清華新聞網(wǎng)12月7日電 近日，清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院王凱軍教授課題組在連續(xù)流好氧顆粒污泥研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，成功將現(xiàn)有的厭氧-缺氧-好氧脫氮除磷（AAO）工藝（2.5×10⁴m³/d）升級(jí)為連續(xù)流好氧顆粒污泥工藝。研究結(jié)果揭示了水力剪切力和豐盛-饑餓條件是連續(xù)流模式下污泥顆�；�的關(guān)鍵因素，同時(shí)發(fā)現(xiàn)在僅有氧的條件下能發(fā)生同步硝化反硝化除磷，且是該系統(tǒng)主要的污染物去除途徑。

隨著城鎮(zhèn)人口的不斷增加，污水處理廠面臨著在有限的占地面積內(nèi)提高出水水質(zhì)、增加處理量并降低能耗的巨大挑戰(zhàn)。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(tǒng)活性污泥工藝，好氧顆粒污泥工藝能減少多達(dá)75%的占地面積和高達(dá)63%的能耗。然而，目前好氧顆粒污泥工藝僅成功應(yīng)用于序批式反應(yīng)器，連續(xù)流模式下的好氧顆�；�尚未取得突破性進(jìn)展。

該研究將一種微氧-好氧耦合沉淀反應(yīng)器應(yīng)用于升級(jí)設(shè)計(jì)規(guī)模為2.5×10⁴m³/d的活性污泥工藝。結(jié)果表明，啟動(dòng)1個(gè)月后，接種的絮狀污泥逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒污泥。在穩(wěn)定運(yùn)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(shù)（SVI₃₀）為51.4mL/g；出水化學(xué)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(dá)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(fā)現(xiàn)，微氧池對(duì)NH₄⁺-N、TN和總磷（TP）的去除率分別占平均進(jìn)水日負(fù)荷的78%、83%和93%，而好氧池的貢獻(xiàn)率僅為21%、3%和0%（圖1）。研究通過動(dòng)力學(xué)模型模擬了底物和溶解氧在顆粒中滲透的過程（圖2）。結(jié)果表明，溶解氧（DO）濃度沿顆粒半徑迅速下降，導(dǎo)致了缺氧/厭氧內(nèi)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(xù)流模式下培養(yǎng)的污泥粒徑相對(duì)較小，但在微氧池中低溶解氧濃度條件下，分層現(xiàn)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(nèi)層，從而實(shí)現(xiàn)同步去除碳、氮和磷。

圖1.（a）COD、（b）NH₄⁺-N、（c）TN和（d）TP的質(zhì)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(tǒng)的生物除磷方法要求將電子供體和電子受體進(jìn)行厭氧和好氧條件的物理分離。然而，文章發(fā)現(xiàn)的微氧池連續(xù)曝氣條件下的生物除磷過程，卻打破了這一傳統(tǒng)觀念。

研究通過計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)-群體平衡模型和COD降解曲線發(fā)現(xiàn)微氧-好氧耦合沉淀反應(yīng)器構(gòu)型為顆�；�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(yīng)器內(nèi)的顆�；瘷C(jī)理（圖3）。階段I：顆粒污泥前體形成階段，機(jī)理是基于剪切的聚集生長(zhǎng)，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(jī)運(yùn)動(dòng)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(yǎng)功能微生物階段，當(dāng)污泥回流到基質(zhì)濃度相對(duì)較高，即豐盛的微氧池后，慢速生長(zhǎng)的微生物如聚磷菌（PAOs）、DPAOs在有利的選擇壓下富集生長(zhǎng)；階段III：循環(huán)往復(fù)的成熟階段，通過在缺氧和好氧環(huán)境條件下（不同基質(zhì)濃度條件和剪切力）循環(huán)，好氧顆粒污泥前體不斷生長(zhǎng)，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(guī)則和致密，形成功能成熟的好氧顆粒污泥。

圖3. 顆�；瘷C(jī)理

11月15日，相關(guān)成果以“采用微氧-好氧耦合沉淀反應(yīng)器升級(jí)活性污泥工藝為連續(xù)流好氧顆粒污泥工藝”（Full-scale upgrade activated sludge to continuous-flow aerobic granular sludge: Implementing microaerobic-aerobic configuration with internal separators）為題發(fā)表于《水研究》（Water Research）期刊上。

清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院2018級(jí)博士生余誠(chéng)為論文第一作者，環(huán)境學(xué)院王凱軍教授為論文通訊作者，北京華益德環(huán)境科技有限責(zé)任公司張凱淵、劉瑞陽(yáng)、鄭平萍為共同作者。

論文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0043135423013106

供稿：環(huán)境學(xué)院

題圖設(shè)計(jì)：金婭辰

編輯：李華山

審核：郭玲