好氧顆(ke)粒污泥技(ji)(ji)(ji)術(shu)（AGS）因(yin)其快速沉(chen)(chen)降和高固(gu)體濃度特性，可(ke)省去占地(di)面積較大的二沉(chen)(chen)淀(dian)池與耗能顯(xian)著的回(hui)(hui)流設施(shi)，不(bu)僅(jin)能同時(shi)去除或(huo)回(hui)(hui)收碳、氮(dan)、磷等污染物，亦可(ke)減少75%的占地(di)面積。目前，AGS技(ji)(ji)(ji)術(shu)在(zai)全(quan)球范圍(wei)內的工程(cheng)應用已達到70多(duo)例。好氧顆(ke)粒污泥工程(cheng)應用除技(ji)(ji)(ji)術(shu)原因(yin)限制外，基于SBR運行(xing)模式(shi)使(shi)其不(bu)太(tai)容易(yi)集成到既有、需(xu)依賴(lai)二沉(chen)(chen)池完(wan)成固(gu)-液分離的連(lian)續流污水處理(li)廠。然而，人們對連(lian)續流反應器應用顆(ke)粒污泥的渴望也(ye)并(bing)非完(wan)全(quan)沒有可(ke)能，三(san)組(zu)并(bing)聯運行(xing)的SBR顆(ke)粒污泥反應器其實便(bian)可(ke)構成一種(zhong)“連(lian)續流”反應器。本期推送將介紹(shao)中心客座教授MarkanLoosdrecht等1月27日發表于《Science》的觀點文(wen)章——Intensifyingexistingurbanwastewater，介紹(shao)AGS技(ji)(ji)(ji)術(shu)優(you)勢(shi)、應用現狀以及未來對連(lian)續流AGS技(ji)(ji)(ji)術(shu)的研(yan)發設想。

隨著全(quan)球人(ren)口持(chi)(chi)續(xu)增長(chang)，在水資(zi)源安全(quan)和(he)可(ke)(ke)持(chi)(chi)續(xu)發(fa)展方(fang)面面臨著一系列挑戰，尤(you)其(qi)是(shi)與水之(zhi)社會循環息(xi)息(xi)相關的工程問(wen)題。另外，水業早已達(da)成共識：污水為一種可(ke)(ke)行且(qie)可(ke)(ke)持(chi)(chi)續(xu)的資(zi)源/能源載體，不(bu)僅可(ke)(ke)以提(ti)供優質再生水，還可(ke)(ke)以通過資(zi)源/能源回(hui)收(shou)最大限度(du)減少(shao)(shao)處理(li)設施占地面積(ji)與能量消耗。然而，研發(fa)合適的技(ji)術(shu)解決(jue)方(fang)案或(huo)實(shi)現(xian)上(shang)(shang)述目標仍需要不(bu)斷努力(li)。在此(ci)方(fang)面，好氧顆粒污泥(ni)（AGS）技(ji)術(shu)似乎(hu)是(shi)解決(jue)上(shang)(shang)述問(wen)題的選擇之(zhi)一，該技(ji)術(shu)能夠同(tong)時去除（或(huo)回(hui)收(shou)）碳、氮和(he)磷；同(tong)時，該技(ji)術(shu)占地面積(ji)可(ke)(ke)減少(shao)(shao)多(duo)達(da)75%。

