清华大学环境学院王凯军团队WST：连续流好氧颗粒污泥的研究进展和应用现状
第一作者：余诚
通讯作者：王凯军
通讯单位：清华大学环境学院
图文摘要
成果简介
近日，清华大学环境学院王凯军教授团队在环境领域的权威期刊《Water Science & Technology》上发表了题为“Continuous flow aerobic granular sludge: recent developments and applications”的综述论文。该论文全面回顾了百余篇相关研究，总结了连续流好氧颗粒污泥的理化特性及其在污染物去除方面的效能。系统归纳了连续流模式下五种不同的污泥颗粒化策略，并对采用不同策略的代表性文献进行了细致分析。此外，该论文不仅涵盖了连续流好氧颗粒污泥领域的最新研究进展，还全面梳理了其在实际工艺中的应用现状，并提出了该领域的前景研究方向，可为相关领域的研究人员提供重要参考。
引言
好氧颗粒污泥工艺以其显著的占地面积节省、运行能耗低以及卓越的出水水质等优势，有望取代历经百余年历史的活性污泥法。在全球范围内，已有百余座污水处理厂在序批式反应器中成功运用了好氧颗粒污泥技术。然而，大多数污水处理厂采用连续流的运行模式。因此，确保好氧颗粒污泥能在连续流反应器中稳定存在，成为该工艺广泛应用的关键。
与序批式反应器相比，连续流反应器内难以形成丰盛-饥饿条件和选择压，同时水力剪切力相对较小，污泥颗粒化的难度更大。尽管如此，近二十年来，连续流好氧颗粒污泥已引起了广泛的研究兴趣。本文全面回顾了与连续流好氧颗粒污泥相关的研究论文，总结了连续流好氧颗粒污泥的理化特性和污染物去除性能，从颗粒化策略与反应器构型两个角度，系统综述了连续流好氧颗粒污泥的研究进展，并介绍了实际应用案例，评估了不同技术的可行性。最后，本文还对未来的研究方向进行了展望。
图文导读
连续流好氧颗粒污泥特性
连续流好氧颗粒污泥的形貌与序批式反应器中培育的类似，通常呈球形或椭球形，结构紧凑，边缘分明，表面光滑，
典型的颜色为棕色、棕黄色或白色。据超过80%的研究显示，其粒径普遍小于1 mm，SVI30值维持在低于60 mL/g的范围内，同时MLSS浓度稳定维持在4-6 g/L的水平。
连续流好氧颗粒污泥不仅能够有效处理城市污水，还能处理城市污水和工业污水的混合污水，甚至包括乳品废水以及含有乙二醇、二硝基苯酚、邻甲酚和苯酚的复杂工业废水。大多数研究指出，其对COD和NH4+-N的去除率均超过90%。然而，值得注意的是，在TN去除方面，仅有不到40%的文献报道其去除率超过50%。此外，TP的去除率在不同研究中呈现出较大的波动，范围从5%到99%不等。尽管连续曝气条件对生物除磷构成了一定的挑战，但许多研究仍然成功在单一的好氧反应器内实现了高效且稳定的除磷性能。
连续流好氧颗粒污泥研究进展
水力剪切力：水力剪切力被认为是污泥好氧颗粒化的关键驱动力。与序批式反应器中的研究类似，大高径比的柱状气提式反应器在连续流好氧颗粒污泥的研究中同样占据了主导地位。然而，单纯依靠水力剪切力驱动形成的连续流好氧颗粒污泥，高度依赖强的曝气强度，对反硝化过程和维持颗粒污泥的长期稳定性带来显著的挑战。因此，有必要将水力剪切力与其他的颗粒化策略有机结合使用。
图1：创造高水力剪切力的连续流反应器构型
物理选择压：物理选择压是指直接导致污泥物理性质——包括沉降速度、粒径和密度——发生变化的条件。
设置短停留时间的沉淀区或者串联外部的污泥选择器是引入基于沉降速度的选择压的常见策略。浙江工业大学的李军老师课题组提出的“双区沉淀池”，即采用两级沉淀系统，沉降速度快的好氧颗粒污泥在第一级沉淀区沉降后回流到系统中，而沉降速度慢的絮状污泥则在第二级沉降后以剩余污泥的形式排出系统，成功培育了能够高效去除碳氮磷、且长期稳定的连续流好氧颗粒污泥。
图2：创造基于沉降速度的物理选择压的连续流反应器构型
