Nereda好氧颗粒污泥工艺的脱氮除磷性能及工程实例

Nereda好氧颗粒污泥工艺的脱氮除磷性能及工程实例
Nereda工艺是一种成熟可靠的应用于污水生化处理的好氧颗粒污泥技术。凭借Nereda反应器的特殊内件及运行周期，Nereda工艺具有同时脱氮除磷的优异性能。以荷兰3座应用Nereda技术的市政污水厂（Epe，Utrecht和Garmerwolde污水厂）为工程案例，详细介绍了它们的概况以及实际的脱氮除磷运行表现。*后总结了Nereda技术的优点以及应用方面的竞争优势。
 
在水环境保护要求日趋严格的背景下，全国多地如江苏、浙江、安徽、云南、广东、河北等重点区域以及流域相继颁布和实施了严于《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A标准的地方标准，这些标准的颁布和实施均对污水处理厂的处理能力提出了更高要求，尤其是出水氮和磷的排放标准更为严格。因此，同时具备脱氮除磷功能的污水处理工艺是高排放标准污水厂的必然选择。
Nereda工艺属于好氧颗粒污泥（AGS）工艺的一种，是荷兰皇家哈斯康宁DHV公司与荷兰代尔夫特理工大学于20世纪90年代开始研发的具有优异的脱氮除磷性能的新型水处理工艺。至2022年初，在欧洲、非洲、澳大利亚、北美和南美洲，已运行的Nereda工艺污水处理设施已有50多座，总处理能力超过1300万人口当量（约260×104m3/d）。在已建成投运的项目中，不乏日处理能力数万乃至数十万吨的大型污水处理厂，这表明该工艺可以应用于不同规模的市政污水和工业废水处理厂。目前，该工艺已进入中国并建成了全规模的污水处理厂。pH做为基本的污水指标，势必成为供求的热点，这对广大的E-1312 pH电极，S400-RT33 pH电极制造商，比如美国BroadleyJames来说是个重大利好。美国BroadleyJames做为老牌的E-1312 pH电极，S400-RT33 pH电极制造商，必将为中国的环保事业带来可观的经济效益。我们美国BroadleyJames生产的E-1312 pH电极，S400-RT33 pH电极经久耐用，质量可靠，测试准确，广泛应用于各级环保污水监测以及污水处理过程。
 
与采用絮状污泥的传统活性污泥法或生物膜系统不同，Nereda工艺中处理污水的微生物在不需要载体的情况下，可自发聚集为颗粒状污泥。由于好氧颗粒污泥的体积较大，氧和水中的物质无法全部进入和渗透到颗粒的核心，因而在颗粒径向上形成了浓度梯度。例如，越靠近污泥表面，氧浓度越高，在表面附近形成富氧区；向里则构成缺氧区乃至逐步过渡到核心的厌氧区。在不同分区中，存在着各自的优势微生物种群，这已被荧光原位杂交分析所证实。上述好氧颗粒污泥的结构和独特性质，使其在一个颗粒污泥上，即可达成COD、BOD5和氮、磷的同时高效去除。
相关实验已经证实，通过控制“丰盛-饥饿”、溶解氧的饱和度、进水模式等方式可以优化好氧颗粒污泥工艺的脱氮除磷性能。为此结合Nereda工艺的运行模式，阐释了好氧颗粒污泥的脱氮除磷性能优异的原因，同时结合荷兰的3个典型工程案例，进一步分析了Nereda工艺实际的脱氮除磷表现，以供参考。
01 Nereda工艺的脱氮除磷性能
1.1 脱氮除磷基本过程
相关荧光原位杂交分析已经证实，好氧颗粒*外层主要分布着硝化菌，颗粒内部主要含聚磷菌、反硝化菌、聚糖菌等，这些菌群在传统活性污泥系统中也同样存在。由代尔夫特理工大学提供的好氧颗粒污泥与活性污泥中的微生物种群分布如图1所示。
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对于传统活性污泥和好氧颗粒污泥工艺去除生物营养物的过程而言，上述不同功能菌群发生的生化反应基本是相同的。具体而言，聚磷菌在厌氧进水期间将易生物降解的COD转化为糖原或聚-β-羟丁酸（PHB）储存，并释放出磷酸盐，而在曝气期间聚磷菌使用储存的PHB作为碳源并吸收厌氧期间释放的磷酸盐，同时硝化菌将氨氮转化为硝酸盐氮。当系统处于缺氧阶段时，反硝化菌将硝酸盐转化为氮气，完成反硝化过程。
1.2 Nereda工艺的运行模式
与传统活性污泥工艺不同的是，Nereda工艺在培养出具有良好沉降性能的好氧颗粒污泥的同时，对废水中的COD、氮和磷也具有显著的去除效果。主要的原因在于其特殊的运行模式（见图2）和污泥筛选机制。
 
