原创论文|Nereda好氧颗粒污泥工艺的脱氮除磷性能及工程实例

摘要： ® 工艺是一种成熟可靠的好氧颗粒污泥污水生化处理技术，由于 ® 反应器特殊的内件和运行周期， ® 工艺在同时脱氮除磷方面具有优异的性能。以荷兰三家采用 ® 工艺的城市污水厂（Epe、污水厂）为工程案例，详细介绍了 ® 工艺的概况和实际脱氮除磷效果，最后总结了 ® 工艺的优势及其在实际应用中的竞争优势。

吴志明，硕士，工程师，主要从事水污染控制工艺设计。

在水环境保护要求日益严格的背景下，我国江苏、浙江、安徽、云南、广东、河北等多个重点区域和流域相继颁布实施了严于《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）一级A标准的地方标准。这些标准的颁布实施对污水处理厂的处理能力提出了更高的要求，特别是出水氮、磷的排放标准更加严格。因此，兼具脱氮、除磷功能的污水处理工艺是高排放标准污水处理厂的必然选择。

®工艺是一种好氧颗粒污泥（AGS）工艺，是荷兰Royal DHV公司和荷兰代尔夫特理工大学自20世纪90年代以来开发的一种脱氮除磷性能优异的新型水处理工艺。截至2022年初，欧洲、非洲、澳洲、北美洲和南美洲共有50多座®工艺污水处理设施投入运行，总处理能力超过1300万人口当量（约260×104m3/d）。在已建成投产的项目中，不乏日处理能力上万甚至数十万吨的大型污水处理厂，说明该工艺可应用于不同规模的市政污水和工业废水处理厂。目前该工艺已进入中国并建成全规模污水处理厂。

与传统活性污泥法或生物膜系统采用的絮状污泥不同，®工艺中处理污水的微生物不需要载体，就能自发聚集成颗粒污泥。由于好氧颗粒污泥的体积较大，水中的氧气和物质不能全部进入并渗透到颗粒核心，从而在颗粒径向形成浓度梯度。例如，越靠近污泥表面，氧气浓度越高，在表面附近形成富氧区；向内则形成缺氧区，甚至在核心处逐渐过渡到厌氧区。在不同的分区中，存在着各自的优势微生物种群，这已通过荧光原位杂交分析得到证实。上述好氧颗粒污泥的结构和独特性质使其能够在一块颗粒污泥中同时实现对COD、BOD5、氮和磷的高效去除。

相关试验证实，通过控制“丰度-饥饿度”、溶氧饱和度、进水方式等可以优化好氧颗粒污泥工艺的脱氮除磷性能。为此，结合®工艺的运行方式，阐述好氧颗粒污泥脱氮除磷性能优异的原因。同时，结合荷兰3个典型工程案例，进一步分析®工艺的实际脱氮除磷性能，以供参考。

® 工艺脱氮除磷

1.1 脱氮除磷基本过程

相关荧光原位杂交分析已证实，好氧颗粒污泥的最外层主要分布有硝化细菌，颗粒污泥内部主要含有聚磷菌、反硝化菌和聚糖菌，这些细菌在传统活性污泥系统中也存在。代尔夫特理工大学提供的好氧颗粒污泥和活性污泥中微生物种群分布如图1所示。

图1 好氧颗粒污泥和活性污泥中微生物种群分布示意图

对于传统活性污泥法和好氧颗粒污泥法去除生物营养物的过程，上述不同功能菌的生化反应基本相同。具体为：在厌氧进水阶段，聚磷酸盐菌将易生物降解的COD转化为糖原或聚β-羟基丁酸酯（PHB）储存并释放磷酸盐；而在曝气阶段，聚磷酸盐菌利用储存的PHB作为碳源并吸收厌氧阶段释放的磷酸盐；硝化菌则将氨氮转化为硝酸盐氮；当系统处于缺氧阶段时，反硝化菌将硝酸盐转化为氮气，完成反硝化过程。

1.2 ® 工艺运行模式

与传统活性污泥法不同，®工艺不仅培养出沉降性能良好的好氧颗粒污泥，而且对废水中的COD、氮、磷等有明显的去除效果，主要原因在于其特殊的运行方式（见图2）和污泥筛选机制。

