Nereda好氧顆粒污泥工藝的脫氮除磷性能及工程實(shí)例

Nereda®工藝是一種成熟可靠的應(yīng)用于污水生化處理的好氧顆粒污泥技術(shù)。憑借Nereda®反應(yīng)器的特殊內(nèi)件及運(yùn)行周期，Nereda®工藝具有同時(shí)脫氮除磷的優(yōu)異性能。以荷蘭3座應(yīng)用Nereda®技術(shù)的市政污水廠（Epe，Utrecht和Garmerwolde污水廠）為工程案例，詳細(xì)介紹了它們的概況以及實(shí)際的脫氮除磷運(yùn)行表現(xiàn)。最后總結(jié)了Nereda®技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)以及應(yīng)用方面的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

在水環(huán)境保護(hù)要求日趨嚴(yán)格的背景下，全國(guó)多地如江蘇、浙江、安徽、云南、廣東、河北等重點(diǎn)區(qū)域以及流域相繼頒布和實(shí)施了嚴(yán)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)的地方標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)的頒布和實(shí)施均對(duì)污水處理廠的處理能力提出了更高要求，尤其是出水氮和磷的排放標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)格。因此，同時(shí)具備脫氮除磷功能的污水處理工藝是高排放標(biāo)準(zhǔn)污水廠的必然選擇。

Nereda®工藝屬于好氧顆粒污泥（AGS）工藝的一種，是荷蘭斯康寧DHV公司與荷蘭代爾夫特理工大學(xué)于20世紀(jì)90年代開(kāi)始研發(fā)的具有優(yōu)異的脫氮除磷性能的新型水處理工藝。至2022年初，在歐洲、非洲、澳大利亞、北美和南美洲，已運(yùn)行的Nereda®工藝污水處理設(shè)施已有50多座，總處理能力超過(guò)1300萬(wàn)人口當(dāng)量（約260×104m3/d）。在已建成投運(yùn)的項(xiàng)目中，不乏日處理能力數(shù)萬(wàn)乃至數(shù)十萬(wàn)噸的大型污水處理廠，這表明該工藝可以應(yīng)用于不同規(guī)模的市政污水和工業(yè)廢水處理廠。目前，該工藝已進(jìn)入中國(guó)并建成了全規(guī)模的污水處理廠。pH做為基本的污水指標(biāo)，勢(shì)必成為供求的熱點(diǎn)，這對(duì)廣大的E-1312 pH電極，S400-RT33 pH電極制造商，比如美國(guó)BroadleyJames來(lái)說(shuō)是個(gè)重大利好。美國(guó)BroadleyJames做為老牌的E-1312 pH電極，S400-RT33 pH電極制造商，必將為中國(guó)的環(huán)保事業(yè)帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。我們美國(guó)BroadleyJames生產(chǎn)的E-1312 pH電極，S400-RT33 pH電極經(jīng)久耐用，質(zhì)量可靠，測(cè)試準(zhǔn)確，廣泛應(yīng)用于各級(jí)環(huán)保污水監(jiān)測(cè)以及污水處理過(guò)程。

與采用絮狀污泥的傳統(tǒng)活性污泥法或生物膜系統(tǒng)不同，Nereda®工藝中處理污水的微生物在不需要載體的情況下，可自發(fā)聚集為顆粒狀污泥。由于好氧顆粒污泥的體積較大，氧和水中的物質(zhì)無(wú)法全部進(jìn)入和滲透到顆粒的核心，因而在顆粒徑向上形成了濃度梯度。例如，越靠近污泥表面，氧濃度越高，在表面附近形成富氧區(qū)；向里則構(gòu)成缺氧區(qū)乃至逐步過(guò)渡到核心的厭氧區(qū)。在不同分區(qū)中，存在著各自的優(yōu)勢(shì)微生物種群，這已被熒光原位雜交分析所證實(shí)。上述好氧顆粒污泥的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，使其在一個(gè)顆粒污泥上，即可達(dá)成COD、BOD5和氮、磷的同時(shí)高效去除。

