Nereda好氧顆粒污泥工藝的脫氮除磷性能及工程實例

Nereda好氧顆粒污泥工藝的脫氮除磷性能及工程實例

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)點以及應(yīng)用方面的競爭優(yōu)勢。

在水環(huán)境保護(hù)要求日趨嚴(yán)格的背景下，全國多地如江蘇、浙江、安徽、云南、廣東、河北等重點區(qū)域以及流域相繼頒布和實施了嚴(yán)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級A標(biāo)準(zhǔn)的地方標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)的頒布和實施均對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1300萬人口當(dāng)量（約260×104m3/d）。在已建成投運(yùn)的項目中，不乏日處理能力數(shù)萬乃至數(shù)十萬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)，勢必成為供求的熱點，這對廣大的E-1312 pH電極，S400-RT33 pH電極制造商，比如美國BroadleyJames來說是個重大利好。美國BroadleyJames做為老牌的E-1312 pH電極，S400-RT33 pH電極制造商，必將為中國的環(huán)保事業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。我們美國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，測試準(zhǔn)確，廣泛應(yīng)用于各級環(huán)保污水監(jiān)測以及污水處理過程。

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)勢微生物種群，這已被熒光原位雜交分析所證實。上述好氧顆粒污泥的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，使其在一個顆粒污泥上，即可達(dá)成COD、BOD5和氮、磷的同時高效去除。

相關(guān)實驗已經(jīng)證實，通過控制“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，同時結(jié)合荷蘭的3個典型工程案例，進(jìn)一步分析了Nereda®工藝實際的脫氮除磷表現(xiàn)，以供參考。

01 Nereda®工藝的脫氮除磷性能

1.1 脫氮除磷基本過程

相關(guān)熒光原位雜交分析已經(jīng)證實，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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對于傳統(tǒng)活性污泥和好氧顆粒污泥工藝去除生物營養(yǎng)物的過程而言，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）儲存，并釋放出磷酸鹽，而在曝氣期間聚磷菌使用儲存的PHB作為碳源并吸收厭氧期間釋放的磷酸鹽，同時硝化菌將氨氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮。當(dāng)系統(tǒng)處于缺氧階段時，反硝化菌將硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氮?dú)猓瓿煞聪趸^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，對廢水中的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（見圖2）和污泥篩選機(jī)制。

①同時進(jìn)水和出水在進(jìn)水階段，來水自反應(yīng)器的底部進(jìn)入，并通過特殊的布水內(nèi)件在接近柱塞流流態(tài)下穿過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)入的污水之間沒有摻混，使得經(jīng)過處理的污水能夠被置換（或者說“推出"）而成為出水；由此反應(yīng)器在出水的同時也在不斷進(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潷水器，且可以同時進(jìn)水和出水，不需要單獨(dú)設(shè)置耗時的潷水階段。另外，潷水過程中反應(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)部的缺氧層后會發(fā)生反硝化反應(yīng)，實現(xiàn)脫氮；此外，超常的生物吸磷過程也同時發(fā)生。

③快速沉降在這個階段，顆粒污泥與處理過的污水會實現(xiàn)泥水分離。由于顆粒污泥優(yōu)異的沉降特性，因此所需的沉降時間很短，通常為5～30min。泥水分離后，將曝氣階段生長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Nereda®系統(tǒng)的設(shè)計和運(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)計的，因此有著與眾不同的特點。

首先，從微生物學(xué)角度，Nereda®工藝的設(shè)計充分利用了“豐盛-饑餓"機(jī)制，即厭氧-好氧交替的運(yùn)行機(jī)制，篩選出了慢速生長的聚磷菌。通常Nereda®工藝的厭氧進(jìn)水時間較長，一般為0.6～2.0h。較長的厭氧時間可確保進(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)部儲存的生物聚合物進(jìn)行好氧代謝，如此會降低細(xì)菌的生長速率。而較低的生長速率會使顆粒污泥的生長更慢、更密實，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)測儀，通過靈活地優(yōu)化曝氣階段和缺氧階段的時間，以及改變曝氣系統(tǒng)的DO設(shè)定點等手段，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)，此為同時硝化反硝化過程。此外，相關(guān)研究還證實聚磷菌和聚糖菌在厭氧情況下儲存的生物聚合物也可充當(dāng)反硝化過程中的電子供體。同時，在好氧條件下，聚磷菌將磷酸鹽儲存為聚磷化合物，從而實現(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進(jìn)水COD的競爭，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，聚磷菌就不會在液體中釋放磷酸鹽，這將使出水中的磷濃度也較低。