图 2 工艺循环

①同时进水、出水

在进水阶段，来水从反应器底部进入，通过特殊的布水内件，以接近柱塞流的流动状态穿过已沉淀的颗粒污泥床。由于进水为柱塞流的流动状态，反应器顶部上一周期已处理净化的水与底部进入的污水不发生混合，处理后的污水被置换（或“推出”）成为出水；这样，反应器在出水的同时，也在不断进水。与传统SBR工艺不同，®反应器采用静态固定滗水器代替移动滗水器，可同时进出水，无需单独设置耗时的滗水阶段。此外，滗水过程中反应器的水位是固定的，也避免了传统SBR系统因水位变化而造成的水头“浪费”。

② 曝气

几乎所有的生物处理过程都发生在曝气反应阶段，通常采用微孔曝气技术。由于颗粒污泥的体积很大，其结构中会产生氧浓度梯度，颗粒污泥最外层的有机污染物被高效氧化，硝化细菌也聚集在颗粒外层，将氨氮转化为硝态氮。硝化产生的硝态氮扩散到颗粒内部的缺氧层后，会发生反硝化反应，实现脱氮；此外，还同时发生异常的生物吸磷过程。

③ 沉淀速度快

在此阶段，颗粒污泥与处理后的污水将分离。由于颗粒污泥具有优良的沉降特性，所需的沉降时间很短，通常为5至30分钟。泥水分离后，曝气阶段生长、积累形成的剩余污泥被排出系统。

1. ®工艺脱氮除磷特点

® 系统的设计和运行采用序批式反应器（SBR）模式，但 ® 工艺是专门针对好氧颗粒污泥的培养而设计的，因此具有独特的特点。

首先从微生物角度，®工艺的设计充分利用了“丰度-饥饿”机制，即厌氧-好氧交替操作机制，选用生长缓慢的聚磷酸盐菌。通常®工艺厌氧进水时间较长，一般为0.6~2.0小时。较长的厌氧时间保证进水阶段易降解的COD全部转化为多羟基脂肪酸（PHA），即微生物体内储存的缓慢生物降解的聚合物。进入曝气阶段，微生物将主要利用内部储存的生物聚合物进行有氧代谢，这会降低细菌的生长速度。较低的生长速度会使颗粒污泥生长得更慢、更致密，因此需要较小的剪切力来维持颗粒污泥表面的光滑。这样培养出来的好氧颗粒污泥就会更稳定。

其次，从®工艺系统的实际运行情况可以发现，依托反应器在线仪表如溶解氧（DO）、氨氮、硝酸盐等监测仪，可以通过灵活优化曝气阶段和缺氧阶段的时间，改变曝气系统的DO设定点来调节生化系统的硝化反硝化能力。在曝气过程中，氨氮转化为硝酸盐，由于颗粒内固有的氧梯度，微生物会利用外界的COD使一部分硝酸盐氮在颗粒内部的缺氧区发生反硝化，这是一个同时硝化反硝化的过程。此外，相关研究也证实，厌氧条件下聚磷菌和多糖菌储存的生物聚合物在反硝化过程中也能作为电子供体，同时在好氧条件下，聚磷菌将磷酸盐储存为聚磷酸盐化合物，从而达到反硝化和除磷的双重作用。因此，®工艺可以减少聚磷酸盐菌和反硝化菌对进水COD的竞争，节省COD消耗，利用更多的COD进行反硝化，从而提高脱氮效果。只要保持缺氧条件，PAO就不会在液体中释放磷酸盐，从而导致出水中P浓度较低。

此外，好氧颗粒污泥的粒径、来水中有机物种类也会影响氮、磷的去除，一定程度上，颗粒越大，反硝化效率越高，但氨氮的氧化速率不受粒径影响。

相关实验及中试结果表明，以聚磷酸盐菌为主的颗粒体积较大、密度较大，由于其沉降速度较快，具有滞留在反应器底部的优势。由于进水以推流方式从反应器底部进入，明显底部颗粒具有更多的可利用底物，聚磷酸盐菌比聚磷酸盐菌接触到更多比例的可利用碳源。通过在反应器特定高度设置排泥点，并控制排泥操作，可使聚磷酸盐菌群的污泥停留时间低于以聚磷酸盐菌为主的颗粒污泥，导致聚磷酸盐菌随时间推移被淘汰出系统。因此，以聚磷酸盐菌为主的好氧颗粒污泥系统具有更优的生物除磷能力。

