好氧顆粒污泥在美國的當下和未來
【谷騰環保網訊】談論污水處理界的技術創新，好氧顆粒污泥(Aerobic Granular Sludge，簡稱AGS)是近幾年頗受關注的明星技術。與傳統活性污泥方法相比，好氧顆粒污泥有更好的沉降性能、更好的生物富集能力，以及更強的抗沖擊能力。
好氧顆粒污泥自發形成立體分層的微生物群落，包含聚磷菌(PAOs)、氨氧化菌(AOB)、亞硝酸鹽氧化菌(NOB)、反硝化異養菌，甚至還有厭氧氨氧化菌(anammox)。它的分層結構使得顆粒污泥通過底物擴散傳質作用形成好氧層、缺氧層以及厭氧層，實現COD以及氮磷的去除。好氧顆粒的形式大大改善了污泥的沉降性能，不需要生物絮凝來進行泥水分離。
在學界，雖然有不少有關好氧顆粒污泥的形成機理的研究，但尚未有統一的共識。流體動力學剪切、基于沉降速度的物理選擇、污泥與進水接觸過程的流態、溶解氧濃度、進料/停料比、進水成分、有機負載率，以及群體感應(quorum sensing)和胞外聚合物(EPS)的聚集都是曾被研究的因素。
盡管尚未有統一的理論共識，但這不妨礙工程師在過去幾年里對好氧顆粒污泥(AGS)的工程應用進行優化和革新，例如一年多前，小編就寫過一篇文章，和讀者們一起了解了瑞士的一個團隊是如何在傳統A2O工藝里培養出好氧顆粒污泥的。
除了荷蘭和瑞士，北半球的另一邊——美國，也有幾個地方的團隊在進行好氧顆粒污泥的研發。在本期《水星漫談》專欄里，我們來看看美國污水工程公司對好氧顆粒污泥有何心得分享。
好氧顆粒污泥在美國
當下的AGS工藝
大家應該都知道，好氧顆粒污泥 (AGS)的商業應用首先源自荷蘭的RoyalHaskoning公司，并且主要通過序批式反應器 (SBR)的形式實現。該公司為此工藝取名Nereda®，據稱全球如今已經積累了100個工程案例。這項工藝在美國的許可權授予了Aqua-Aerobic Systems公司，后者對該專利工藝取名AquaNereda®。
為了實現污水處理的連續運行，一般污水廠會設置至少3個并聯的SBR反應池，每個反應池都包含進水(fill-draw)、曝氣/反應(aerate/react)和沉淀(沉淀)的工作過程。當然實際的反應池數量和池容取決于平均和峰值進水流量和負荷，以及廠區的可用占地空間。
目前好氧顆粒污泥在美國的案例的進水流量一般小于20000m³/天。正如上邊所說，受到SBR工藝的原理限制，要在更大規模的污水廠應用Nereda或者AquaNereda工藝，需要更大或更多的反應池，這也意味著更多的配套管道和輔助設備，控制的復雜性也隨之增加。這也許就是目前沒有更大規模的工程案例投產運行的原因之一。
但另一方面，隨著業界越來越多人認識到好氧顆粒污泥工藝的優點，以及技術供應商經驗的積累，好氧顆粒污泥的全球業績正在逐步上漲。美國的Corallo公司在2022年就對此工藝進行過內部評估，他們認為符合以下條件的污水廠適合選用基于SBR的好氧顆粒污泥工藝：
· 日處理量小于90000m³/天(20mgd)；
· 污水廠屬于綠地新建類型；
· 污水廠采用非傳統活性污泥法，例如滴濾池、瀉湖(lagoons)；
· 污水廠雖然采用活性污泥法，但相關設備可以停用，并且能有地方在棄置的曝氣池和沉淀池旁新建SBR反應池；
· 運行人員有能力應對并聯式SBR工藝的復雜性及日常維護。
隨著案例的積累，基于SBR的好氧顆粒污泥工藝也有了一些創新優化，例如：
01 顆粒接觸穩定化
通過減少曝氣量，AGS工藝可以應對由于暴雨導致的增加的峰值流量。這確保顆粒污泥在高溢流率下得以保留，確保出水達標排放。
02 具有恢復力的顆粒選擇
在 SBR工藝中，非顆粒的絮狀污泥會隨溢流排出。旋流分離器可以挑選出沉降性能最佳的顆粒污泥并回流到反應池中。
03 A段好氧顆粒污泥
在 AGS 的進水階段創造厭氧區下，處于饑餓(starved)狀態的顆粒污泥有能力吸附大量BOD。這部分BOD可以轉化成沼氣。
未來的AGS工藝
活性污泥法至今已有100多年歷史，小編在此前也介紹過，活性污泥法的原型就是一個間歇式的生化過程，隨著時間演變才變成如今常見的推流式的連續多反應池模式。與間歇式工藝相比，連續式的反應池構造的建造成本更低，并且有更大的處理能力。
過去幾年，隨著工藝工程師對好氧顆粒污泥形成機制認識的加深，我們看到越來越多連續式的主流AGS的案例，例如Brown and Caldwell公司在科羅拉多州Pueblo城的JD再生水廠(James R. Dilorio Water Reclamation Facility)的案例。
美國的Corallo公司則認為，要在推流式反應池的構造中還原SBG工藝的原理，需要創造以下條件：
1. 厭氧吸附區——進水先通過基質充裕階段的“飽食”(feast conditions) 區域，這里的顆粒污泥處于靜置和饑餓的狀態；
2. 厭氧/好氧交替區——這是一個基質匱乏的“饑餓”(famine)區域，提供溫和混合，有助造粒；
3. 重復飽食-饑餓的循環；
4. 旋流分離器——位于反應池末端，截留的污泥顆粒回流到厭氧吸附區。
除了上述的Brown and Caldwell和Corallo，美國還有其他公司和污水廠在進行主流好氧顆粒污泥的測試研發，感興趣的讀者可以通過留言或者私信和我們進行進一步的交流。
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