全康環(huán)保:我們在《污水廠(chǎng)實(shí)現“碳中和”的途徑》（點(diǎn)擊查看）一文中提到，實(shí)現污水廠(chǎng)的“碳中和”，除了把能量回收搞得多多的，還要把能量耗用搞得少少的。同時(shí)，我們在《污水廠(chǎng)“碳中和”升級一定是高成本嗎？》（點(diǎn)擊查看）提到，污水廠(chǎng)碳中和升級，可以朝污水廠(chǎng)、中水廠(chǎng)、能源廠(chǎng)和資源廠(chǎng)“四位一體”的方向發(fā)展。

業(yè)內似乎也已形成共識：污水廠(chǎng)將從一座只確保廢水達標排放的污水處理廠(chǎng)逐步轉變?yōu)槿舾蓚€(gè)更小型、功能劃分更細化的資源回收廠(chǎng)。

污水處理技術(shù)的快速演變，也讓我們有了更多的選擇，例如：

以厭氧氨氧化、好氧顆粒污泥為核心的低能耗脫氮、生物降解技術(shù)；

以厭氧消化為核心的能量回收技術(shù)；

以膜為核心，結合其他深度水處理技術(shù)（如UV、高級氧化、生物活性炭等）的水回用技術(shù)；

以磷回收為主的資源回收技術(shù)等。

這些趨勢和發(fā)展預期會(huì )隨著(zhù)生物技術(shù)和材料科學(xué)的進(jìn)步而得到進(jìn)一步的發(fā)展。因此，“碳中和”下的水處理廠(chǎng)，不僅需要更適應各種功能性要求的變化，還需要更適應技術(shù)的變化。

那么，后期我們將逐一討論碳中和下污水處理可適用的各種技術(shù)。敬請期待喲。

本次，我們先白話(huà)一下低能耗技術(shù)之一的好氧顆粒污泥技術(shù)（AGS）。

一、好氧顆粒污泥的起源與發(fā)展

說(shuō)起好氧顆粒污泥的起源，我們回到長(cháng)長(cháng)的100多年前，從活性污泥開(kāi)始白話(huà)起。

搞污水的都知道，活性污泥是1912年英國的克拉克（Clark）和蓋奇（Gage）發(fā)現的，他們對污水進(jìn)行長(cháng)時(shí)間曝氣，發(fā)現水中就會(huì )長(cháng)出污泥狀的東西，同時(shí)水質(zhì)也會(huì )變好。

這個(gè)現象激起了阿爾敦（Arden）和洛凱特（Lockgtt）的興趣，他們接著(zhù)往下玩，每天把污水裝在瓶子里進(jìn)行曝氣，偶然發(fā)現，如果瓶子沒(méi)有洗干凈，瓶壁上還粘著(zhù)污泥時(shí)，處理效果更好。

于是，他們每天結束實(shí)驗前，都把曝氣后的污水沉淀一下，只倒掉上面的清水，留著(zhù)瓶底的污泥第二天繼續用，越玩越有意思，每天都很開(kāi)心。（妥妥的跟我們現在將泥水進(jìn)行沉淀，將沉淀出來(lái)的清水收集，再將沉淀下來(lái)的污泥回流到反應池的方式一套搞法?。?。

他們把這個(gè)污泥稱(chēng)之為活性污泥，活性污泥法就這么發(fā)明了。

我們都知道，這個(gè)污泥并不是真正的泥，而是由各種微生物菌群加上所依附的有機物和無(wú)機物所組成，它之所以能凈化水，是因為微生物菌群的作用。

后來(lái)，活性污泥逐漸被廣泛用于污水處理。隨著(zhù)人們對微生物的認識不斷加深，又發(fā)展出了好氧化、厭氧法，以及厭氧、缺氧、好氧的不同組合而形成的各種活性污泥工藝。

1972年，荷蘭瓦赫寧根大學(xué)的Lettinga教授在處理甜菜廢水的6m3/d的UASB（升流式厭氧污泥床系統，厭氧生物法的一種）中試裝置中發(fā)現了顆粒污泥。顆粒污泥就是眾多微生物團聚成了一個(gè)顆粒小球，從而使單位容積內的微生物量大量增加。