项目运营业绩

2.1 荷兰Epe污水处理厂

Epe污水处理厂是荷兰第一座全面采用®技术的市政污水处理厂。依靠四年的中试论证，该厂最终于2010年设计建成，并于2011年正式投入运行。图3是Epe污水处理厂鸟瞰图。

图3 Epe污水处理厂鸟瞰图

Epe污水处理厂主要处理工艺流程如图4所示，污水先经格栅、隔油沉砂池，经3个®反应器净化后进入重力砂滤池，过滤后直接排放。®反应器设计平均处理能力为/d，峰值小时流量为/h。

图4®EPE污水处理厂工艺流程

自2011年9月投入运行以来，经过4个月，®系统进水量已达到设计流量的100%。在启动期间，®反应器内逐渐积累了颗粒污泥。值得注意的是，污泥“颗粒化”过程在冬季的一段时间内发生过，当时污水的平均温度在10℃以下。

监测结果证实，自投入使用以来，®技术的使用使原污水厂的处理能力增加了一倍，且®的性能超出预期，出水水质达到荷兰最高标准，总氮和总磷浓度分别低于5毫克/升和0.3毫克/升。收集了污水处理厂2020年1月至12月的运行数据，结果见表1。

表1 Epe污水处理厂设计出水水质及运行数据

毫克·L-1

由表1可知，出水总氮平均为2.5mg/L，出水总磷平均为0.2mg/L，均满足出水氮、磷指标要求，且出水总氮明显优于设计要求。

此外，由于污水处理厂还接收约35%的屠宰废水，进水特性和负荷波动较大，尤其是进水pH值的波动较大（pH值接近10），但®系统仍然表现出良好的稳定性和抗冲击性。在与原有传统活性污泥系统并行的中试运行中发现，高pH值会导致传统活性污泥系统的硝化功能完全丧失，需要数周时间才能恢复，而接收相同进水的®中试装置经过几个运行周期后，可以在1~2天内恢复正常运行。

2.2 荷兰污水处理厂

该污水处理厂是荷兰迄今为止建成的规模最大的采用 ® 工艺的污水处理厂，日均流量1.33立方米/日，峰值流量1.37立方米/小时。该厂于2017年进行升级改造，2018年正式投入运营。原污水处理厂采用传统活性污泥法，仅沉淀池就有14个，改造后只需6组 ® 反应器和不到40%的占地面积就能处理同样的水量。由于 ® 工艺占地面积紧凑，因此可以在原曝气池和沉淀池左侧的有限区域建设新的 ® 处理系统，如图5所示。 ® 工艺系统启动后，原曝气池和沉淀池被拆除，空出的区域交还给社区作为自然教育中心使用。

图 1. WWTP® 系统和原始处理系统的鸟瞰图。

污水处理厂工艺流程如图6所示。

图® 污水处理厂工艺流程

污水处理厂新建的®系统共设6个圆形池，每个池容量直径46m，深度7.3m，设计水温10-24℃。此外，®系统还包括一个进水缓冲池、两个500m3预浓缩污泥缓冲池和一个出水缓冲池。

在不投加任何化学药剂的情况下，该污水处理厂出水中的总氮和总磷分别低于5毫克/升和0.5毫克/升（见表2），比原活性污泥系统出水相应指标降低了50%，出水可直接排入厂区附近的河流。正是由于上述®系统占地面积小、生物脱氮除磷能力强，该污水处理厂在运行仅一年后就荣获了国际水情报（GWI）平台颁发的“2019年度最佳污水处理项目”奖。

表1 污水处理厂设计出水水质及运行数据

毫克·L -1

2.3 荷兰污水处理厂

荷兰污水处理厂于2005年改建为AB两级活性污泥系统，后来因无法达到要求的营养物去除目标及增加水处理量的需求，需要对污水处理厂进行升级改造。荷兰当地水务局最终选择®技术作为生化处理工艺，在扩大处理能力的同时提高脱氮除磷能力。

