北京工业大学彭永臻院士团队CEJ：新型两段式好氧颗粒污泥工艺实现低碳氮比城市污水同步脱氮除磷
图片摘要
成果简介
近日，北京工业大学彭永臻院士团队在环境领域学术期刊Chemical Engineering Journal上发表了题为“A novel two-stage aerobic granular sludge system for simultaneous nutrient removal from municipal wastewater with low C/N ratios”的学术论文。论文针对好氧颗粒污泥（AGS）工艺处理低C/N城市污水启动时间长、脱氮除磷效率低的问题，提出了一种基于微生物相分离的新型两段式AGS工艺。工艺第I段在厌氧/好氧运行模式下富集聚磷菌，实现强化生物除磷，在短水力停留时间下利用高有机负荷抑制硝化细菌生长并加快污泥颗粒化；第II段富集氨氧化菌和厌氧氨氧化菌，通过短程硝化/厌氧氨氧化途径自养脱氮。利用实际低C/N城市污水验证了两段式AGS工艺的可行性。在未投加外碳源的情况下，两段式AGS工艺在60天内成功启动，系统脱氮除磷性能良好，氮磷去除率分别为81%和91%。本研究为AGS处理低C/N城市污水的应用提供了一种新的思路。
引言
好氧颗粒污泥（AGS）是一种具有应用前景的污水生物处理技术，可在提高污染物去除效率的同时减少污水处理设施占地面积。目前利用AGS处理低C/N城市污水仍面临一些瓶颈问题，如启动时间长、氮磷去除效果不佳等。短程硝化/厌氧氨氧化（PN/A）脱氮工艺的提出为解决上述问题提供了新的思路。传统AGS工艺可被分为两段：第I段用来强化生物除磷（EBPR），第II段通过PN/A去除水中氨氮。PN/A脱氮无需有机碳源，污水中可用于生物除磷的碳源充足。此外，第I段无需考虑硝化，可采用高有机负荷促进污泥颗粒化；在第II段，厌氧氨氧化污泥通常具有良好的聚集特性。因此两段式AGS工艺有望同时促进污泥颗粒化和提高脱氮除磷性能。基于此，本研究采用实际低C/N城市污水，在串联的序批式反应器中分别实现EBPR和PN/A，启动两段式AGS工艺，考察长期运行下的脱氮除磷性能、颗粒完整性和系统稳定性，评估两段式AGS工艺应用潜力。
图文导读
EBPR和PN/A反应器中的污泥颗粒化进程
得益于启动阶段的高有机负荷（2.0±0.6 kg COD/(m3•d)），EBPR反应器实现了污泥的快速颗粒化。运行20天，反应器内出现大量乳白色的微小颗粒，污泥平均粒径由94μm增加到210μm。在第60天，污泥平均粒径增至474μm，颗粒污泥（d > 0.2mm）占比达70.4%，表明AGS成功启动。成熟的EBPR颗粒呈规则球形和棕褐色，污泥容积指数SVI30为40~50mL/g。PN/A反应器接种污泥取自高氨氮PN/A中试系统，同时含有絮状污泥和颗粒污泥，颗粒污泥占比42.2%。随着反应器运行，污泥平均粒径由281μm增至374μm，颗粒污泥占比增至65.1%。运行160天后，PN/A颗粒仍基本保持厌氧氨氧化培养物特有的红色外观，表明厌氧氨氧化菌在系统中得到了有效持留。综上，在适当的接种和运行条件下，两段式AGS工艺可在60天内成功启动。颗粒化不仅提高了污泥沉降性能，还有利于生长相对缓慢的功能微生物（如聚磷菌和厌氧氨氧化菌）的富集与持留，从而促进了系统脱氮除磷性能和稳定性。
图1 运行过程中两反应器内污泥形态（a: EBPR, d: PN/A）、粒径分布（b: EBPR, e: PN/A）、污泥浓度及沉降性能（c: EBPR, f: PN/A）的变化。
两段式AGS工艺脱氮除磷性能
