好氧颗粒污泥在美国的当下和未来
谈论污水处理界的技术创新，好氧颗粒污泥(Aerobic Granular Sludge，简称AGS)是近几年颇受关注的明星技术。与传统活性污泥方法相比，好氧颗粒污泥有更好的沉降性能、更好的生物富集能力，以及更强的抗冲击能力。
好氧颗粒污泥自发形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。好氧颗粒的形式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。
在学界，虽然有不少有关好氧颗粒污泥的形成机理的研究，但尚未有统一的共识。流体动力学剪切、基于沉降速度的物理选择、污泥与进水接触过程的流态、溶解氧浓度、进料/停料比、进水成分、有机负载率，以及群体感应(quorum sensing)和胞外聚合物(EPS)的聚集都是曾被研究的因素。
尽管尚未有统一的理论共识，但这不妨碍工程师在过去几年里对好氧颗粒污泥(AGS)的工程应用进行优化和革新，例如一年多前，小编就写过一篇文章，和读者们一起了解了瑞士的一个团队是如何在传统A2O工艺里培养出好氧颗粒污泥的。
除了荷兰和瑞士，北半球的另一边——美国，也有几个地方的团队在进行好氧颗粒污泥的研发。在本期《水星漫谈》专栏里，我们来看看美国污水工程公司对好氧颗粒污泥有何心得分享。
好氧颗粒污泥在美国
当下的AGS工艺
大家应该都知道，好氧颗粒污泥 (AGS)的商业应用首先源自荷兰的RoyalHaskoning公司，并且主要通过序批式反应器 (SBR)的形式实现。该公司为此工艺取名Nereda®，据称全球如今已经积累了100个工程案例。这项工艺在美国的许可权授予了Aqua-Aerobic Systems公司，后者对该专利工艺取名AquaNereda®。
为了实现污水处理的连续运行，一般污水厂会设置至少3个并联的SBR反应池，每个反应池都包含进水(fill-draw)、曝气/反应(aerate/react)和沉淀(沉淀)的工作过程。当然实际的反应池数量和池容取决于平均和峰值进水流量和负荷，以及厂区的可用占地空间。
目前好氧颗粒污泥在美国的案例的进水流量一般小于20000m³/天。正如上边所说，受到SBR工艺的原理限制，要在更大规模的污水厂应用Nereda或者AquaNereda工艺，需要更大或更多的反应池，这也意味着更多的配套管道和辅助设备，控制的复杂性也随之增加。这也许就是目前没有更大规模的工程案例投产运行的原因之一。
但另一方面，随着业界越来越多人认识到好氧颗粒污泥工艺的优点，以及技术供应商经验的积累，好氧颗粒污泥的全球业绩正在逐步上涨。美国的Corallo公司在2022年就对此工艺进行过内部评估，他们认为符合以下条件的污水厂适合选用基于SBR的好氧颗粒污泥工艺：
· 日处理量小于90000m³/天(20mgd)；
· 污水厂属于绿地新建类型；
· 污水厂采用非传统活性污泥法，例如滴滤池、泻湖(lagoons)；
· 污水厂虽然采用活性污泥法，但相关设备可以停用，并且能有地方在弃置的曝气池和沉淀池旁新建SBR反应池；
· 运行人员有能力应对并联式SBR工艺的复杂性及日常维护。
随着案例的积累，基于SBR的好氧颗粒污泥工艺也有了一些创新优化，例如：
01 颗粒接触稳定化
通过减少曝气量，AGS工艺可以应对由于暴雨导致的增加的峰值流量。这确保颗粒污泥在高溢流率下得以保留，确保出水达标排放。
02 具有恢复力的颗粒选择
在 SBR工艺中，非颗粒的絮状污泥会随溢流排出。旋流分离器可以挑选出沉降性能最佳的颗粒污泥并回流到反应池中。
03 A段好氧颗粒污泥
在 AGS 的进水阶段创造厌氧区下，处于饥饿(starved)状态的颗粒污泥有能力吸附大量BOD。这部分BOD可以转化成沼气。
未来的AGS工艺
活性污泥法至今已有100多年历史，小编在此前也介绍过，活性污泥法的原型就是一个间歇式的生化过程，随着时间演变才变成如今常见的推流式的连续多反应池模式。与间歇式工艺相比，连续式的反应池构造的建造成本更低，并且有更大的处理能力。
过去几年，随着工艺工程师对好氧颗粒污泥形成机制认识的加深，我们看到越来越多连续式的主流AGS的案例，例如Brown and Caldwell公司在科罗拉多州Pueblo城的JD再生水厂(James R. Dilorio Water Reclamation Facility)的案例。
美国的Corallo公司则认为，要在推流式反应池的构造中还原SBG工艺的原理，需要创造以下条件：
1. 厌氧吸附区——进水先通过基质充裕阶段的“饱食”(feast conditions) 区域，这里的颗粒污泥处于静置和饥饿的状态；
2. 厌氧/好氧交替区——这是一个基质匮乏的“饥饿”(famine)区域，提供温和混合，有助造粒；
3. 重复饱食-饥饿的循环；
4. 旋流分离器——位于反应池末端，截留的污泥颗粒回流到厌氧吸附区。
除了上述的Brown and Caldwell和Corallo，美国还有其他公司和污水厂在进行主流好氧颗粒污泥的测试研发，感兴趣的读者可以通过留言或者私信和我们进行进一步的交流。