荷兰Royal DHV公司提供的解决方案是新建两座®反应器和一座进水缓冲池，与原有AB系统并行运行。2013年启动升级改造项目，新建两座直径为41m的®反应器，处理约41%的进水，但占地面积却小于原有AB处理系统的25%（澄清池直径为48m）。污水厂®系统和AB系统平面布置图如图7所示。

图 2. 废水处理厂® 系统和 AB 系统的布局

®系统于2014年正式投入运行，处理水量已超过总水量的50%，平均处理量为104.4×104.4m3/d，具体工艺流程见图8。

图® 污水处理厂工艺流程

®反应器的启动主要包括两个阶段：第一阶段为颗粒化阶段，第二阶段为处理效率提升阶段。

一期：调试期间，出水TN、TP要求分别小于15mg/L、1mg/L，因此此期污水系统进水负荷需根据出水指标及时调整，以满足出水排放要求。运行3个月后，系统流量达到设计要求，TN、TP、COD去除趋于稳定。通过系统的生物反应，总磷可完全去除，TN、TP满足上述出水要求。

第二阶段：经过第一阶段的启动期，已形成坚实致密的颗粒床（MLSS>8g/L），并能长期保持稳定。5分钟污泥体积指数SVI可达45mL/g。80%以上的颗粒污泥粒径>0.2mm，60%以上的颗粒污泥粒径>1mm。启动后，®系统出水平均TN、TP值分别为6.9、0.9mg/L，各项指标均满足出水要求。二期即2014年3月至12月进出水平均值见表3。同一运行期内，当投加大量反硝化碳源、混凝剂及改善污泥性质的磷铁盐时，传统AB系统出水平均TN、TP值分别为9.9、0.9mg/L。

表1 污水处理厂运行数据

毫克·L -1

值得注意的是，上述®工艺运行过程中，氮、磷浓度偶尔会超过平均值，这是因为暴雨造成的进水和营养物浓度比干旱天气高出2~5倍（即“首次冲洗”效应）。但在暴雨期间，通过将®系统循环时间由390 min缩短至180 min，并加入少量铁盐除磷剂[Fe(III)/P物质的摩尔比为0.18]，系统可维持90%的总磷去除率。

此外，2014年的运行数据显示，® 系统（包括中间泵）的运行能耗比AB系统低约50%。与AB系统的高昂化学成本相比，® 系统几乎不需要添加额外的化学品。此外，化学品的添加也导致AB系统的污泥产量几乎是® 系统的两倍。因此，® 系统的总运行成本（能耗、化学品、污泥处理等）明显低于传统工艺。

结论

通过®反应器特殊的内部结构和独特的运行方式，可以培养出以生长缓慢的聚磷酸盐或多糖菌为主的好氧颗粒污泥，这种颗粒结构致密，沉降性好，能够长时间稳定。另外，由于好氧颗粒污泥特殊的三维空间层状结构，使得®工艺具有同时高效去除COD、氮、磷等营养物质的能力。从荷兰的三个典型工程案例来看，®工艺在实际污水处理运行中具有优异的脱氮除磷性能。同时也显示出®工艺具有传统污水处理工艺无法比拟的优势，如占地面积小、耐冲击负荷能力强、运行费用低、运行方式灵活、处理效果好等，可以很好地解决现有污水处理厂土地资源紧张和急需扩大处理能力的问题。对于土地资源紧张的地区，无论是新建，还是扩建（改建），®工艺都具有无可比拟的竞争优势。

本文全文发表于《中国给水排水》2022年第22期，作者及单位如下：

® 好氧颗粒污泥工艺脱氮除磷性能及工程实例

吴志明1、陈雪春1、赵欣2、刘洋2

（1.德和威环境工程有限公司，北京；2.哈斯科宁工程咨询有限公司，上海）

标准描述格式：

吴志明, 陈学春, 赵欣, 等. 好氧颗粒污泥工艺脱氮除磷性能及工程实例[J]. 中国给水排水, 2022, 38(22): 16-21.

,,,等.并通过®[J].中国水利水电,2022,38(22):16-21（in ）。