目前，世界上55%人口居住在城市地區；預計(ji)到2050年(nian)，這(zhe)一(yi)(yi)數字將增(zeng)加至68%。這(zhe)將使既有(you)市政(zheng)污水(shui)處理廠(chang)（WWTP）不(bu)堪重負，且(qie)缺(que)乏(fa)空間允許其擴建。此外，很(hen)多(duo)國(guo)家(jia)已逐步(bu)收緊了對污水(shui)中營養物（氮和(he)磷）的去除或回收目標，而既有(you)污水(shui)處理廠(chang)傳(chuan)統工藝設計(ji)并不(bu)能靈活地增(zeng)加功能來(lai)適(shi)應(ying)流量增(zeng)加和(he)更加嚴(yan)格的出水(shui)排(pai)放標準。況(kuang)且(qie)，日趨老化的基(ji)礎(chu)設施更加劇了這(zhe)一(yi)(yi)問題的解決(jue)。即使在新冠大流行所引(yin)發的經濟危機(ji)情況(kuang)下，改善(shan)老化水(shui)系統基(ji)礎(chu)設施的投資(zi)仍需要放在重中之(zhi)重之(zhi)位置。例如(ru)，一(yi)(yi)直(zhi)以(yi)(yi)來(lai)，美國(guo)對其污水(shui)系統投資(zi)不(bu)足，但最(zui)近通過了一(yi)(yi)項大規模法案來(lai)更新其基(ji)礎(chu)設施。這(zhe)極大推動了技術創(chuang)新和(he)發展，以(yi)(yi)提供經濟又可靠(kao)的解決(jue)方案。

顆(ke)粒(li)污(wu)(wu)泥(ni)(ni)是(shi)生(sheng)物(wu)膜結構的(de)(de)一(yi)種特殊(shu)形(xing)(xing)式，因為(wei)它們不需要依附任何(he)載(zai)體(ti)生(sheng)長，而是(shi)通(tong)過自凝聚、聚集所形(xing)(xing)成的(de)(de)球形(xing)(xing)顆(ke)粒(li)，直徑一(yi)般為(wei)0.5~2 mm，沉(chen)(chen)降速度是(shi)傳統絮(xu)狀污(wu)(wu)泥(ni)(ni)的(de)(de)10~15倍(bei)。基于此(ci)，可(ke)將絮(xu)狀污(wu)(wu)泥(ni)(ni)選擇(ze)性從系統中排出（Wash out）以(yi)富集顆(ke)粒(li)污(wu)(wu)泥(ni)(ni)，提高(gao)固-液分離(li)效率。AGS這一(yi)快速沉(chen)(chen)降和(he)(he)高(gao)固體(ti)濃度的(de)(de)特性可(ke)將沉(chen)(chen)淀(dian)單元(yuan)被(bei)集成于處(chu)理單元(yuan)之內，從而省去(qu)占(zhan)地面積(ji)較大的(de)(de)二(er)沉(chen)(chen)池和(he)(he)耗能顯著的(de)(de)回流設施，即，可(ke)大大減少(shao)整個(ge)廠區的(de)(de)占(zhan)地面積(ji)并強化了反應器(qi)運行處(chu)理效果。

在傳統活性(xing)污(wu)(wu)泥(ni)系統中，污(wu)(wu)泥(ni)絮體(ti)須(xu)通(tong)(tong)過泵送(song)循環于(yu)多個不同(tong)反(fan)應(ying)池(chi)，以完成(cheng)對C、N和(he)(he)P的(de)去除，在末端還(huan)需要沉淀池(chi)來完成(cheng)泥(ni)水分離。從顆粒(li)(li)污(wu)(wu)泥(ni)結構和(he)(he)生(sheng)物群落分布來看，硝化(hua)菌(jun)(jun)(jun)、聚(ju)磷(lin)(lin)菌(jun)(jun)(jun)(PAO)、糖(tang)原(yuan)菌(jun)(jun)(jun)(GAO) 和(he)(he)其他功能(neng)微生(sheng)物成(cheng)層(ceng)狀分布。硝化(hua)菌(jun)(jun)(jun)為好(hao)氧菌(jun)(jun)(jun)，一(yi)般(ban)分布在顆粒(li)(li)污(wu)(wu)泥(ni)外層(ceng)氧氣豐富(fu)的(de)地方，可完成(cheng)氨氮(dan)到硝酸(suan)氮(dan)的(de)轉化(hua)。PAO雖可好(hao)氧生(sheng)長(chang)，但更(geng)(geng)傾(qing)向(xiang)于(yu)生(sheng)長(chang)在顆粒(li)(li)內部（缺氧層(ceng)），可將硝酸(suan)氮(dan)還(huan)原(yuan)為氮(dan)氣并吸收磷(lin)(lin)酸(suan)鹽。兩者(zhe)協作可完成(cheng)對C、N和(he)(he)P的(de)轉化(hua)與去除，實(shi)現水質凈化(hua)目的(de)。這一(yi)方式的(de)優點是，通(tong)(tong)過EBPR過程形成(cheng)的(de)顆粒(li)(li)要比(bi)基(ji)于(yu)異養微生(sheng)物形成(cheng)的(de)顆粒(li)(li)更(geng)(geng)加致密、穩定(ding)性(xing)更(geng)(geng)強。

