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[碳中和] 低能耗技术之白话好氧颗粒污泥

 

我们在《污水厂实现“碳中和”的途径》一文中提到,实现污水厂的“碳中和”,除了把能量回收搞得多多的,还要把能量耗用搞得少少的。同时,我们在《污水厂“碳中和”升级一定是高成本吗?》提到,污水厂碳中和升级,可以朝污水厂、中水厂、能源厂和资源厂“四位一体”的方向发展。

 

业内似乎也已形成共识:污水厂将从一座只确保废水达标排放的污水处理厂逐步转变为若干个更小型、功能划分更细化的资源回收厂。

 

污水处理技术的快速演变,也让我们有了更多的选择,例如:

 

以厌氧氨氧化、好氧颗粒污泥为核心的低能耗脱氮、生物降解技术;

 

以厌氧消化为核心的能量回收技术;

 

以膜为核心,结合其他深度水处理技术(如UV、高级氧化、生物活性炭等)的水回用技术;

 

以磷回收为主的资源回收技术等。

 

这些趋势和发展预期会随着生物技术和材料科学的进步而得到进一步的发展。因此,“碳中和”下的水处理厂,不仅需要更适应各种功能性要求的变化,还需要更适应技术的变化。

 

那么,后期我们将逐一讨论碳中和下污水处理可适用的各种技术。敬请期待哟。

 

本次,我们先白话一下低能耗技术之一的好氧颗粒污泥技术(AGS)。

 

一、好氧颗粒污泥的起源与发展

 

说起好氧颗粒污泥的起源,我们回到长长的100多年前,从活性污泥开始白话起。

 

搞污水的都知道,活性污泥是1912年英国的克拉克(Clark)和盖奇(Gage)发现的,他们对污水进行长时间曝气,发现水中就会长出污泥状的东西,同时水质也会变好。

 

这个现象激起了阿尔敦(Arden)和洛凯特(Lockgtt)的兴趣,他们接着往下玩,每天把污水装在瓶子里进行曝气,偶然发现,如果瓶子没有洗干净,瓶壁上还粘着污泥时,处理效果更好。

 

于是,他们每天结束实验前,都把曝气后的污水沉淀一下,只倒掉上面的清水,留着瓶底的污泥第二天继续用,越玩越有意思,每天都很开心。(妥妥的跟我们现在将泥水进行沉淀,将沉淀出来的清水收集,再将沉淀下来的污泥回流到反应池的方式一套搞法啊)。

 

他们把这个污泥称之为活性污泥,活性污泥法就这么发明了。

 

我们都知道,这个污泥并不是真正的泥,而是由各种微生物菌群加上所依附的有机物和无机物所组成,它之所以能净化水,是因为微生物菌群的作用。

 

后来,活性污泥逐渐被广泛用于污水处理。随着人们对微生物的认识不断加深,又发展出了好氧化、厌氧法,以及厌氧、缺氧、好氧的不同组合而形成的各种活性污泥工艺。

 

1972年,荷兰瓦赫宁根大学的Lettinga教授在处理甜菜废水的6m³/d的UASB(升流式厌氧污泥床系统,厌氧生物法的一种)中试装置中发现了颗粒污泥。颗粒污泥就是众多微生物团聚成了一个颗粒小球,从而使单位容积内的微生物量大量增加。

 

我们看一个图片直观感受一下,下图的(a)是普通污泥,(b)是好氧颗粒污泥。

 

 

厌氧颗粒污泥的发现,使得高效厌氧反应系统成为可能。

 

如果把最开始诞生的厌氧生物法相对负荷,也就是处理效率,设定为1,那么通过强化污泥回流的UASB反应器相对负荷可以提到5,也就是5倍,而厌氧颗粒污泥的发现使其迅速提高至25,后来,第三代强化接触的膨胀床颗粒污泥系统(EGSB)进一步提高到75。也就是,处理效率相当于最初的75倍。

 

可以说,颗粒污泥的发现,改写了厌氧技术的发展历程,甚至可以说,改变了整个污水处理行业的技术发展历程。因为随之而来,才引起了对各种微生物颗粒的研究。

 

1975年,瓦格宁根大学与研究中心(WageningenUniversity & Research,简称WUR)

 

开始全面系统的研究污泥颗粒化现象。

 

通过不断研究和发展,颗粒家族已经形成了厌氧颗粒污泥、厌氧氨氧化颗粒污泥、好氧颗粒污泥、生物脱硫颗粒污泥等几大成员的格局。

 

说到这里,我们不得不膜拜一下荷兰,颗粒家族的成员基本都是荷兰发展出来的,工程化应用的关键技术也在他们那儿。所以荷兰人号称都是用颗粒处理污水的。

 