水力旋流器通过在底流中集中密度较高的污泥，同时在溢流中分离出密度较低的污泥，从而引入基于污泥密度的选择压。研究表明，水力旋流器能有效提高污泥的密度、增强微生物活性。然而，水力旋流器产生的离心力和剪切力也会导致微生物聚集体解体，使得污泥粒径减小，沉降性能降低。此外，筛网能够引入基于污泥粒径的选择压，尺寸较小的污泥通过筛网并随流出物排出，而尺寸较大的污泥被保留并定期返回系统。
图3：创造基于污泥密度/粒径的物理选择压的连续流反应器构型
丰盛-饥饿条件：丰盛-饥饿条件本质上是一种引发微生物种群变化的压力，也被称为微生物选择压。在连续流反应器中，由于整体或局部完全混合的特性，难以形成丰盛-饥饿条件。设置挡板或串联多个反应器以创造丰盛区和饥饿区是连续流好氧颗粒污泥研究中常用的策略。弗吉尼亚理工大学的王智武老师课题组就是采用的后者。除了改良反应器构型，动态进料也是创造丰盛-饥饿条件的方法之一。
图4：创造丰盛-饥饿条件的连续流反应器构型（红色填充表示丰盛区，绿色填充表示饥饿区）
生物强化：研究表明，接种成熟的好氧颗粒污泥、具有特定功能的菌种（如具有絮凝功能的反硝化TN-14菌或菌丝球）、脱水污泥或厌氧颗粒污泥、投加金属离子或载体，均可加速好氧颗粒污泥的形成，从而缩短连续流好氧颗粒污泥反应器的启动时间。此外，与序批式反应器中的研究不同，侧流供给型生物强化是连续流反应器研究中特有的生物强化策略。然而，尽管这种策略已经成功应用于厌氧氨氧化领域，侧流SBR中培育的成熟好氧颗粒污泥接种到连续流反应器中往往要先经历解体阶段，随后在适宜的条件下才会重新形成颗粒污泥。
膜生物反应器：与活性污泥相比，好氧颗粒污泥形成的生物膜孔隙率更高，可降低结垢倾向，从而缓解膜污染。研究表明，在膜生物反应器中，经历丝状膨胀后能形成好氧颗粒污泥。然而，也有研究表明，仅当膜生物反应器中额外投加载体或采用间歇进料策略时才能形成颗粒污泥。这些发现表明，在膜生物反应器中，为了促进污泥颗粒化，结合其他的颗粒化策略是必要的。
连续流好氧颗粒污泥应用现状
据统计，截止到2021年，全球范围内已有八座污水处理厂应用了连续流好氧颗粒污泥工艺，而且都是基于原有活性污泥工艺的升级改造。改造主要有三个目的：（1）改善污泥的沉降性能以提高出水质量或提高二级生物处理在冬季和雨天的处理能力；（2）强化生物除磷，提高出水水质，减少化学除磷剂的应用；（3）节能降耗，减少碳排放，提升能量效率。处理规模从189 m3/d到7.6×104 m3/d。污水处理工艺包括Bardenpho、BIOCOS、MLE、AO及A2O工艺。这表明连续流好氧颗粒污泥的应用几乎不受处理规模和原有工艺的限制。尽管在实验室中已经开发出了很多种创新的反应器构型和颗粒化策略，但在已有应用案例中，实现连续流好氧颗粒污泥的手段只有两种。
水力旋流器：2015年，为应对沉降性差和除磷性能不稳定的问题，James River污水处理厂安装了8个水力旋流器，以将现有的活性污泥工艺升级为连续流好氧颗粒污泥工艺。运行数据表明，这一改造显著提升了生物除磷性能，进而减少了氯化铁的使用量。同时，颗粒污泥的占比从原先的0%大幅上升至24%-40%，污泥密度也由1.05 g/mL提升至1.07 g/mL。然而，值得注意的是，污泥的沉降性并未得到明显改善，SVI30值保持在144.1 mL/g。另外，水力旋流器引入的离心力和剪切力过大，导致聚集体瓦解和破碎，使得临界沉降速度大于1.5 m/h的聚集体占比从86%降低到47%。
另一方面，在Kunming污水处理厂、Urbanna污水处理厂、James R.Dolorio回用水厂和Wroclaw污水处理厂的应用案例中，水力旋流器确实改善了污泥沉降性能，并提高了颗粒污泥的占比和污泥密度。然而，这种改善效果似乎是暂时的，因为这些污水处理厂依然会遭遇到季节性的丝状膨胀问题。
在Dijon回用水厂的应用则是成功的。在该厂，水力旋流器的引入使得SVI30值全年维持在低于50 mL/g的水平，进水流量可达到改造前水平的1.5倍，表面负荷率和溢流率可分别增加到15-20 kg/（m2·h）和1.5-2.4 m/h。
