Nereda好氧顆粒污泥工藝的脫氮除磷性能及工程實(shí)例

摘要：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(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，是荷蘭皇家哈斯康寧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(xiàng)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。

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(shí)。上述好氧顆粒污泥的結(jié)構(gòu)和獨(dú)特性質(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。

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(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(shí)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(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(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，篩選出了慢速生長的聚磷菌。通常Nereda?工藝的厭氧進(jìn)水時(shí)間較長，一般為0.6～2.0h。較長的厭氧時(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)部儲(chǔ)存的生物聚合物進(jìn)行好氧代謝，如此會(huì)降低細(xì)菌的生長速率。而較低的生長速率會(huì)使顆粒污泥的生長更慢、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)測儀，通過靈活地優(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(huì)在液體中釋放磷酸鹽，這將使出水中的磷濃度也較低。

此外，好氧顆粒污泥的粒徑大小、來水有機(jī)物種類等也會(huì)影響氮、磷的去除。在一定程度上顆粒越大，反硝化效率越高，然而氨氮的氧化速率并不受顆粒大小的影響。

相關(guān)實(shí)驗(yàn)及中試結(jié)果表明，以聚磷菌為主的顆粒更大、更密集，因具有更快的沉降速度而有優(yōu)勢保持在反應(yīng)器的底部。由于進(jìn)水是從反應(yīng)器底部以柱塞流方式進(jìn)入，很明顯底部的顆粒有更多的可用底物，與聚糖菌相比，聚磷菌暴露于較高比例的可利用碳源環(huán)境中。通過在反應(yīng)器特定高度上設(shè)置污泥排出點(diǎn)并進(jìn)行排泥操作的控制，可使聚糖菌群體的污泥停留時(shí)間低于聚磷菌主導(dǎo)的顆粒污泥，導(dǎo)致隨著時(shí)間的推移聚糖菌被淘汰出系統(tǒng)。所以，以聚磷菌為主的好氧顆粒污泥系統(tǒng)具有更好的生物除磷能力。

02 工程運(yùn)行表現(xiàn)

2.1 荷蘭Epe污水處理廠

Epe污水處理廠是荷蘭第一個(gè)全規(guī)模應(yīng)用Nereda?技術(shù)的市政污水處理廠。依托于先期長達(dá)4年的中試論證，該廠最終于2010年開始設(shè)計(jì)、建造，2011年正式投入運(yùn)行，圖3為Epe污水處理廠的鳥瞰圖。

Epe污水處理廠的主要處理工藝流程如圖4所示。污水先經(jīng)過格柵和隔油沉砂池，隨后通過3座Nereda?反應(yīng)器凈化后進(jìn)入重力砂濾池，經(jīng)過濾后直接排放。Nereda?反應(yīng)器的設(shè)計(jì)平均處理量為8000m³/d，峰值小時(shí)流量為1500m³/h。

自2011年9月起經(jīng)過4個(gè)月的運(yùn)行，Nereda?系統(tǒng)的進(jìn)水量即達(dá)到了100%的設(shè)計(jì)流量。啟動(dòng)期間，顆粒污泥在Nereda?反應(yīng)器內(nèi)逐漸累積。值得注意的是，污泥“顆?；边^程有一段時(shí)間發(fā)生在冬季，污水的平均溫度低于10℃。

監(jiān)測結(jié)果證實(shí)，自投產(chǎn)以來，采用Nereda?技術(shù)使原污水廠的處理能力增加了1倍，并且Nereda?的性能超出預(yù)期，出水水質(zhì)達(dá)到荷蘭最高標(biāo)準(zhǔn)，總氮和總磷濃度分別低于5mg/L和0.3mg/L。對該污水處理廠2020年1月—12月的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，出水總氮平均為2.5mg/L，出水總磷平均為0.2mg/L，均滿足出水氮、磷指標(biāo)要求，且出水總氮明顯優(yōu)于設(shè)計(jì)要求。

