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主要作者： 杨延栋，彭永臻，张亮
通 讯单位： 北京工业大学环生学部，城镇污水深度处理与资源化利用技术国家工程实验室
原文链接： https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.142318
图片摘要
成果简介
近日，北京工业大学彭永臻院士团队在环境领域学术期刊 Chemical Engineering Journal 上发表了题为 “A novel two-stage aerobic granular sludge system for simultaneous nutrient removal from municipal wastewater with low C/N ratios” 的学术论文。论文针对好氧颗粒污泥 （AGS） 工艺处理低 C/N 城市污水启动时间长、脱氮除磷效率低的问题，提出了一种基于微生物相分离的新型两段式 AGS 工艺。工艺第 I 段在厌氧/好氧运行模式下富集聚磷菌，实现强化生物除磷，在短水力停留时间下利用高有机负荷抑制硝化细菌生长并加快污泥颗粒化；第 II 段富集氨氧化菌和厌氧氨氧化菌，通过短程硝化/厌氧氨氧化途径自养脱氮。利用实际低 C/N 城市污水验证了两段式 AGS 工艺的可行性。在未投加外碳源的情况下，两段式 AGS 工艺在 60 天内成功启动，系统脱氮除磷性能良好，氮磷去除率分别为 81% 和 91% 。本研究为 AGS 处理低 C/N 城市污水的应用提供了一种新的思路。
引言
好氧颗粒污泥 （AGS） 是一种具有应用前景的污水生物处理技术，可在提高污染物去除效率的同时减少污水处理设施占地面积。目前利用 AGS 处理低 C/N 城市污水仍面临一些瓶颈问题，如启动时间长、氮磷去除效果不佳等。短程硝化/厌氧氨氧化 （PN/A） 脱氮工艺的提出为解决上述问题提供了新的思路。传统 AGS工 艺可被分为两段：第I段用来强化生物除磷 （EBPR） ，第 II 段通过 PN/A 去除水中氨氮。 PN/A 脱氮无需有机碳源，污水中可用于生物除磷的碳源充足。此外，第I段无需考虑硝化，可采用高有机负荷促进污泥颗粒化；在第 II 段，厌氧氨氧化污泥通常具有良好的聚集特性。因此两段式 AGS 工艺有望同时促进污泥颗粒化和提高脱氮除磷性能。基于此，本研究采用实际低 C/N 城市污水，在串联的序批式反应器中分别实现 EBPR 和 PN/A ，启动两段式 AGS 工艺，考察长期运行下的脱氮除磷性能、颗粒完整性和系统稳定性，评估两段式 AGS 工艺应用潜力 。
图文导读
EBPR 和 PN/A 反应器中的污泥颗粒化进程
得益于启动阶段的高有机负荷 （2.0±0. 6 kg C OD/(m3?d)） ，EBPR反应器实现了污泥的快速颗粒化。运行 20 天，反应器内出现大量乳白色的微小颗粒，污泥平均粒径由 94μm 增加到 210μm 。在第 60 天，污泥平均粒径增至 474μm ，颗粒污泥 （d > 0.2mm） 占比达 70.4% ，表明 A GS 成功启动。成熟的 EBPR 颗粒呈规则球形和棕褐色，污泥容积指数 SVI30 为 40~50mL/g 。 PN/A 反应器接种污泥取自高氨氮PN/A中试系统，同时含有絮状污泥和颗粒污泥，颗粒污泥占比 42.2% 。随着反应器运行，污泥平均粒径由 281μm 增至 374μm ，颗粒污泥占比增至 65.1% 。运行 160 天后， PN/A 颗粒仍基本保持厌氧氨氧化培养物特有的红色外观，表明厌氧氨氧化菌在系统中得到了有效持留。综上，在适当的接种和运行条件下，两段式 AGS 工艺可在 60 天内成功启动。颗粒化不仅提高了污泥沉降性能，还有利于生长相对缓慢的功能微生物（如聚磷菌和厌氧氨氧化菌）的富集与持留，从而促进了系统脱氮除磷性能和稳定性。
图1 运行过程中两反应器内污泥形态（a: EBPR, d: PN/A）、粒径分布（b: EBPR, e: PN/A）、污泥浓度及沉降性能（c: EBPR, f: PN/A）的变化。
两段式AGS工艺脱氮除磷性能