Robert W. Hite污水处理厂在安装水力旋流器的同时，还引入了厌氧选择器，使得污泥粒径增大，沉降速度显著提高。然而，当厌氧选择器的F/M比从0.18降低到0.13 mg rbCOD/mg VSS时，污泥粒径减小，沉降性能恶化。
这些实际案例表明，水力旋流器的应用确实能够提升沉降和生物营养物去除性能。然而，如何确保系统的长期稳定性和有效应对季节性丝状生长，依然是摆在我们面前的重要课题。而采用具有高F/M比的厌氧选择器，或许能为我们提供一种有效途径。
微氧-好氧耦合沉淀一体式反应器：2021年4月，为了达到更加严格的出水标准，河北省某城市污水处理厂采用微氧-好氧耦合沉淀一体式反应器，将其生物处理系统中的一条生产线（AAO工艺）改造为连续流好氧颗粒污泥工艺，设计规模为25 000 m3/d。在原缺氧池中安装曝气设备，将其改造为微氧池。同时，在好氧池中安装三相分离器。接种活性污泥启动一个月后，观察到了表面光滑、轮廓清晰的好氧颗粒污泥。在稳定运行阶段，污泥平均粒径为138.5 μm，其中粒径>200 μm的占比达28.9%，平均出水COD、NH4+-N和TN浓度分别为25.5、0.5和10.1 mg/L。污泥沉降性能良好，SVI5和SVI30分别稳定在68.2和56.8 mL/g，而且丝状菌没有季节性地生长，冬季SVI30仍小于80.0 mL/g。值得注意的是，该构型无需二沉池，省却了污泥回流，从而显著节省了占地面积，并减少了运行能耗。
其他：在Moorfield污水处理厂投加红麻，并通过滚筒筛回收剩余污泥中的红麻，培养得到了以红麻为载体、粒径主要是0.6-1.4 mm的颗粒污泥，该红麻型颗粒污泥SVI30<50 mL/g，出水TN<11 mg/L，TP<1.6 mg/L。与常规好氧颗粒污泥不同，荧光原位杂交结果表明红麻-颗粒污泥中氨氧化菌、硝化菌和聚磷菌聚集生长在外表层50-60 µm处，没有形成分层分布的结构，该研究认为可能是由于系统设置了独立的厌氧、缺氧和好氧区，单个颗粒中分层分布是不必要的。
图5：应用连续流好氧颗粒污泥工艺的污水处理厂工艺流程图：(a) James River污水处理厂; (b) Robert W. Hite污水处理厂; (c)河北某城市污水处理厂; (d) Moorfield污水处理厂
小结
在连续流反应器中，虽然高剪切力足以驱动颗粒化，但为了保持长期稳定性和有效的营养去除，必须结合其他的颗粒化策略。物理选择压力已经成为颗粒化的关键驱动力，基于沉降速度、污泥密度和尺寸的选择压力都适用于连续流反应器。丰盛-饥饿条件对于维持长期稳定性和营养物的去除至关重要，通常需要与剪切力和物理选择压力相结合。此外，生物强化可以加速颗粒污泥的形成并减少启动时间。虽然好氧颗粒污泥膜生物反应器可以减轻膜污染，但它们不能阻止丝状菌的过度生长。全球有九个污水处理厂采用了连续流好氧颗粒污泥工艺。水力旋流器的实施可以提高沉降和生物营养物去除性能。然而，长期稳定性仍然是一个迫切需要解决的问题。微氧-好氧耦合沉淀一体式反应器长期稳定性良好，无需二沉池，可以减少占地面积和能耗。未来的研究应优先了解颗粒化机理，生物除磷途径，系统性能和长期稳定性，以促进连续流好氧颗粒污泥的全面应用。
作者简介
余诚：清华大学博士。主要从事合流制溢流控制、连续流好氧颗粒污泥和厌氧氨氧化等污水处理方向的研究。以第一作者发表中英文论文10篇，作为技术骨干参与2项“十三五”水体污染控制与治理科技重大专项课题，主持1项校级研究中心下设课题。
王凯军：清华大学环境学院教授，中国沼气学会理事长，国家环境保护技术管理与评估中心主任，博士生导师。长期从事污水和生物质废弃物前沿处理技术的研发、产业化和推广应用等工作。发表论文百余篇，授权国家发明专利30余项。曾荣获教育部科技进步奖、教育部技术发明奖和环保科技进步奖等奖项10余次。