颗粒污泥的形成,主要源自于生物自絮凝现象。我们如果在反应器中放入填料,污泥就会趴在上面,形成生物膜;而如果没有填料,污泥就会互趴,你趴着我,他趴着你,大家手拉手,肩并肩,紧紧团结在一起,形成一个球。

 

所以,颗粒污泥就是无需内核,自固定化的生物膜。

 

不同的颗粒污泥主要是组成的功能菌群不同。例如:厌氧颗粒污泥主要由产酸、产甲烷菌群团聚而成;厌氧氨氧化颗粒污泥主要由厌氧氨氧化菌组成;好氧颗粒污泥则根据硝化、除磷、同步脱氮除磷等不能功能需求,由不同的功能微生物呈现分层分布。

 

由此可见,我们今天谈的好氧颗粒污泥法(AGS),其实不是一种装置,而是一种培养出好氧法下,硝化、除磷或同步脱氮除磷的颗粒型生物功能群菌的方法。

 

也就是说,无论采取什么办法,搞得出多多的颗粒污泥就行。颗粒越多越优秀,有个专门的衡量指标叫颗粒化率。

 

关于好氧颗粒污泥第一个研究性的工作,是由日本学者开展的。

 

1991年,Mishima模仿厌氧UASB反应器制作了一个好氧升流式污泥床反应器,用纯氧曝气,培养出了好氧颗粒污泥。

 

可能是看到厌氧颗粒污泥那么好,于是依葫芦画瓢照着搞好氧颗粒污泥。但由于是纯氧曝气,能耗过高,难度较大,未能实现推广。

 

随后,慕尼黑大学的Morgenroth教授与代尔夫特理工大学的Mark vanLoosdrecht教授组成了联合研究组,分为两个小组分头开展研究。

 

Morgenroth组采用实际污水,MarkvanLoosdrecht教授组采用的是实验室合成污水。从颗粒污泥的培养速度来看,后者更快了一些。1997年,双方合作在《Water Research》发表文章,从而带来了好氧颗粒污泥里程碑式的发展。

 

随后,众多的学者与机构投入开展研究,带动了好氧颗粒污泥的进一步发展。

 

从好氧颗粒污泥的起源来看,我们可以整理出这样一条脉络:

 

发现活性污泥–发现厌氧污泥–厌氧反应器中找到了颗粒,颗粒很好效率很高–依葫芦画瓢搞好氧颗粒–调整路径培养好氧颗粒污泥成功。

 

二、好氧颗粒污泥的特点与形成机理

 

说了这么久好氧颗粒污泥的起源,那好氧颗粒污泥有什么好处让我们如此看重呢?

 

如前面提到的,厌氧技术一旦发展出颗粒污泥,就带来了技术的新生,相对负荷迅速从5提升至25,效率立马提升了5倍。

 

好氧颗粒污泥也如是。传统活性污泥法的污泥浓度一般在3000-5000mg/L范围,MBR工艺可将污泥浓度提升至8000-10000mg/L。而国外好氧颗粒污泥反应器中的污泥量一般大于10000mg/L,有的甚至能达到15000mg /L。

 

污泥浓度高,生物量大,处理效率就高。这是第一个特点。

 

另外,我们来看一下荷兰DHV公司Nereda工艺的好氧颗粒污泥剖面示意图:

 

 

一个颗粒污泥内部为缺氧/厌氧区,主要为反硝化菌和聚磷菌,外部为好氧区,主要为氨氧化菌和生物氧化菌群,就是说,同一位置上的同一颗粒,就可以起到脱氮除磷和降解有机物的作用,也就是说,一个颗粒就是一个同步脱氮除磷和降解有机物的反应器。这是第二个特点。

 

同时,生物自凝聚团聚成密实的球体(粒径一般在200μm-7mm之间呈正态分面,以0.6mm-1mm的颗粒居多,活性也最高),生物质密度和强度显著增高。

 

我们一般以SV30(即曝气池的泥水混合液在量筒中静止沉淀30分钟后,污泥所占的体积百分比)表现活性污泥的沉降性能,而颗粒污泥沉速极快,一般3-5分钟就可以沉降完毕。所以,对于好氧颗粒污泥的沉降性能,可以用SV8(即静止沉淀8分钟的污泥占比)来表示。

 

优秀的沉降性能使好氧颗粒污泥能高效沉淀,沉淀池也不用了,占地面积可以大幅度缩小。这是第三个特点。

 

生物浓度高,处理高效,占地面积小,结构还可以特别简单,能耗也就可以大幅降低,且化学药剂的使用量也很低。(怎么越说越妥妥地觉得,都是在说咱们VFL垂直流迷宫水处理技术?)