两段式 AGS 工艺实现了生物脱氮和除磷过程的分离。其中磷主要在 EBPR 反应器中去除，总磷（ TP ）去除率高达 89% ，有机物也被同步去除，化学需氧量（ COD ）去除率为 75% 。由于短水力停留时间（ 1.1~3 h ），硝化过程在 EBPR 反应器中得到抑制，进水和出水氨氮浓度接近。随后污水进入 PN/A 反应器。 PN/A 反应器脱氮性能良好，氨氮和总氮（ TN ）去除率分别为 89% 和 79% 。最终，在未投加外碳源的情况下，两段式 AGS 工艺实现了低 C/N 城市污水同步脱氮除磷， COD 、氨氮、 TN 和 TP 的去除率为别为 87% 、 90% 、 81% 和 91% 。两段式 AGS 工艺良好的脱氮除磷性能得益于：（ 1 ） PN/A 自养脱氮解决了传统 AGS 工艺生物脱氮和除磷对有机碳源的竞争矛盾；（ 2 ）微生物相分离使生物脱氮和除磷在各自优化的环境条件下进行。
图2 两段式AGS工艺对COD（a）、TP（b）、氨氮（c）和TN（d）的去除性能
微生物菌群特征
微生物菌群分析证实了脱氮和除磷微生物相的分离。 EBPR 颗粒污泥富集了高丰度的聚磷菌如 Candidatus Accumulibacter (15.3%) ，硝化细菌包括氨氧化菌（ AOB ）和亚硝酸盐氧化菌（ NOB ）丰度则低于 0.01% 。而在 PN/A 颗粒污泥中，聚磷菌几乎未被检测到，自养脱氮功能微生物包括厌氧氨氧化菌（ Candidatus Kuenenia 3.0% 和 Candidatus Brocadia 0.8% ）和 AOB （ Nitrosomonas 0.7% ）则得到富集。需要指出的是， EBPR 反应器中聚磷菌的富集不仅促进了磷的高效去除，且由于聚磷菌生长相对缓慢有利于高有机负荷下颗粒污泥的长期稳定。此外， PN/A 反应器中富集了高丰度的丝状绿弯菌门（ Chloroflexi ）微生物，可为 PN/A 颗粒提供骨架结构，也有利于颗粒的生长和长期稳定。
图3 两段式AGS工艺的微生物菌群结构（a：门水平，b：属水平）
两段式AGS工艺资源回收潜力
两段式 AGS 工艺中 EBPR 在高负荷条件下运行，有机质及磷的捕获得到强化，为资源回收提供了有利条件。文中构建了基于两段式 AGS 工艺的污水处理厂概念模型，并对 COD 和磷的物质流进行了分析。结果表明原水中 64% 的 COD 可主要通过初次沉淀和 EBPR 转移到污泥相中，经污泥厌氧消化可以沼气形式回收原水中 33% 的有机质。此外 EBPR 可将原水中 86% 的磷以聚磷酸盐形式捕获到聚磷菌胞内，在随后的污泥厌氧消化中大部分的磷重新释放于污泥消化液中，通过化学沉淀可以鸟粪石形式回收原水中 68% 的磷。
图 4 基于两段式AGS工艺的污水处理厂COD和磷物质流分析
小结
本文提出了一种基于微生物相分离的新型两段式 AGS 工艺，通过 EBPR 耦合 PN/A 实现了低 C/N 城市污水同步脱氮除磷，具有启动时间短、脱氮除磷效果好和资源回收潜力高等技术优势，该工艺在低有机强度低 C/N 城市污水处理领域具有一定的应用前景。
该项目得到了国家重点研发计划课题（ 2021YFC3200605 ）及国家自然科学基金项目（ 52122005 ）的资助。
主要作者介绍
彭永臻 ： 山东省莱州市人、中国工程院院士、环境工程和污水处理专家，工学博士，北京工业大学环境学科首席教授、“城镇污水深度处理与资源化利用技术 -- 国家工程实验室 ” 主任。先后获得 “ 全国模范教师 ” 、 “ 国家教学名师 ” 、 “ 全国优秀科技工作者 ” 、 “ 全国劳动模范 ” 、 “ 北京市人民教师 ” 等称号，及何梁何利科技进步奖。彭永臻教授在城市污水处理领域取得了多项突破性成果。获国家科技进步与国家技术发明二等奖 4 项、省部级一等奖 8 项。以第一或通讯作者发表 SCI 论文 350 余篇，其中一区 IF >9.0 的 260 余篇， ESI 在线高被引论文 15 篇。以第一发明人获授权发明专利 230 余项，并转让 107 项；出版专著 9 本。培养工学博士 94 人，有 2 人获 “ 全国百篇优秀博士学位论文 ” ， 5 人获 “ 全国优秀博士学位论文提名 ” 。
杨延栋 ： 工学博士。现任职于青岛理工大学环境与市政工程学院，硕士生导师。研究方向为污水生物处理与资源化，主持和参与国家和省部级科研项目 4 项，发表学术论文 16 篇，获国家发明专利 4 项。
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只看楼主 我来说两句 抢板凳好资料，学习啦，谢谢楼主分享
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