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1、碳中和低能耗技术好氧颗粒污泥实现污水厂的“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
2、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。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，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
3、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
4、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）
5、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
6、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
7、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。Morgenrot
8、h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：发现活性污泥一发现厌氧污泥一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
9、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:富氧区，,生物氧化有机物（BOD5t COD）氯氮SI化磷酸根的去除（吸磷）缺氧/厌氧区；家化态氮XNOx席化为氮气磷酸根的去除（释磷）一个
10、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200um-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
11、，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
12、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
13、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:，同却脱旗除磷奸轼段粒为泥强房LMM油溢绿色的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
14、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一聚磷菌，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
15、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