我們看一個(gè)圖片直觀(guān)感受一下，下圖的（a）是普通污泥，（b）是好氧顆粒污泥。

厭氧顆粒污泥的發(fā)現，使得高效厭氧反應系統成為可能。

如果把最開(kāi)始誕生的厭氧生物法相對負荷，也就是處理效率，設定為1，那么通過(guò)強化污泥回流的UASB反應器相對負荷可以提到5，也就是5倍，而厭氧顆粒污泥的發(fā)現使其迅速提高至25，后來(lái)，第三代強化接觸的膨脹床顆粒污泥系統（EGSB）進(jìn)一步提高到75。也就是，處理效率相當于最初的75倍。

可以說(shuō)，顆粒污泥的發(fā)現，改寫(xiě)了厭氧技術(shù)的發(fā)展歷程，甚至可以說(shuō)，改變了整個(gè)污水處理行業(yè)的技術(shù)發(fā)展歷程。因為隨之而來(lái)，才引起了對各種微生物顆粒的研究。

1975年，瓦格寧根大學(xué)與研究中心（WageningenUniversity & Research，簡(jiǎn)稱(chēng)WUR）

開(kāi)始全面系統的研究污泥顆?；F象。

通過(guò)不斷研究和發(fā)展，顆粒家族已經(jīng)形成了厭氧顆粒污泥、厭氧氨氧化顆粒污泥、好氧顆粒污泥、生物脫硫顆粒污泥等幾大成員的格局。

說(shuō)到這里，我們不得不膜拜一下荷蘭，顆粒家族的成員基本都是荷蘭發(fā)展出來(lái)的，工程化應用的關(guān)鍵技術(shù)也在他們那兒。所以荷蘭人號稱(chēng)都是用顆粒處理污水的。

顆粒污泥的形成，主要源自于生物自絮凝現象。我們如果在反應器中放入填料，污泥就會(huì )趴在上面，形成生物膜；而如果沒(méi)有填料，污泥就會(huì )互趴，你趴著(zhù)我，他趴著(zhù)你，大家手拉手，肩并肩，緊緊團結在一起，形成一個(gè)球。

所以，顆粒污泥就是無(wú)需內核，自固定化的生物膜。

不同的顆粒污泥主要是組成的功能菌群不同。例如：厭氧顆粒污泥主要由產(chǎn)酸、產(chǎn)甲烷菌群團聚而成；厭氧氨氧化顆粒污泥主要由厭氧氨氧化菌組成；好氧顆粒污泥則根據硝化、除磷、同步脫氮除磷等不能功能需求，由不同的功能微生物呈現分層分布。

由此可見(jiàn)，我們今天談的好氧顆粒污泥法（AGS），其實(shí)不是一種裝置，而是一種培養出好氧法下，硝化、除磷或同步脫氮除磷的顆粒型生物功能群菌的方法。

也就是說(shuō)，無(wú)論采取什么辦法，搞得出多多的顆粒污泥就行。顆粒越多越優(yōu)秀，有個(gè)專(zhuān)門(mén)的衡量指標叫顆?；?。

關(guān)于好氧顆粒污泥第一個(gè)研究性的工作，是由日本學(xué)者開(kāi)展的。

1991年，Mishima模仿厭氧UASB反應器制作了一個(gè)好氧升流式污泥床反應器，用純氧曝氣，培養出了好氧顆粒污泥。

可能是看到厭氧顆粒污泥那么好，于是依葫蘆畫(huà)瓢照著(zhù)搞好氧顆粒污泥。但由于是純氧曝氣，能耗過(guò)高，難度較大，未能實(shí)現推廣。

隨后，慕尼黑大學(xué)的Morgenroth教授與代爾夫特理工大學(xué)的Mark vanLoosdrecht教授組成了聯(lián)合研究組，分為兩個(gè)小組分頭開(kāi)展研究。

