北極星水處理網訊:「至今，好氧汙泥顆粒化大多僅成功於序批式反應器，嚴重阻礙了該技術的推廣和應用。汙水處理行業迫切期待連續流顆粒汙泥技術的突破。」
前言
好氧顆粒汙泥技術有望取代已經應用了一百多年的傳統活性汙泥法汙水處理工藝。這是因為好氧顆粒汙泥可以為反應器提供更高的生物量和更好的汙泥沉降性，還可以固定不同功能的生物種群（好氧、兼氧和厭氧），從而能在更小的反應器裡處理更多的汙水和去除更多種的汙染物。據近期調研（Kent et al., 2018），世界上絕大部分好氧顆粒汙泥的形成和應用均在序批式生物反應器中實現，其中包括目前工業界應用最廣的荷蘭Nereda®技術。然而，與序批式反應器採用的間歇性運行方式不同，汙水處理廠，尤其是大型城市汙水處理廠，大多採用連續流的方式運行。這是因為連續流反應器相對於序批式反應器設計更簡單且易於控制與運行，而且與城市汙水連續性產生的性質相匹配。相比之下，序批式反應器需要使用調節池或幾個序批式反應器交替運行的方式來實現連續流入汙水的處理。另一方面，序批式反應器須在較短的時間裡（比如15%的水力停留時間）完成全部被處理汙水的流入和流出，極大地增加了水泵和管道的運行和維護壓力。至今，鮮有能在連續流反應器中從無到有形成穩定顆粒汙泥報導，即連續流好氧顆粒汙泥技術至今仍未有顯著的發展。對此，美國維吉尼亞理工大學王智武教授團隊研發了一種活塞流式反應器以實現連續流好氧汙泥顆粒化的技術（plug-flow aerobic granulation，簡稱PAG），並成功應用於市政汙水的二級處理（圖1）。
活塞流式反應器
已有研究表明，汙泥沉降速度的選擇力是推動好氧顆粒汙泥形成的推動力。然而即使在傳統的完全混合式反應器裡加入了對汙泥沉降速度的選擇力，好氧顆粒汙泥仍無法形成。完全混合式和序批式反應器的一個重大區別在於後者有盛宴期與飢餓期的交替，而前者沒有。因此，盛宴期與飢餓期的交替極有可能是汙泥沉降速度選擇力外的另一個好氧顆粒汙泥形成所需的必要條件。基於此，本研究採用10個完全混合式反應器串聯的方式組成了一個近乎完美的活塞流反應器，以氣動汙泥回流的方法，實現了盛宴到飢餓期的過渡與交替（圖1a）。沉降速度的選擇力(Vs)由位於活塞流反應器最末端的快速沉降池實現。不同於傳統活性汙泥工藝二沉池所用的長達1小時以上的沉澱時間，快速沉降池的沉澱時間只有 5分鐘。在此期間，只有沉降速度足夠快的汙泥才可保留在反應器中。該活塞流反應器在美國維吉尼亞州Centreville市的UOSA市政汙水處理廠進行了中試，其初級出水（PE）水質詳見表1。反應器接種物為UOSA曝氣池中活性汙泥。
好氧顆粒汙泥的形成與穩定
經過90天的運行，好氧顆粒汙泥成功的在PAG反應器中形成並穩定（圖2a），並與接種的傳統活性汙泥在表觀上有了顯著差異（圖2b）。如表2所示，50%的連續流好氧顆粒汙泥直徑（d50）大於3.4mm，而相比之下傳統活性汙泥的d50隻有0.3mm。此外，汙泥沉降性能顯著提高。如圖3所示，PAG反應器中的汙泥沉降性能（SVI）在前90天的運行時間裡逐步改善並於90天後達到穩態。如表2所示，穩態時的好氧顆粒汙泥的5分鐘和30分鐘SVI都顯著低於傳統活性汙泥，且其比例接近1，這也是好氧顆粒汙泥沉降性能良好的顯著標誌。
汙染物的去除性能
在汙染物的去除方面，對比了連續流顆粒汙泥反應器和UOSA汙水處理廠活性汙泥反應器對COD和氨氮的去除效果。如表2所示，連續流顆粒汙泥反應器對總COD的去除與UOSA活性汙泥反應器相近，而對溶解性COD的去除（61.6%）低於活性汙泥反應器（80.9%）。這可能是由於傳統活性汙泥較大的比表面積使其對於溶解性COD有更好的吸附能力。連續流顆粒汙泥反應器和傳統活性汙泥反應器對氨氮去除效果相近，去除率均可達99%以上。
前景展望
活塞流式反應器（PAG）可實現連續流好氧汙泥的顆粒化，具有工藝流程簡單、易於控制與運行等諸多優勢。PAG工藝對汙泥沉降施加的水力選擇速度為傳統活性汙泥沉澱池的10倍，換言之PAG工藝的沉澱池佔地僅為傳統工藝的十分之一。此外，水力旋流器（hydrocyclone）和斜板（管）沉澱池等佔地面積小且價格便宜的設備均可用於汙泥沉降速度的選擇。因此，傳統市政汙水處理廠僅需對現有設施進行簡易改造即可實現連續流好氧顆粒汙泥工藝，極大降低了改造成本，為其在市政汙水處理中的廣泛推廣和應用提供了堅實的基礎。
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