導語：近日，清華大學環境學院王凱軍課題組在連續流好氧顆粒污泥研究領域取得重大突破，成功將現有的厭氧-缺氧-好氧脫氮除磷（AAO）工藝（2.5×104 m3/d）升級為連續流好氧顆粒污泥工藝。研究結果揭示了水力剪切力和豐盛-饑餓條件是連續流模式下污泥顆粒化的關鍵因素，同時發現在僅有氧的條件下能發生同步硝化反硝化除磷，且是該系統主要的污染物去除途徑。

隨著城鎮人口的不斷增加，污水處理廠面臨著在有限的占地面積內提高出水水質、增加處理量并降低能耗的巨大挑戰。好氧顆粒污泥的沉降速度顯著快于活性污泥，能同步去除碳、氮和磷。相比于傳統活性污泥工藝，好氧顆粒污泥工藝能減少多達75%的占地面積和高達63%的能耗。然而，目前好氧顆粒污泥工藝僅成功應用于序批式反應器，連續流模式下的好氧顆粒化尚未取得突破性進展。

該研究將一種微氧-好氧耦合沉淀反應器應用于升級設計規模為2.5×104m3/d的活性污泥工藝。結果表明，啟動1個月后，接種的絮狀污泥逐漸轉變為顆粒污泥。在穩定運行階段，污泥平均粒徑由31.9μm增大至138.5μm，粒徑>200μm的污泥占比由0增加至28.9%，平均污泥容積指數（SVI30）為51.4mL/g；出水化學需氧量（COD）、NH4+-N和總氮（TN）的第95百分位濃度分別為35.0mg/L、1.2mg/L和13.3mg/L；顆粒污泥中反硝化除磷菌（DPAOs）富集，豐度達3.29%，分別是接種污泥和絮狀污泥中的7.3倍和10.3倍。

研究發現，微氧池對NH4+-N、TN和總磷（TP）的去除率分別占平均進水日負荷的78%、83%和93%，而好氧池的貢獻率僅為21%、3%和0%（圖1）。研究通過動力學模型模擬了底物和溶解氧在顆粒中滲透的過程（圖2）。結果表明，溶解氧（DO）濃度沿顆粒半徑迅速下降，導致了缺氧/厭氧內層的形成（除了半徑為25μm、DO濃度為0.5mg/L和底物為36.7mg/L的情況）。這表明，盡管連續流模式下培養的污泥粒徑相對較小，但在微氧池中低溶解氧濃度條件下，分層現象仍然存在，即粒徑在100μm~200μm之間的小顆粒（占比超過65%）也可以充分形成好氧外層和缺氧/厭氧內層，從而實現同步去除碳、氮和磷。

圖1 (a) COD、（b) NH4+-N、(c) TN和(d) TP的質量衡算

圖2 微氧池中半徑為(a) 25μm、(b) 50μm、(c) 75μm和(d) 100μm的污泥中DO和COD的分布

傳統的生物除磷方法要求將電子供體和電子受體進行厭氧和好氧條件的物理分離。然而，文章發現的微氧池連續曝氣條件下的生物除磷過程，卻打破了這一傳統觀念。

研究通過計算流體動力學-群體平衡模型和COD降解曲線發現微氧-好氧耦合沉淀反應器構型為顆粒化提供了必要的水力剪切力和豐盛-饑餓條件，并提出了微氧-好氧耦合沉淀反應器內的顆粒化機理（圖3）。階段I：顆粒污泥前體形成階段，機理是基于剪切的聚集生長，在好氧池中，水流和曝氣形成良好的混合條件，增加了微生物的隨機運動和碰撞，逐漸形成聚集體，即顆粒污泥的前體；階段II：選擇性培養功能微生物階段，當污泥回流到基質濃度相對較高，即豐盛的微氧池后，慢速生長的微生物如聚磷菌（PAOs）、DPAOs在有利的選擇壓下富集生長；階段III：循環往復的成熟階段，通過在缺氧和好氧環境條件下（不同基質濃度條件和剪切力）循環，好氧顆粒污泥前體不斷生長，在好氧池水力剪切力的作用下，初始的顆粒污泥變得更加規則和致密，形成功能成熟的好氧顆粒污泥。

圖3 顆粒化機理

聲明：本文轉自中國給水排水，第一作者余誠，通訊作者王凱軍，本文版權歸原作者所有，不代表本網站觀點，僅供學習交流之用，不做商業用途。如文中的內容、圖片、音頻、視頻等存在第三方的在先知識產權，請及時聯系我們刪除。