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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用于污水生化處理的好氧顆粒污泥技術。憑借Nereda®反應器的特殊內件及運行周期，Nereda®工藝具有同時脫氮除磷的優異性能。以荷蘭3座應用Nereda®技術的市政污水廠（Epe，Utrecht和Garmerwolde污水廠）為工程案例，詳細介紹了它們的概況以及實際的脫氮除磷運行表現。最后總結了Nereda®技術的優點以及應用方面的競爭優勢。
在水環境保護要求日趨嚴格的背景下，全國多地如江蘇、浙江、安徽、云南、廣東、河北等重點區域以及流域相繼頒布和實施了嚴于《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級A標準的地方標準，這些標準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準更為嚴格。因此，同時具備脫氮除磷功能的污水處理工藝是高排放標準污水廠的必然選擇。
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于20世紀90年代開始研發的具有優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，已運行的Nereda®工藝污水處理設施已有50多座，總處理能力超過1300萬人口當量（約260×104m3/d）。在已建成投運的項目中，不乏日處理能力數萬乃至數十萬噸的大型污水處理廠，這表明該工藝可以應用于不同規模的市政污水和工業廢水處理廠。目前，該工藝已進入中國并建成了全規模的污水處理廠。pH做為基本的污水指標，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，必將為中國的環保事業帶來可觀的經濟效益。我們美國BroadleyJames生產的E-1312 pH電極，S400-RT33 pH電極經久耐用，質量可靠，測試準確，廣泛應用于各級環保污水監測以及污水處理過程。
與采用絮狀污泥的傳統活性污泥法或生物膜系統不同，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，氧和水中的物質無法全部進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；向里則構成缺氧區乃至逐步過渡到核心的厭氧區。在不同分區中，存在著各自的優勢微生物種群，這已被熒光原位雜交分析所證實。上述好氧顆粒污泥的結構和性質，使其在一個顆粒污泥上，即可達成COD、BOD5和氮、磷的同時高效去除。
相關實驗已經證實，通過控制“豐盛-饑餓"、溶解氧的飽和度、進水模式等方式可以優化好氧顆粒污泥工藝的脫氮除磷性能。為此結合Nereda®工藝的運行模式，闡釋了好氧顆粒污泥的脫氮除磷性能優異的原因，同時結合荷蘭的3個典型工程案例，進一步分析了Nereda®工藝實際的脫氮除磷表現，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
相關熒光原位雜交分析已經證實，好氧顆粒最外層主要分布著硝化菌，顆粒內部主要含聚磷菌、反硝化菌、聚糖菌等，這些菌群在傳統活性污泥系統中也同樣存在。由代爾夫特理工大學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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對于傳統活性污泥和好氧顆粒污泥工藝去除生物營養物的過程而言，上述不同功能菌群發生的生化反應基本是相同的。具體而言，聚磷菌在厭氧進水期間將易生物降解的COD轉化為糖原或聚-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化為硝酸鹽氮。當系統處于缺氧階段時，反硝化菌將硝酸鹽轉化為氮氣，完成反硝化過程。
1.2 Nereda®工藝的運行模式
與傳統活性污泥工藝不同的是，Nereda®工藝在培養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行模式（見圖2）和污泥篩選機制。
①同時進水和出水在進水階段，來水自反應器的底部進入，并通過特殊的布水內件在接近柱塞流流態下穿過沉降的顆粒污泥床層。由于進水為柱塞流的流態，反應器頂端的經上一周期處理并凈化好的水與底部進入的污水之間沒有摻混，使得經過處理的污水能夠被置換（或者說“推出"）而成為出水；由此反應器在出水的同時也在不斷進水。不同于傳統的SBR工藝，Nereda®反應器使用的是靜態固定潷水器而非移動潷水器，且可以同時進水和出水，不需要單獨設置耗時的潷水階段。另外，潷水過程中反應器水位固定，也避免了傳統SBR系統水位變化造成的水頭“浪費"。
②曝氣所有的生物處理過程幾乎都發生在曝氣反應階段，通常采用微孔曝氣工藝。由于顆粒污泥體量較大，在其結構內會產生氧濃度梯度，顆粒污泥最外層的有機污染物被高效氧化，同時硝化細菌也聚集在顆粒外層，將氨氮轉化為硝態氮。硝化產生的硝態氮擴散到顆粒內部的缺氧層后會發生反硝化反應，實現脫氮；此外，超常的生物吸磷過程也同時發生。
③快速沉降在這個階段，顆粒污泥與處理過的污水會實現泥水分離。由于顆粒污泥優異的沉降特性，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。
1.3Nereda®工藝的脫氮除磷特點Nereda®系統的設計和運行采用的是序批式SBR模式，但Nereda®工藝是專門為了培養好氧顆粒污泥而設計的，因此有著與眾不同的特點。
首先，從微生物學角度，Nereda®工藝的設計充分利用了“豐盛-饑餓"機制，即厭氧-好氧交替的運行機制，篩選出了慢速生長的聚磷菌。通常Nereda®工藝的厭氧進水時間較長，一般為0.6～2.0h。較長的厭氧時間可確保進水階段所有易降解COD都能轉化為聚羥基脂肪酸（PHA），即儲存在微生物體內的慢速可生物降解的聚合物。當進入曝氣階段后，微生物將主要利用內部儲存的生物聚合物進行好氧代謝，如此會降低細菌的生長速率。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，培養出的好氧顆粒污泥將更加穩定。
其次，從Nereda®工藝系統實際運行的表現可以發現，依托于反應器在線儀表如溶解氧（DO）、氨氮、硝酸鹽等監測儀，通過靈活地優化曝氣階段和缺氧階段的時間，以及改變曝氣系統的DO設定點等手段，可以調節生化系統的硝化與反硝化能力。在曝氣過程中，氨氮被轉化為硝酸鹽，由于顆粒中存在固有的氧梯度，微生物將利用外部的COD使一部分硝態氮在顆粒內部的缺氧區發生反硝化反應，此為同時硝化反硝化過程。此外，相關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水COD的競爭，節省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。
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