌不足以支撑主流的需求，但数据显示污泥的沉降性能得到改善。为此，他们“作了点小弊”，使用了一种结构和沉降性能和anammox菌颗粒污泥相同的人工载体材料，以加快颗粒污泥的形成。他们还给这种塑料填料取名Mimics®。可惜的是他们没有公开这种人造颗粒的照片，只有下边使用前后的污泥对比图。
能在16年前就想到用这样的方法培养颗粒，小编自己是很佩服的。除了Glarnerland污水厂，Wett博士的旋流分离器还在奥地利的Strass污水厂大展身手。他也为这种筛选技术取了个厉害的名字，叫inDENSE™。而实际为Glarnerland污水厂承担项目的EssDe则给这项技术取名S::Select®。
虽然眨眼看去，S::Select®和Nereda®工艺的造粒原理不同，前者使用了旋流分离器，后者则利用了SBR反应池的进水/出水-反应-静置的循环周期特性，但实际都是利用了重力筛选出能够“留下来”的颗粒污泥。
中试
在可行性得到初步验证之后，Glarnerland污水厂请来了Eawag对S::Select®进行放大中试，并进一步了解Mimics®的性能。
结果显示，使用S::Select®的主流处理线的硝化效果更好。他们认为原因是硝化菌生长速率较慢，颗粒污泥有效延长了SRT，从而给与NOB菌更充足的时间完成硝化。
由于项目团队最初认为载体的使用是关键所在，所以Eawag也对Mimics®进行了考察。结果显示没有在出水样品中检出Mimics®，但会有部分Mimics®通过旋流分离器进入剩余污泥中(约10%，这些污泥会送去焚烧)。但他们也发现，在2015年夏天启动完成后，即使再没有添加新的填料，污泥沉降性能依然得以保持。
工程化
最初使用的间歇曝气法，通过氨氮传感器决定曝气开关。
Glarnerland污水厂为四条平行处理线都分别安装旋流分离器。
二沉池排出的污泥通过一个泵送进旋流分离器，而且进入旋流分离器前还会先经过一个筛网，作用是防止旋流分离器的堵塞。在旋流分离器中，沉降性能好的污泥颗粒回流到生物反应器，轻质难沉降的污泥会在被甩出，然后收集到地下式的存储罐中。每两条平行线共用一个存储罐，这些污泥会运去进行浓缩。
五年半的运行
这次改造历时五年半。最初三年，项目团队仅在其中一条线做中试，然后再加入一条。直到2019年夏天，四条线才全都配上了旋流分离器系统。
下图是Glarnerland污水厂在2012-2020年间的SVI变化情况。可以看出，使用旋流分离器后，污泥沉降性能大大改善，从原来的>400mL/g降至<100mL/g。
如果你有福尔摩斯般的观察力，可能会看出上图在2019-2020年间的SVI有点偏高。这是为什么呢？原来，这是因为在2019年秋天，污水厂进行了化学强化预处理的调试，但这个变化却导致了反硝化率的降低，流经旋流分离器的污泥也减少了。直到10月份该调试结束后，SVI才有所回落。而且3号反应池由于污泥量偏低，旋流分离器甚至停运一段时间。但这也导致絮状污泥的回升。在即使后来重启旋流分离器，也花了两个月才重新恢复稳定。他们认为，这说明旋流分离器不可或缺，一旦停运，马上会使轻质絮状污泥增加。
上图中部的橙色圈圈则是2号反应池出现了SVI升高的情况，但其他三个反应池情况正常。这是由于2号反应池的旋流分离器出口当时出现堵塞问题导致的。
在去除效果方面，出水能满足当地要求。出水氨氮<1 mg/L，亚硝态氮保持0.3mg/L的水平。但他们表示，由于化学强化预处理和协同消化两个重大运行变化，在2019年9月-2020年8月期间，污水厂的总脱氮率仅为40-50%。项目团队认为在取消学强化预处理和厌氧消化进料稳定后，反硝化率会得到改善。但目前没有实际数据支持这一观点。
至于能耗方面，已有数据并没有体现出非常显著的提升。因为该厂2013和2014年的生物处理能耗为880000kWh/年，而在四条线都装上旋流分离器系统后，能耗仍有815000kWh/年(尽管进水负荷也有小量增加)。这和Wett博士在其他污水厂进行的结果似乎是吻合，因为在其他案例中，他也没有将能耗改善作为亮点来提及。
微污染物处理
除了好氧颗粒污泥的升级改造之外，Glarnerland同期还进行了另一项工作，就是测试微污染物的去除技术。因为这是瑞士对其国内100多座污水厂提出的新要求，Glarnerland污水厂也在此名单中。Eawag在生物反应池中投加了粉末活性炭，以此作为去除微污染物的手段。Eawag的化验结果显示，生物反应池出现粉末活性炭的积聚，这意味着旋流分离器截留了部分活性炭。这一方面说明砂滤前的活性炭数量没有达到预计要求，需要进行适量的额外投加，但有趣的是，在配有粉末活性炭的那条处理线(1号反应池)，在进行化学强化预处理期间的SVI增幅最小，这说明这些粉末可能无意间又充当了污泥颗粒化的载体。
小结
这篇报告有两位作者，一个来自Hunziker Betatech AG(工程公司)，一位来自Glarnerland水委会。这种身份的中立性应该还是OK的。项目团队表示，S::Select®工艺的运行难度不高，和传统活性污泥法差不多。但有一点需要关注的，就是要对旋流分离器进行定期检查维护，防止堵塞的出现。但在这几年的运行中，设备供应商也对此进行了改进，开发了自动化的解决方案，不过细节没有在这份报告中提及。
总的来说，他们认为长期的运行经验验证了这种工艺技术“very interesting”。由于它大大降低了池容的要求(甚至可以去掉两条平行处理线)，而且能够原位改造，因此特别适合用于现有污水厂的升级改造。他们认为这种工艺有能力在市场上和荷兰的Nereda竞争了。
这个工艺除了瑞士和奥地利，在瑞典、丹麦和美国都进行过中试了，而且在美国，也有另外的公司在推广类似的工艺技术。除了培养出好氧颗粒污泥，还能实现生物除磷，这对于需要升级改造而投资成本预算较低的污水厂，确实是一个值得考虑的选择。
话说Glarnerland是一个风景优美的地方，所以污水厂除了提升技术含量之外，也在努力改善颜值，例如新建的厌氧消化池就使用了非常艺术的外观造型，反应池顶部也装上光伏板。希望疫情过去之后，小编能前往实地给大家一睹其风采。