相關(guān)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)，通過(guò)控制“豐盛-饑餓"、溶解氧的飽和度、進(jìn)水模式等方式可以優(yōu)化好氧顆粒污泥工藝的脫氮除磷性能。為此結(jié)合Nereda®工藝的運(yùn)行模式，闡釋了好氧顆粒污泥的脫氮除磷性能優(yōu)異的原因，同時(shí)結(jié)合荷蘭的3個(gè)典型工程案例，進(jìn)一步分析了Nereda®工藝實(shí)際的脫氮除磷表現(xiàn)，以供參考。

01 Nereda®工藝的脫氮除磷性能

1.1 脫氮除磷基本過(guò)程

相關(guān)熒光原位雜交分析已經(jīng)證實(shí)，好氧顆粒最外層主要分布著硝化菌，顆粒內(nèi)部主要含聚磷菌、反硝化菌、聚糖菌等，這些菌群在傳統(tǒng)活性污泥系統(tǒng)中也同樣存在。由代爾夫特理工大學(xué)提供的好氧顆粒污泥與活性污泥中的微生物種群分布如圖1所示。

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對(duì)于傳統(tǒng)活性污泥和好氧顆粒污泥工藝去除生物營(yíng)養(yǎng)物的過(guò)程而言，上述不同功能菌群發(fā)生的生化反應(yīng)基本是相同的。具體而言，聚磷菌在厭氧進(jìn)水期間將易生物降解的COD轉(zhuǎn)化為糖原或聚-β-羥丁酸（PHB）儲(chǔ)存，并釋放出磷酸鹽，而在曝氣期間聚磷菌使用儲(chǔ)存的PHB作為碳源并吸收厭氧期間釋放的磷酸鹽，同時(shí)硝化菌將氨氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮。當(dāng)系統(tǒng)處于缺氧階段時(shí)，反硝化菌將硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氮?dú)?，完成反硝化過(guò)程。

1.2 Nereda®工藝的運(yùn)行模式

與傳統(tǒng)活性污泥工藝不同的是，Nereda®工藝在培養(yǎng)出具有良好沉降性能的好氧顆粒污泥的同時(shí)，對(duì)廢水中的COD、氮和磷也具有顯著的去除效果。主要的原因在于其特殊的運(yùn)行模式（見(jiàn)圖2）和污泥篩選機(jī)制。

①同時(shí)進(jìn)水和出水在進(jìn)水階段，來(lái)水自反應(yīng)器的底部進(jìn)入，并通過(guò)特殊的布水內(nèi)件在接近柱塞流流態(tài)下穿過(guò)沉降的顆粒污泥床層。由于進(jìn)水為柱塞流的流態(tài)，反應(yīng)器頂端的經(jīng)上一周期處理并凈化好的水與底部進(jìn)入的污水之間沒(méi)有摻混，使得經(jīng)過(guò)處理的污水能夠被置換（或者說(shuō)“推出"）而成為出水；由此反應(yīng)器在出水的同時(shí)也在不斷進(jìn)水。不同于傳統(tǒng)的SBR工藝，Nereda®反應(yīng)器使用的是靜態(tài)固定潷水器而非移動(dòng)潷水器，且可以同時(shí)進(jìn)水和出水，不需要單獨(dú)設(shè)置耗時(shí)的潷水階段。另外，潷水過(guò)程中反應(yīng)器水位固定，也避免了傳統(tǒng)SBR系統(tǒng)水位變化造成的水頭“浪費(fèi)"。