两段式AGS工艺实现了生物脱氮和除磷过程的分离。其中磷主要在EBPR反应器中去除，总磷（TP）去除率高达89%，有机物也被同步去除，化学需氧量（COD）去除率为75%。由于短水力停留时间（1.1~3 h），硝化过程在EBPR反应器中得到抑制，进水和出水氨氮浓度接近。随后污水进入PN/A反应器。PN/A反应器脱氮性能良好，氨氮和总氮（TN）去除率分别为89%和79%。最终，在未投加外碳源的情况下，两段式AGS工艺实现了低C/N城市污水同步脱氮除磷，COD、氨氮、TN和TP的去除率为别为87%、90%、81%和91%。两段式AGS工艺良好的脱氮除磷性能得益于：（1）PN/A自养脱氮解决了传统AGS工艺生物脱氮和除磷对有机碳源的竞争矛盾；（2）微生物相分离使生物脱氮和除磷在各自优化的环境条件下进行。
图2 两段式AGS工艺对COD（a）、TP（b）、氨氮（c）和TN（d）的去除性能
微生物菌群特征
微生物菌群分析证实了脱氮和除磷微生物相的分离。EBPR颗粒污泥富集了高丰度的聚磷菌如Candidatus Accumulibacter (15.3%)，硝化细菌包括氨氧化菌（AOB）和亚硝酸盐氧化菌（NOB）丰度则低于0.01%。而在PN/A颗粒污泥中，聚磷菌几乎未被检测到，自养脱氮功能微生物包括厌氧氨氧化菌（Candidatus Kuenenia 3.0% 和 Candidatus Brocadia 0.8%）和AOB（Nitrosomonas 0.7%）则得到富集。需要指出的是，EBPR反应器中聚磷菌的富集不仅促进了磷的高效去除，且由于聚磷菌生长相对缓慢有利于高有机负荷下颗粒污泥的长期稳定。此外，PN/A反应器中富集了高丰度的丝状绿弯菌门（Chloroflexi）微生物，可为PN/A颗粒提供骨架结构，也有利于颗粒的生长和长期稳定。
图3 两段式AGS工艺的微生物菌群结构（a：门水平，b：属水平）
两段式AGS工艺资源回收潜力
两段式AGS工艺中EBPR在高负荷条件下运行，有机质及磷的捕获得到强化，为资源回收提供了有利条件。文中构建了基于两段式AGS工艺的污水处理厂概念模型，并对COD和磷的物质流进行了分析。结果表明原水中64%的COD可主要通过初次沉淀和EBPR转移到污泥相中，经污泥厌氧消化可以沼气形式回收原水中33%的有机质。此外EBPR可将原水中86%的磷以聚磷酸盐形式捕获到聚磷菌胞内，在随后的污泥厌氧消化中大部分的磷重新释放于污泥消化液中，通过化学沉淀可以鸟粪石形式回收原水中68%的磷。
图4 基于两段式AGS工艺的污水处理厂COD和磷物质流分析
小结
本文提出了一种基于微生物相分离的新型两段式AGS工艺，通过EBPR耦合PN/A实现了低C/N城市污水同步脱氮除磷，具有启动时间短、脱氮除磷效果好和资源回收潜力高等技术优势，该工艺在低有机强度低C/N城市污水处理领域具有一定的应用前景。
主要作者介绍
彭永臻：山东省莱州市人、中国工程院院士、环境工程和污水处理专家，工学博士，北京工业大学环境学科首席教授、“城镇污水深度处理与资源化利用技术--国家工程实验室”主任。先后获得“全国模范教师”、“国家教学名师”、“全国优秀科技工作者”、“全国劳动模范”、“北京市人民教师”等称号，及何梁何利科技进步奖。彭永臻教授在城市污水处理领域取得了多项突破性成果。获国家科技进步与国家技术发明二等奖4项、省部级一等奖8项。以第一或通讯作者发表SCI论文350余篇，其中一区IF >9.0的260余篇，ESI在线高被引论文15篇。以第一发明人获授权发明专利230余项，并转让107项；出版专著9本。培养工学博士94人，有2人获“全国百篇优秀博士学位论文”，5人获“全国优秀博士学位论文提名”。
杨延栋：工学博士。现任职于青岛理工大学环境与市政工程学院，硕士生导师。研究方向为污水生物处理与资源化，主持和参与国家和省部级科研项目4项，发表学术论文16篇，获国家发明专利4项。