因此，為了淘汰(tai)快速生(sheng)長的異養微(wei)生(sheng)物(wu)(wu)并(bing)促進(jin)生(sheng)長相對(dui)緩慢的PAO 和(he)GAO的富集(ji)并(bing)形成(cheng)生(sheng)物(wu)(wu)膜(mo)，反應器須(xu)在厭氧和(he)好氧條件下交替運行，并(bing)采用(yong)厭氧段進(jin)水方式，即，直接將污水通(tong)過已沉降(jiang)的顆粒污泥床注入(ru)完(wan)成(cheng)。顆粒污泥可同時(shi)去除營養物(wu)(wu)且易于分離(li)的特性，可以將整個污染物(wu)(wu)去除過程整合在一個序批式反應器（SBR）中，極大減(jian)少占地空(kong)間。當存在三個并(bing)聯反應器時(shi)，可順序協作運行，相當于傳統連續流運行模式。

絮狀污(wu)(wu)泥和顆粒(li)(li)污(wu)(wu)泥都具有(you)營養物回收(shou)潛(qian)力，但顆粒(li)(li)污(wu)(wu)泥的特殊之處(chu)在于(yu)可回收(shou)可觀的糖蛋白，它在化(hua)(hua)學(xue)和農業中(zhong)具有(you)良好的經濟(ji)價值。AGS的高固體(ti)濃度也為磷回收(shou)提(ti)供了條件(jian)，通(tong)(tong)過剩余(yu)顆粒(li)(li)污(wu)(wu)泥厭氧釋磷即可生(sheng)產富含磷的上清液，從而不必通(tong)(tong)過厭氧消化(hua)(hua)池完成磷的回收(shou)過程。因此，AGS技(ji)術對于(yu)需要(yao)擴容(rong)但又受限于(yu)土地利(li)用(yong)的市政污(wu)(wu)水處(chu)理廠(chang)可提(ti)供一種有(you)效解決(jue)方(fang)案。

目(mu)前，AGS技(ji)術在全球范圍(wei)內的(de)工程應(ying)用已(yi)達到(dao)(dao)70多(duo)例。但是，其基于(yu)(yu)SBR運行的(de)模式使其不容(rong)(rong)易(yi)(yi)集(ji)成到(dao)(dao)既有、依賴于(yu)(yu)沉淀池完成固液分離的(de)連(lian)續(xu)流(liu)污(wu)(wu)水處(chu)理廠中。因(yin)此(ci)，要(yao)想將傳(chuan)統(tong)(tong)連(lian)續(xu)流(liu)反應(ying)器改造成AGS技(ji)術工藝(yi)，不得不暫停所有水處(chu)理功能，不僅繁瑣且不友好。日前，在一傳(chuan)統(tong)(tong)連(lian)續(xu)流(liu)EBPR反應(ying)器中意外(wai)觀察到(dao)(dao)大量基于(yu)(yu)PAO的(de)顆(ke)(ke)粒污(wu)(wu)泥(ni)，這似乎表明(ming)，在連(lian)續(xu)流(liu)反應(ying)器中實現(xian)污(wu)(wu)泥(ni)顆(ke)(ke)粒化要(yao)比預期(qi)容(rong)(rong)易(yi)(yi)多(duo)。因(yin)此(ci)，在EBPR連(lian)續(xu)流(liu)系統(tong)(tong)可通(tong)過設(she)置(zhi)一個顆(ke)(ke)粒-絮狀污(wu)(wu)泥(ni)分離選(xuan)擇器，借助于(yu)(yu)其厭(yan)氧環境來強化生長緩慢(man)細(xi)菌（如，PAO和GAO）的(de)富集(ji)以增(zeng)強造粒能力，這可能是將AGS 技(ji)術整合進連(lian)續(xu)流(liu)反應(ying)器的(de)一種解決方(fang)案。