另外，由于該污水廠還接收了35%左右的屠宰場廢水，受此影響，進(jìn)水特性和負(fù)荷均有較大波動(dòng)，尤其是進(jìn)水pH的波動(dòng)（pH接近10），但Nereda?系統(tǒng)依然表現(xiàn)出了良好的穩(wěn)定性和抗沖擊能力。在與原有傳統(tǒng)活性污泥系統(tǒng)平行運(yùn)行的中試中發(fā)現(xiàn)，高pH會(huì)導(dǎo)致常規(guī)活性污泥系統(tǒng)的硝化功能完全喪失，并需數(shù)周時(shí)間才能恢復(fù)，而接收相同進(jìn)水的Nereda?中試裝置在幾個(gè)運(yùn)行周期后的1~2d內(nèi)即可恢復(fù)正常運(yùn)行。

2.2 荷蘭Utrecht污水處理廠

Utrecht污水處理廠是荷蘭迄今為止建造的規(guī)模最大的采用Nereda?工藝的污水廠，平均日流量76300m3/d，峰值流量14100m3/h。該廠于2017年實(shí)施提標(biāo)改造，2018年開始正式運(yùn)行。原污水廠采用傳統(tǒng)活性污泥法，僅沉淀池就有14座，改造后只需6套Nereda?反應(yīng)器以及不到40%的占地面積即可處理相同的水量。由于Nereda?工藝占地緊湊，因此在原有曝氣池和沉淀池左側(cè)的有限區(qū)域內(nèi)就可新建Nereda?處理系統(tǒng)，如圖5所示。而原有曝氣池和沉淀池在Nereda?工藝系統(tǒng)啟動(dòng)之后便進(jìn)行了拆除，騰出的區(qū)域交還社區(qū)用作自然教育中心。

Utrecht污水處理廠的Nereda?工藝流程如圖6所示。

該污水處理廠新建的Nereda?系統(tǒng)共有6座圓形池，單座池容12000m3，直徑46m，水深7.3m，設(shè)計(jì)水溫為10～24℃。此外，Nereda?系統(tǒng)還包括1座12000m3的進(jìn)水緩沖池、2座500m3的預(yù)濃縮污泥緩沖池以及1座4000m3的出水緩沖池。

在不投加任何化學(xué)藥劑的情況下，該污水廠出水總氮和總磷分別低于5mg/L和0.5 mg/L（見表2），比原活性污泥系統(tǒng)出水相應(yīng)指標(biāo)低50%，出水可直接排入與廠區(qū)緊鄰的河流。也正是因?yàn)樯鲜鯪ereda?系統(tǒng)緊湊的占地和優(yōu)異的生物脫氮除磷能力，該污水廠運(yùn)行僅一年便獲得了國際水務(wù)情報(bào)（GWI）平臺(tái)頒發(fā)的“2019年度最佳污水處理項(xiàng)目”獎(jiǎng)項(xiàng)。

2.3 荷蘭Garmerwolde污水處理廠

荷蘭Garmerwolde污水處理廠于2005年被改造成AB兩段式活性污泥系統(tǒng)，之后因無法達(dá)到所需的營養(yǎng)物去除目標(biāo)以及不斷增長的處理水量的需求，需要對污水廠進(jìn)行升級(jí)。荷蘭當(dāng)?shù)厮畡?wù)局最終選擇了Nereda?技術(shù)作為生化處理工藝，以擴(kuò)大處理能力，并同時(shí)提高脫氮除磷能力。

荷蘭皇家哈斯康寧DHV公司提供的解決方案是新建兩套9500m3的Nereda?反應(yīng)器以及一座4000m3的進(jìn)水緩沖池，并與現(xiàn)有的AB系統(tǒng)并行運(yùn)行。2013年啟動(dòng)了提標(biāo)改造工程，建造了兩套直徑為41 m的Nereda?反應(yīng)器來處理約41%的進(jìn)水，占地面積卻比原AB處理系統(tǒng)的25%（澄清池直徑為48m）還小。該污水廠Nereda?系統(tǒng)與AB系統(tǒng)平面布置如圖7所示。

Nereda?系統(tǒng)于2014年正式投運(yùn)至今，處理的水量已經(jīng)超過總水量的50%，平均處理量20000m³/d。具體的工藝流程如圖8所示。