Morgenroth組采用實(shí)際污水，MarkvanLoosdrecht教授組采用的是實(shí)驗室合成污水。從顆粒污泥的培養速度來(lái)看，后者更快了一些。1997年，雙方合作在《Water Research》發(fā)表文章，從而帶來(lái)了好氧顆粒污泥里程碑式的發(fā)展。

隨后，眾多的學(xué)者與機構投入開(kāi)展研究，帶動(dòng)了好氧顆粒污泥的進(jìn)一步發(fā)展。

從好氧顆粒污泥的起源來(lái)看，我們可以整理出這樣一條脈絡(luò )：

發(fā)現活性污泥--發(fā)現厭氧污泥--厭氧反應器中找到了顆粒，顆粒很好效率很高--依葫蘆畫(huà)瓢搞好氧顆粒--調整路徑培養好氧顆粒污泥成功。

二、好氧顆粒污泥的特點(diǎn)與形成機理

說(shuō)了這么久好氧顆粒污泥的起源，那好氧顆粒污泥有什么好處讓我們如此看重呢？

如前面提到的，厭氧技術(shù)一旦發(fā)展出顆粒污泥，就帶來(lái)了技術(shù)的新生，相對負荷迅速從5提升至25，效率立馬提升了5倍。

好氧顆粒污泥也如是。傳統活性污泥法的污泥濃度一般在3000-5000mg/L范圍，MBR工藝可將污泥濃度提升至8000-10000mg/L。而國外好氧顆粒污泥反應器中的污泥量一般大于10000mg/L，有的甚至能達到15000mg /L。

污泥濃度高，生物量大，處理效率就高。這是第一個(gè)特點(diǎn)。

另外，我們來(lái)看一下荷蘭DHV公司Nereda工藝的好氧顆粒污泥剖面示意圖：

一個(gè)顆粒污泥內部為缺氧/厭氧區，主要為反硝化菌和聚磷菌，外部為好氧區，主要為氨氧化菌和生物氧化菌群，就是說(shuō)，同一位置上的同一顆粒，就可以起到脫氮除磷和降解有機物的作用，也就是說(shuō)，一個(gè)顆粒就是一個(gè)同步脫氮除磷和降解有機物的反應器。這是第二個(gè)特點(diǎn)。

同時(shí)，生物自凝聚團聚成密實(shí)的球體（粒徑一般在200μm-7mm之間呈正態(tài)分面，以0.6mm-1mm的顆粒居多，活性也最高），生物質(zhì)密度和強度顯著(zhù)增高。

我們一般以SV30（即曝氣池的泥水混合液在量筒中靜止沉淀30分鐘后，污泥所占的體積百分比）表現活性污泥的沉降性能，而顆粒污泥沉速極快，一般3-5分鐘就可以沉降完畢。所以，對于好氧顆粒污泥的沉降性能，可以用SV8（即靜止沉淀8分鐘的污泥占比）來(lái)表示。

優(yōu)秀的沉降性能使好氧顆粒污泥能高效沉淀，沉淀池也不用了，占地面積可以大幅度縮小。這是第三個(gè)特點(diǎn)。

生物濃度高，處理高效，占地面積小，結構還可以特別簡(jiǎn)單，能耗也就可以大幅降低，且化學(xué)藥劑的使用量也很低。（怎么越說(shuō)越妥妥地覺(jué)得，都是在說(shuō)咱們VFL垂直流迷宮水處理技術(shù)？）

好氧顆粒污泥的好處主要就這些，當然，還有就是因為團聚成球，相對普通絮狀污泥比較不容易老化、膨脹等。

前面說(shuō)到顆粒污泥來(lái)自于生物自絮凝。就是說(shuō)，菌菌們在水中游走，一旦相撞就傾向于緊緊擁抱，團結凝聚成一個(gè)力量強大的球體。

讓人想起那首歌唱的：團結就是力量。

那么，我們如果能創(chuàng )造一個(gè)讓菌菌們容易相撞相擁的環(huán)境，就能促進(jìn)好氧顆粒污泥形成了。

如何能讓菌菌們容易相撞呢？其實(shí)我們自己想想也可以想到一些因素，比如：

首先，我們都知道，人多，且擠，就容易相撞，菌菌們也是一樣的。如果污泥濃度高，相撞相擁的概率就大，所以，影響污泥濃度的因素，比如有機負荷高低、曝氣強度、溫度高低等，都會(huì )影響顆粒污泥的形成。