 

好氧颗粒污泥的好处主要就这些,当然,还有就是因为团聚成球,相对普通絮状污泥比较不容易老化、膨胀等。

 

前面说到颗粒污泥来自于生物自絮凝。就是说,菌菌们在水中游走,一旦相撞就倾向于紧紧拥抱,团结凝聚成一个力量强大的球体。

 

让人想起那首歌唱的:团结就是力量。

 

那么,我们如果能创造一个让菌菌们容易相撞相拥的环境,就能促进好氧颗粒污泥形成了。

 

如何能让菌菌们容易相撞呢?其实我们自己想想也可以想到一些因素,比如:

 

首先,我们都知道,人多,且挤,就容易相撞,菌菌们也是一样的。如果污泥浓度高,相撞相拥的概率就大,所以,影响污泥浓度的因素,比如有机负荷高低、曝气强度、温度高低等,都会影响颗粒污泥的形成。

 

其次,人多,且挤,还都在乱动,外部冲击力又强,就更容易相撞,菌菌们也是一样的。如果造成泥水的流动,通过反应器高径比(高度与直径的比率)形成较强的水力剪切力,提高曝气强度等,也会有效的促进颗粒污泥的形成。

 

最后,还有一个,又多又挤的人走100米,相对于只走1米,相撞的概率肯定又会大很多,菌菌们也是一样的。所以,泥水流径的长短也会影响颗粒污泥的形成。

 

综上所述,我们的第一条原则是:创造一条又长又挤的污泥通道,再通过内力外力的加压,促进微生物相撞并团聚成球。

 

我们再看一个好氧颗粒污泥的扫瞄电镜图:

 

 

绿色的EUB是指细菌总群,分布在颗粒各处;

 

红色的AOB是指氨氮氧化细菌,散落分布在颗粒外层;

 

蓝色的PAO是指聚磷菌,都分布在颗粒里层。

 

聚磷菌是厌氧菌,生长缓慢,但很稳定。

 

谈这个主要是想引出好氧颗粒污泥著名的“盛宴-饥饿”理论。

 

我们前面谈到代尔夫特理工大学的Mark教授,他关于好氧颗粒污泥的理论有下面几个要点:

 

首先,采用升流式厌氧进水,发展出厌氧的聚磷菌,并使这种生长缓慢而稳定的细菌逐渐形成一个核心。

 

其次,聚磷菌有储存物质的特性,厌缺氧是盛宴阶段,有很多食物,好氧是饥饿阶段,消耗氧化食物,前后两个阶段,有利于好氧颗粒污泥的成长。

 

并且,发展缓慢生长的细菌形成颗粒污泥的核心,这一关键环节的把握,可使培养出来的好氧颗粒污泥形成非常稳定,拿出来1-2个月都不会解体。如果以其他方式培养颗粒污泥,不到一个星期污泥就会解体。

 

那么我们的第二条原则是什么?就是,要根据颗粒污泥的内外菌种组成,有顺序的培养颗粒的菌种。也就是,就发展出始终在内部的厌氧菌种–聚磷菌,然后再让一般在外部的菌种,EUB、AOB啥的,慢慢趴上去,颗粒就易成型且稳定性高。

 

这个也好理解,试想,如果好氧菌种被挤在里面,缺氧,缺食物,很可能死掉,颗粒就容易空心,解体。

 

最后,还有一个沉速选择理论。

 

前面我们提到,颗粒污泥沉速极快,一般3-5分钟就可以沉降完毕。

 

我们也听到过,颗粒污泥都是在SBR或其变形(也就是间歇式反应器)中培养出来的,其实这个就是为了适应沉速选择。

 

系统运行的时候发展出颗粒污泥,系统间歇沉淀的时候把沉速快的颗粒污泥留下了,把沉不下的絮状污泥给淘汰走了,这样就使污泥颗粒化率越来越高。

 

并且,沉淀时间不能过长,太长则会把絮状污泥也沉下来了,起不到生物选择的作用。不过,刚开始培养的时候颗粒没几个,要是沉淀时间太短了就都给淘汰走了,所以,污泥培养期应采取逐步降低沉淀的方式,随着颗粒的增多调整沉淀时间。

 

所以,第三条原则是,像生物进化选择那样,通过沉速选择,把已经形成颗粒而沉得快的污泥留下,把形不成颗粒的逐渐淘汰,剩下的,就越来越都是颗粒污泥。

 

三、好氧颗粒污泥技术的工程化应用

 

目前,好氧颗粒污泥技术工程化应用最成功的是由荷兰Royal Haskoning DHV(中文简称“德和威”)公司实施的Nereda技术。Nereda技术就是来源于代尔夫特理工大学的研究成果。

 

据德和威公司中文网站的报道,截至2018年底,全球共有25家使用Nereda技术的全规模污水处理厂投入运营,并有64家正在建设或设计中。到目前应该又增加了一些。

 

