好氧颗粒污泥：升级既有市政污水处理厂的利器

好氧颗粒污泥技术（AGS）因其快速沉降和高固体浓度特性，可省去占地面积较大的二沉淀池与耗能显著的回流设施，不仅能同时去除或回收碳、氮、磷等污染物，亦可减少75%的占地面积。目前，AGS技术在全球范围内的工程应用已达到70多例。好氧颗粒污泥工程应用除技术原因限制外，基于SBR运行模式使其不太容易集成到既有、需依赖二沉池完成固-液分离的连续流污水处理厂。然而，人们对连续流反应器应用颗粒污泥的渴望也并非完全没有可能，三组并联运行的SBR颗粒污泥反应器其实便可构成一种“连续流”反应器。本期推送将介绍中心客座教授MarkanLoosdrecht等1月27日发表于《Science》的观点文章——Intensifyingexistingurbanwastewater，介绍AGS技术优势、应用现状以及未来对连续流AGS技术的研发设想。

随着全球人口持续增长，在水资源安全和可持续发展方面面临着一系列挑战，尤其是与水之社会循环息息相关的工程问题。另外，水业早已达成共识：污水为一种可行且可持续的资源/能源载体，不仅可以提供优质再生水，还可以通过资源/能源回收最大限度减少处理设施占地面积与能量消耗。然而，研发合适的技术解决方案或实现上述目标仍需要不断努力。在此方面，好氧颗粒污泥（AGS）技术似乎是解决上述问题的选择之一，该技术能够同时去除（或回收）碳、氮和磷；同时，该技术占地面积可减少多达75%。

目前，世界上55%人口居住在城市地区；预计到2050年，这一数字将增加至68%。这将使既有市政污水处理厂（WWTP）不堪重负，且缺乏空间允许其扩建。此外，很多国家已逐步收紧了对污水中营养物（氮和磷）的去除或回收目标，而既有污水处理厂传统工艺设计并不能灵活地增加功能来适应流量增加和更加严格的出水排放标准。况且，日趋老化的基础设施更加剧了这一问题的解决。即使在新冠大流行所引发的经济危机情况下，改善老化水系统基础设施的投资仍需要放在重中之重之位置。例如，一直以来，美国对其污水系统投资不足，但最近通过了一项大规模法案来更新其基础设施。这极大推动了技术创新和发展，以提供经济又可靠的解决方案。

颗粒污泥是生物膜结构的一种特殊形式，因为它们不需要依附任何载体生长，而是通过自凝聚、聚集所形成的球形颗粒，直径一般为0.5~2 mm，沉降速度是传统絮状污泥的10~15倍。基于此，可将絮状污泥选择性从系统中排出（Wash out）以富集颗粒污泥，提高固-液分离效率。AGS这一快速沉降和高固体浓度的特性可将沉淀单元被集成于处理单元之内，从而省去占地面积较大的二沉池和耗能显著的回流设施，即，可大大减少整个厂区的占地面积并强化了反应器运行处理效果。

在传统活性污泥系统中，污泥絮体须通过泵送循环于多个不同反应池，以完成对C、N和P的去除，在末端还需要沉淀池来完成泥水分离。从颗粒污泥结构和生物群落分布来看，硝化菌、聚磷菌(PAO)、糖原菌(GAO) 和其他功能微生物成层状分布。硝化菌为好氧菌，一般分布在颗粒污泥外层氧气丰富的地方，可完成氨氮到硝酸氮的转化。PAO虽可好氧生长，但更倾向于生长在颗粒内部（缺氧层），可将硝酸氮还原为氮气并吸收磷酸盐。两者协作可完成对C、N和P的转化与去除，实现水质净化目的。这一方式的优点是，通过EBPR过程形成的颗粒要比基于异养微生物形成的颗粒更加致密、稳定性更强。

因此，为了淘汰快速生长的异养微生物并促进生长相对缓慢的PAO 和GAO的富集并形成生物膜，反应器须在厌氧和好氧条件下交替运行，并采用厌氧段进水方式，即，直接将污水通过已沉降的颗粒污泥床注入完成。颗粒污泥可同时去除营养物且易于分离的特性，可以将整个污染物去除过程整合在一个序批式反应器（SBR）中，极大减少占地空间。当存在三个并联反应器时，可顺序协作运行，相当于传统连续流运行模式。

絮状污泥和颗粒污泥都具有营养物回收潜力，但颗粒污泥的特殊之处在于可回收可观的糖蛋白，它在化学和农业中具有良好的经济价值。AGS的高固体浓度也为磷回收提供了条件，通过剩余颗粒污泥厌氧释磷即可生产富含磷的上清液，从而不必通过厌氧消化池完成磷的回收过程。因此，AGS技术对于需要扩容但又受限于土地利用的市政污水处理厂可提供一种有效解决方案。

目前，AGS技术在全球范围内的工程应用已达到70多例。但是，其基于SBR运行的模式使其不容易集成到既有、依赖于沉淀池完成固液分离的连续流污水处理厂中。因此，要想将传统连续流反应器改造成AGS技术工艺，不得不暂停所有水处理功能，不仅繁琐且不友好。日前，在一传统连续流EBPR反应器中意外观察到大量基于PAO的颗粒污泥，这似乎表明，在连续流反应器中实现污泥颗粒化要比预期容易多。因此，在EBPR连续流系统可通过设置一个颗粒-絮状污泥分离选择器，借助于其厌氧环境来强化生长缓慢细菌（如，PAO和GAO）的富集以增强造粒能力，这可能是将AGS 技术整合进连续流反应器的一种解决方案。

在连续流反应器中实现污泥颗粒化的另一种方案是设置食物丰富和匮乏交替的好氧环境，虽然这一方案也可以产生颗粒污泥且容易实施，但它需要比厌氧进料方案更强的颗粒选择能力。迄今为止，用于连续流反应器中培养颗粒的主要选择压力是基于沉降速度，其中沉速较快的颗粒可通过固液分离器、外部沉降器等设备保留在系统中，再通过将较大的颗粒从分离器循环到厌氧区来促进颗粒中 GAO和PAO的生长，以进一步促进颗粒污泥的形成。

当然，在连续流反应器中进行污泥颗粒化仍面临很多挑战，例如，解耦絮状污泥与颗粒污泥停留时间。另外，还包括：1）产生足够碳源强化GAO和PAO的富集；2）曝气和混合搅拌策略；3）絮状和颗粒污泥尺寸分布对传质扩散的影响；4）平衡不同微生物间的竞争；5）在水处理过程中整合资源回收，特别是磷酸盐和生物聚合物。

总的说来，市政污水处理经过一个世纪的发展，正面临着向更加可持续方向发展的挑战，好氧颗粒污泥技术日趋成熟似乎给我们提供了令人兴奋的解决方案。这对于处理设施已经过时、且急需升级改造的污水处理厂来说，基于SBR模式运行的AGS是最佳选择，而连续流AGS更适合仍处于运行状态但需进行改造以强化现有基础设施的工厂。

作者简介：

Mark van Loosdrecht，中—荷中心客座教授，荷兰代尔夫特理工大学应用科学学院环境生物技术系系主任、教授，污水生物处理工艺，特别是环境生物技术领域的专家，荷兰皇家科学院与工程院双院士、美国国家工程院院士、中国工程院外籍院士，并获得世界水处理领域最高奖之一的新加坡李光耀水奖和斯德哥尔摩水奖。