其次，人多，且擠，還都在亂動(dòng)，外部沖擊力又強，就更容易相撞，菌菌們也是一樣的。如果造成泥水的流動(dòng)，通過(guò)反應器高徑比（高度與直徑的比率）形成較強的水力剪切力，提高曝氣強度等，也會(huì )有效的促進(jìn)顆粒污泥的形成。

最后，還有一個(gè)，又多又擠的人走100米，相對于只走1米，相撞的概率肯定又會(huì )大很多，菌菌們也是一樣的。所以，泥水流徑的長(cháng)短也會(huì )影響顆粒污泥的形成。

綜上所述，我們的第一條原則是：創(chuàng )造一條又長(cháng)又擠的污泥通道，再通過(guò)內力外力的加壓，促進(jìn)微生物相撞并團聚成球。

我們再看一個(gè)好氧顆粒污泥的掃瞄電鏡圖：

綠色的EUB是指細菌總群，分布在顆粒各處；

紅色的AOB是指氨氮氧化細菌，散落分布在顆粒外層；

藍色的PAO是指聚磷菌，都分布在顆粒里層。

聚磷菌是厭氧菌，生長(cháng)緩慢，但很穩定。

談這個(gè)主要是想引出好氧顆粒污泥著(zhù)名的“盛宴-饑餓”理論。

我們前面談到代爾夫特理工大學(xué)的Mark教授，他關(guān)于好氧顆粒污泥的理論有下面幾個(gè)要點(diǎn)：

首先，采用升流式厭氧進(jìn)水，發(fā)展出厭氧的聚磷菌，并使這種生長(cháng)緩慢而穩定的細菌逐漸形成一個(gè)核心。

其次，聚磷菌有儲存物質(zhì)的特性，厭缺氧是盛宴階段，有很多食物，好氧是饑餓階段，消耗氧化食物，前后兩個(gè)階段，有利于好氧顆粒污泥的成長(cháng)。

并且，發(fā)展緩慢生長(cháng)的細菌形成顆粒污泥的核心，這一關(guān)鍵環(huán)節的把握，可使培養出來(lái)的好氧顆粒污泥形成非常穩定，拿出來(lái)1-2個(gè)月都不會(huì )解體。如果以其他方式培養顆粒污泥，不到一個(gè)星期污泥就會(huì )解體。

那么我們的第二條原則是什么？就是，要根據顆粒污泥的內外菌種組成，有順序的培養顆粒的菌種。也就是，就發(fā)展出始終在內部的厭氧菌種--聚磷菌，然后再讓一般在外部的菌種，EUB、AOB啥的，慢慢趴上去，顆粒就易成型且穩定性高。

這個(gè)也好理解，試想，如果好氧菌種被擠在里面，缺氧，缺食物，很可能死掉，顆粒就容易空心，解體。

最后，還有一個(gè)沉速選擇理論。

前面我們提到，顆粒污泥沉速極快，一般3-5分鐘就可以沉降完畢。

我們也聽(tīng)到過(guò)，顆粒污泥都是在SBR或其變形（也就是間歇式反應器）中培養出來(lái)的，其實(shí)這個(gè)就是為了適應沉速選擇。

系統運行的時(shí)候發(fā)展出顆粒污泥，系統間歇沉淀的時(shí)候把沉速快的顆粒污泥留下了，把沉不下的絮狀污泥給淘汰走了，這樣就使污泥顆?；试絹?lái)越高。