在(zai)連(lian)續流反應器(qi)中(zhong)(zhong)實現污(wu)泥(ni)顆(ke)粒(li)(li)化的(de)(de)另(ling)一(yi)(yi)種方案(an)是設(she)置食物(wu)豐富和(he)(he)匱(kui)乏(fa)交替的(de)(de)好(hao)氧(yang)(yang)(yang)環境(jing)，雖然這一(yi)(yi)方案(an)也(ye)可以(yi)產生顆(ke)粒(li)(li)污(wu)泥(ni)且容易實施，但它需要比(bi)厭氧(yang)(yang)(yang)進(jin)(jin)料(liao)方案(an)更強的(de)(de)顆(ke)粒(li)(li)選擇能力。迄今為(wei)止，用于連(lian)續流反應器(qi)中(zhong)(zhong)培養顆(ke)粒(li)(li)的(de)(de)主(zhu)要選擇壓力是基于沉降(jiang)速度，其中(zhong)(zhong)沉速較快的(de)(de)顆(ke)粒(li)(li)可通(tong)(tong)過(guo)固液(ye)分離(li)器(qi)、外部沉降(jiang)器(qi)等設(she)備保留在(zai)系統中(zhong)(zhong)，再通(tong)(tong)過(guo)將較大的(de)(de)顆(ke)粒(li)(li)從分離(li)器(qi)循環到厭氧(yang)(yang)(yang)區來(lai)促進(jin)(jin)顆(ke)粒(li)(li)中(zhong)(zhong) GAO和(he)(he)PAO的(de)(de)生長，以(yi)進(jin)(jin)一(yi)(yi)步(bu)促進(jin)(jin)顆(ke)粒(li)(li)污(wu)泥(ni)的(de)(de)形成。

當然，在連(lian)續(xu)流反應(ying)器中進行污泥(ni)顆粒化仍面臨很多(duo)挑戰，例如(ru)，解耦絮狀污泥(ni)與顆粒污泥(ni)停留時間。另外(wai)，還包(bao)括：1）產生(sheng)(sheng)足夠碳源(yuan)強化GAO和PAO的(de)富集；2）曝(pu)氣和混合(he)攪拌策略；3）絮狀和顆粒污泥(ni)尺寸分(fen)布對(dui)傳質擴(kuo)散的(de)影(ying)響(xiang)；4）平衡不同(tong)微生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)間的(de)競爭；5）在水處理過程中整合(he)資源(yuan)回收，特別是(shi)磷(lin)酸(suan)鹽(yan)和生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)聚合(he)物(wu)(wu)。

總的說(shuo)來(lai)，市(shi)政污(wu)水(shui)處(chu)理(li)(li)(li)經(jing)過(guo)一個世紀的發展，正面臨著向更(geng)加可(ke)持續(xu)方向發展的挑戰，好氧(yang)顆(ke)粒(li)污(wu)泥(ni)技術日(ri)趨成(cheng)熟似(si)乎給我們提供(gong)了令(ling)人興(xing)奮的解決方案。這(zhe)對(dui)于(yu)處(chu)理(li)(li)(li)設施(shi)已經(jing)過(guo)時(shi)、且急(ji)需(xu)升級改(gai)造的污(wu)水(shui)處(chu)理(li)(li)(li)廠(chang)來(lai)說(shuo)，基于(yu)SBR模(mo)式運行的AGS是最佳選擇，而(er)連續(xu)流(liu)AGS更(geng)適合仍處(chu)于(yu)運行狀態但需(xu)進行改(gai)造以強化(hua)現(xian)有(you)基礎設施(shi)的工(gong)廠(chang)。

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