①同时进水和出水在进水阶段，来水自反应器的底部进入，并通过特殊的布水内件在接近柱塞流流态下穿过沉降的颗粒污泥床层。由于进水为柱塞流的流态，反应器顶端的经上一周期处理并净化好的水与底部进入的污水之间没有掺混，使得经过处理的污水能够被置换（或者说“推出”）而成为出水；由此反应器在出水的同时也在不断进水。不同于传统的SBR工艺，Nereda反应器使用的是静态固定滗水器而非移动滗水器，且可以同时进水和出水，不需要单独设置耗时的滗水阶段。另外，滗水过程中反应器水位固定，也避免了传统SBR系统水位变化造成的水头“浪费”。
②曝气所有的生物处理过程几乎都发生在曝气反应阶段，通常采用微孔曝气工艺。由于颗粒污泥体量较大，在其结构内会产生氧浓度梯度，颗粒污泥*外层的有机污染物被高效氧化，同时硝化细菌也聚集在颗粒外层，将氨氮转化为硝态氮。硝化产生的硝态氮扩散到颗粒内部的缺氧层后会发生反硝化反应，实现脱氮；此外，超常的生物吸磷过程也同时发生。
③快速沉降在这个阶段，颗粒污泥与处理过的污水会实现泥水分离。由于颗粒污泥优异的沉降特性，因此所需的沉降时间很短，通常为5～30min。泥水分离后，将曝气阶段生长和积累而形成的剩余污泥排出系统。
1.3Nereda工艺的脱氮除磷特点Nereda系统的设计和运行采用的是序批式SBR模式，但Nereda工艺是专门为了培养好氧颗粒污泥而设计的，因此有着与众不同的特点。
首先，从微生物学角度，Nereda工艺的设计充分利用了“丰盛-饥饿”机制，即厌氧-好氧交替的运行机制，筛选出了慢速生长的聚磷菌。通常Nereda工艺的厌氧进水时间较长，一般为0.6～2.0h。较长的厌氧时间可确保进水阶段所有易降解COD都能转化为聚羟基脂肪酸（PHA），即储存在微生物体内的慢速可生物降解的聚合物。当进入曝气阶段后，微生物将主要利用内部储存的生物聚合物进行好氧代谢，如此会降低细菌的生长速率。而较低的生长速率会使颗粒污泥的生长更慢、更密实，因此维持颗粒污泥光滑的表面只需更小的剪切力。如此，培养出的好氧颗粒污泥将更加稳定。
其次，从Nereda工艺系统实际运行的表现可以发现，依托于反应器在线仪表如溶解氧（DO）、氨氮、硝酸盐等监测仪，通过灵活地优化曝气阶段和缺氧阶段的时间，以及改变曝气系统的DO设定点等手段，可以调节生化系统的硝化与反硝化能力。在曝气过程中，氨氮被转化为硝酸盐，由于颗粒中存在固有的氧梯度，微生物将利用外部的COD使一部分硝态氮在颗粒内部的缺氧区发生反硝化反应，此为同时硝化反硝化过程。此外，相关研究还证实聚磷菌和聚糖菌在厌氧情况下储存的生物聚合物也可充当反硝化过程中的电子供体。同时，在好氧条件下，聚磷菌将磷酸盐储存为聚磷化合物，从而实现反硝化和磷酸盐去除的双重功能。因此Nereda工艺可以减轻聚磷菌与反硝化菌对进水COD的竞争，节省COD的消耗，使更多的COD用于反硝化，从而提高氮的去除率。只要维持缺氧条件，聚磷菌就不会在液体中释放磷酸盐，这将使出水中的磷浓度也较低。