Nereda工艺的第一个应用是处理荷兰Smilde Foods BV食品公司的奶酪废水,反应器由牛奶储罐改造而成,处理规模为250m³/d。Nereda工艺第一个市政污水应用是在南非的 Gansbaai污水处理厂。荷兰本土的Epe污水厂在2011年改造采用Nereda工艺后,立即成为荷兰全国能耗最低的市政污水厂。目前荷兰已经建成10多座此工艺的污水厂,好氧颗粒污泥法已经成为荷兰污水处理的主流方法。

 

设计规模最大的是为爱尔兰水务公司建造的 Ringsend污水处理厂改造项目,处理规模为600000m³/d,预计2021年完工投入运行。我们拭目以待,这么大规模的应用如能稳定运行,此工艺应没什么规模上的限制。

 

Royal HaskoningDHV在中国建立了德和威(北京)环境工程有限公司,该公司在2019年初与北京北控工业环保科技有限公司(简称“北控工业环保”)建立了合作关系。北控工业环保可用该技术对废水处理设施进行提标、扩容和改造。

 

虽然如此,目前国内也仅有一座使用Nereda技术的污水厂,就是去年11月通过竣工验收的浙江龙游县城南工业污水处理厂。该污水厂成为国内首座,也是亚洲首座使用Nereda好氧颗粒污泥技术的污水处理厂,日处理能力2万吨。

 

那么,我们国内的好氧颗粒污泥工艺研究是个什么状况呢?

 

近期,由北京首创股份有限公司、北京建筑大学与荷兰代尔夫特大学共同成立的中荷未来污水处理技术研发中心在河南南阳淅川实施了一项示范工程。

 

示范工程以淅川一座处理规模为1000m³/d的乡镇污水处理厂为基础,将4组CAST池中的1组改造为处理水量为500m³/d的AGS工艺。该项目经过几个月运行后,目前颗粒成型良好、稳定,在不投加药剂的情况下可达到一级A出水标准。

 

另外,中科大的俞汉青教授早在2003年于合肥朱专井污水处理厂建立了一座中试装置,开始介入好氧颗粒污泥的研究。目前应该暂无广泛的工程化应用。

 

四、VFL技术的颗粒化特性

 

前面我们提到,好氧颗粒污泥技术的很多特性跟咱们VFL垂直流迷宫技术很一致。

 

其实VFL技术所有的考虑,均是基于对生物细菌的理解,并根据细菌的需要,营造出一个适宜颗粒污泥形成的环境。我们结合VFL的结构示意图来看一下:

 

 

首先,VFL反应器厌、缺氧区内置竖向导流板,将反应器分隔成若干个串联的反应室,每个反应室都是一个相对独立的上下流式污泥床,形成了很长的流径,并营造出升流式的厌氧混合流(如上图中“1”所示),有利于先发展出厌氧的聚磷菌,并使其形成颗粒污泥的核心。结合盛宴-饥饿理论,这种结构有利于形成稳定的颗粒污泥。

 

其次,厌、缺氧区分隔成若干格,每一格都能形成较大高径比的反应室,使之具有很强的水力剪切力。以我们一个日处理规模为5000吨的项目为例,整个厌缺氧区分为80个反应室,每个反应室宽约2米,厌缺氧区有效水深(也就是高)约5.5米,因此,每个反应室的高径比均在2倍以上,形成强劲的水力剪切力,有利于颗粒污泥的大量形成。

 

最后,VFL采取间歇式运行模式,一般20分钟一个周期,曝气时间与间歇时间根据有机负荷浓度、污泥生长情况、溶解氧量等多种因素进行调整,间歇时间长的可达10分钟,短的可至4分钟,结合沉速选择理论,截留颗粒污泥,淘汰絮状污泥。

 

由于颗粒污泥的沉降性能,VFL同样省略了二沉池,沉淀池内置于好氧区(如上图中“3”所示)。以我们前面所述日处理规模5000吨的项目为例,沉淀池上部面积约377平米,整个组合池面积约1860余平米,沉淀池面积占组合池面积为5分之1,占整个厂区面积约18分之1,而一般活性污泥法二沉池的面积可占到污水厂总面积的30-50%。可谓切实实现了省地节能的目的。

 

放一张我们贵阳使用VFL技术的项目照片,其颗粒污泥肉眼可见,阳光下还可以看到其面上一层薄薄的清亮的上清液。

 

 

前面提到,颗粒越多工艺越优秀。VFL的颗粒化率、处理效率等有待进一步的对比实验。

 

总结

 

虽然理论与实践均证明好氧颗粒污泥是一个好东西,但要在国内广泛使用还是存在一些问题和难点。比如我们前面提到,污泥浓度有助于颗粒的形成,而我国市政污水的有机浓度普遍较低,很多时候都难以养出好泥,更别说超高生物浓度的颗粒污泥。不过,碳中和与生态文明建设已经成为重要的国家战略,我们乐观的期待行业与工艺的进一步发展。

 

来源:惟创环境 作者:杨智姬

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