并且，沉淀時(shí)間不能過(guò)長(cháng)，太長(cháng)則會(huì )把絮狀污泥也沉下來(lái)了，起不到生物選擇的作用。不過(guò)，剛開(kāi)始培養的時(shí)候顆粒沒(méi)幾個(gè)，要是沉淀時(shí)間太短了就都給淘汰走了，所以，污泥培養期應采取逐步降低沉淀的方式，隨著(zhù)顆粒的增多調整沉淀時(shí)間。

所以，第三條原則是，像生物進(jìn)化選擇那樣，通過(guò)沉速選擇，把已經(jīng)形成顆粒而沉得快的污泥留下，把形不成顆粒的逐漸淘汰，剩下的，就越來(lái)越都是顆粒污泥。

三、好氧顆粒污泥技術(shù)的工程化應用

目前，好氧顆粒污泥技術(shù)工程化應用最成功的是由荷蘭Royal Haskoning DHV（中文簡(jiǎn)稱(chēng)“德和威”）公司實(shí)施的Nereda技術(shù)。Nereda技術(shù)就是來(lái)源于代爾夫特理工大學(xué)的研究成果。

據德和威公司中文網(wǎng)站的報道，截至2018年底，全球共有25家使用Nereda技術(shù)的全規模污水處理廠(chǎng)投入運營(yíng)，并有64家正在建設或設計中。到目前應該又增加了一些。

Nereda工藝的第一個(gè)應用是處理荷蘭Smilde Foods BV食品公司的奶酪廢水，反應器由牛奶儲罐改造而成，處理規模為250m3/d。Nereda工藝第一個(gè)市政污水應用是在南非的 Gansbaai污水處理廠(chǎng)。荷蘭本土的Epe污水廠(chǎng)在2011年改造采用Nereda工藝后，立即成為荷蘭全國能耗最低的市政污水廠(chǎng)。目前荷蘭已經(jīng)建成10多座此工藝的污水廠(chǎng)，好氧顆粒污泥法已經(jīng)成為荷蘭污水處理的主流方法。

設計規模最大的是為愛(ài)爾蘭水務(wù)公司建造的 Ringsend污水處理廠(chǎng)改造項目，處理規模為600000m3/d，預計2021年完工投入運行。我們拭目以待，這么大規模的應用如能穩定運行，此工藝應沒(méi)什么規模上的限制。

Royal HaskoningDHV在中國建立了德和威（北京）環(huán)境工程有限公司，該公司在2019年初與北京北控工業(yè)環(huán)?？萍加邢薰荆ê?jiǎn)稱(chēng)“北控工業(yè)環(huán)?！保┙⒘撕献麝P(guān)系。北控工業(yè)環(huán)?？捎迷摷夹g(shù)對廢水處理設施進(jìn)行提標、擴容和改造。

雖然如此，目前國內也僅有一座使用Nereda技術(shù)的污水廠(chǎng)，就是去年11月通過(guò)竣工驗收的浙江龍游縣城南工業(yè)污水處理廠(chǎng)。該污水廠(chǎng)成為國內首座，也是亞洲首座使用Nereda好氧顆粒污泥技術(shù)的污水處理廠(chǎng)，日處理能力2萬(wàn)噸。

那么，我們國內的好氧顆粒污泥工藝研究是個(gè)什么狀況呢？

近期，由北京首創(chuàng )股份有限公司、北京建筑大學(xué)與荷蘭代爾夫特大學(xué)共同成立的中荷未來(lái)污水處理技術(shù)研發(fā)中心在河南南陽(yáng)淅川實(shí)施了一項示范工程。

示范工程以淅川一座處理規模為1000m3/d的鄉鎮污水處理廠(chǎng)為基礎，將4組CAST池中的1組改造為處理水量為500m3/d的AGS工藝。該項目經(jīng)過(guò)幾個(gè)月運行后，目前顆粒成型良好、穩定，在不投加藥劑的情況下可達到一級A出水標準。

另外，中科大的俞漢青教授早在2003年于合肥朱專(zhuān)井污水處理廠(chǎng)建立了一座中試裝置，開(kāi)始介入好氧顆粒污泥的研究。目前應該暫無(wú)廣泛的工程化應用。

四、VFL技術(shù)的顆?；匦?/strong>