②曝氣所有的生物處理過(guò)程幾乎都發(fā)生在曝氣反應(yīng)階段，通常采用微孔曝氣工藝。由于顆粒污泥體量較大，在其結(jié)構(gòu)內(nèi)會(huì)產(chǎn)生氧濃度梯度，顆粒污泥最外層的有機(jī)污染物被高效氧化，同時(shí)硝化細(xì)菌也聚集在顆粒外層，將氨氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮。硝化產(chǎn)生的硝態(tài)氮擴(kuò)散到顆粒內(nèi)部的缺氧層后會(huì)發(fā)生反硝化反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)脫氮；此外，超常的生物吸磷過(guò)程也同時(shí)發(fā)生。

③快速沉降在這個(gè)階段，顆粒污泥與處理過(guò)的污水會(huì)實(shí)現(xiàn)泥水分離。由于顆粒污泥優(yōu)異的沉降特性，因此所需的沉降時(shí)間很短，通常為5～30min。泥水分離后，將曝氣階段生長(zhǎng)和積累而形成的剩余污泥排出系統(tǒng)。

1.3Nereda®工藝的脫氮除磷特點(diǎn)Nereda®系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行采用的是序批式SBR模式，但Nereda®工藝是專門為了培養(yǎng)好氧顆粒污泥而設(shè)計(jì)的，因此有著與眾不同的特點(diǎn)。

首先，從微生物學(xué)角度，Nereda®工藝的設(shè)計(jì)充分利用了“豐盛-饑餓"機(jī)制，即厭氧-好氧交替的運(yùn)行機(jī)制，篩選出了慢速生長(zhǎng)的聚磷菌。通常Nereda®工藝的厭氧進(jìn)水時(shí)間較長(zhǎng)，一般為0.6～2.0h。較長(zhǎng)的厭氧時(shí)間可確保進(jìn)水階段所有易降解COD都能轉(zhuǎn)化為聚羥基脂肪酸（PHA），即儲(chǔ)存在微生物體內(nèi)的慢速可生物降解的聚合物。當(dāng)進(jìn)入曝氣階段后，微生物將主要利用內(nèi)部?jī)?chǔ)存的生物聚合物進(jìn)行好氧代謝，如此會(huì)降低細(xì)菌的生長(zhǎng)速率。而較低的生長(zhǎng)速率會(huì)使顆粒污泥的生長(zhǎng)更慢、更密實(shí)，因此維持顆粒污泥光滑的表面只需更小的剪切力。如此，培養(yǎng)出的好氧顆粒污泥將更加穩(wěn)定。

其次，從Nereda®工藝系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的表現(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，依托于反應(yīng)器在線儀表如溶解氧（DO）、氨氮、硝酸鹽等監(jiān)測(cè)儀，通過(guò)靈活地優(yōu)化曝氣階段和缺氧階段的時(shí)間，以及改變曝氣系統(tǒng)的DO設(shè)定點(diǎn)等手段，可以調(diào)節(jié)生化系統(tǒng)的硝化與反硝化能力。在曝氣過(guò)程中，氨氮被轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，由于顆粒中存在固有的氧梯度，微生物將利用外部的COD使一部分硝態(tài)氮在顆粒內(nèi)部的缺氧區(qū)發(fā)生反硝化反應(yīng)，此為同時(shí)硝化反硝化過(guò)程。此外，相關(guān)研究還證實(shí)聚磷菌和聚糖菌在厭氧情況下儲(chǔ)存的生物聚合物也可充當(dāng)反硝化過(guò)程中的電子供體。同時(shí)，在好氧條件下，聚磷菌將磷酸鹽儲(chǔ)存為聚磷化合物，從而實(shí)現(xiàn)反硝化和磷酸鹽去除的雙重功能。因此Nereda®工藝可以減輕聚磷菌與反硝化菌對(duì)進(jìn)水COD的競(jìng)爭(zhēng)，節(jié)省COD的消耗，使更多的COD用于反硝化，從而提高氮的去除率。只要維持缺氧條件，聚磷菌就不會(huì)在液體中釋放磷酸鹽，這將使出水中的磷濃度也較低。