Nereda?反應(yīng)器的啟動(dòng)主要有兩個(gè)階段：第一階段是顆?；A段，第二階段是處理效率提升階段。

第一階段：由于在調(diào)試期間對出水TN和TP分別提出了小于15mg/L和1mg/L的要求，因此該階段污水系統(tǒng)的進(jìn)水負(fù)荷需要根據(jù)出水指標(biāo)適時(shí)調(diào)整，以滿足出水排放要求。在運(yùn)行3個(gè)月后系統(tǒng)流量達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，對TN、TP和COD的去除趨于穩(wěn)定。總磷完全通過Nereda?系統(tǒng)生物反應(yīng)即可達(dá)到去除目標(biāo)，TN和TP均滿足上述出水要求。

第二階段：經(jīng)過第一階段的啟動(dòng)期后，堅(jiān)固密實(shí)的顆粒床（MLSS>8g/L）已形成并在此后能長期保持穩(wěn)定，5min的污泥體積指數(shù)SVI可達(dá)45mL/g。顆粒污泥中有超過80%的粒徑>0.2mm，超過60%的粒徑>1mm。啟動(dòng)完成后Nereda?系統(tǒng)出水TN和TP平均值分別為6.9和0.9mg/L，所有指標(biāo)都符合出水要求。第二階段即2014年3月—12月的進(jìn)、出水平均值如表3所示。而同樣的運(yùn)行期間，在投加大量反硝化碳源以及用于改善污泥性質(zhì)的混凝劑和除磷鐵鹽的情況下，傳統(tǒng)AB系統(tǒng)出水TN和TP平均值分別為9.9和0.9mg/L。

值得注意的是，上述Nereda?工藝運(yùn)行期間偶有氮和磷濃度比平均值高的情況，這是因?yàn)榇笥暌鸬倪M(jìn)水流量及營養(yǎng)物濃度比干燥天氣下高2～5 倍（即“首次沖刷”效應(yīng)）。但在大雨時(shí)段通過縮短N(yùn)ereda?系統(tǒng)的循環(huán)周期時(shí)間即從390 min縮短到180 min，并投加少量的鐵鹽除磷藥劑［Fe（Ⅲ）/P物質(zhì)的量比為0.18］，就可使系統(tǒng)對總磷的去除率維持在90%。

此外，2014年的運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示，Nereda?系統(tǒng)（包括中間泵）的運(yùn)行能耗比AB系統(tǒng)降低了50%左右。與AB系統(tǒng)的高化學(xué)藥劑成本相比，Nereda?系統(tǒng)幾乎不需要投加額外的化學(xué)藥劑。此外，加藥還導(dǎo)致AB系統(tǒng)的污泥產(chǎn)量幾乎是Nereda?系統(tǒng)的兩倍。因此，Nereda?系統(tǒng)的總運(yùn)營成本（能耗、藥劑、污泥處理等）明顯低于傳統(tǒng)工藝。

03 結(jié)語

通過Nereda?反應(yīng)器特殊的內(nèi)件構(gòu)造以及特有的運(yùn)行模式，可以培養(yǎng)出以慢速生長的聚磷菌或聚糖菌為主的好氧顆粒污泥。此種顆粒結(jié)構(gòu)密實(shí)，沉降性好并且可長期穩(wěn)定。加之好氧顆粒污泥特殊的三維空間分層結(jié)構(gòu)，Nereda?工藝具有同時(shí)將COD、氮和磷等營養(yǎng)物高效去除的能力。從荷蘭的3個(gè)典型工程案例來看，Nereda?工藝在實(shí)際污水處理運(yùn)行中均有著出色的脫氮除磷表現(xiàn)，同時(shí)也顯示出，Nereda?工藝具有占地面積小、抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、運(yùn)行費(fèi)用低、運(yùn)行模式靈活、處理效果好等傳統(tǒng)污水處理工藝無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。Nereda?工藝能很好地解決現(xiàn)有污水廠占地資源緊張又亟需擴(kuò)大處理能力的問題。對于土地資源緊張的地區(qū)，Nereda?工藝無論是新建或擴(kuò)（改）建都具有無可比擬的競爭優(yōu)勢。