活性污泥法作為城市污水處理的主流技術，在全球范圍內得到了廣泛應用。然而，該工藝在處理效能和經(jīng)濟性方面仍面臨諸多挑戰(zhàn)。特別是活性污泥沉降性能的不穩(wěn)定性，直接影響到污水處理效果，并導致處理設施占地面積的增加。在處理低濃度污水時，絲狀菌的過度增殖往往導致污泥沉降性能惡化。好氧顆粒污泥（AGS）技術作為一種改善污泥沉降性和提高綜合處理性能的方法，越來越受到人們的關注。AGS密度較大且直徑一般大于200μm，具有優(yōu)異的固液分離效果。AGS的使用增加了生物反應器中的生物量，減少了占地面積和運行成本，提高了營養(yǎng)物去除性能。在過去的20年中，AGS技術主要用于序批式反應器（SBR），但SBR處理水量有限，同時它需要定期從側流引入?yún)捬躅w粒，如果缺少這一步驟，則短時間內很難形成顆粒污泥。傳統(tǒng)的污水處理廠（WWTPs）大多采用連續(xù)流工藝，因此采用好氧顆粒污泥改造連續(xù)流工藝（CAGS）不僅能提高處理能力，而且還能節(jié)約投資。
Liu等人對AAO工藝進行改造，采用雙沉淀池模式，75d后實現(xiàn)顆粒污泥完全造粒。余誠等人對缺氧池和好氧池進行改造，改良后的AAO工藝在30d后實現(xiàn)穩(wěn)定造粒。雖然已經(jīng)有研究者對CAGS進行了一些研究，但都對AAO工藝的設施進行了改造，同時顆粒污泥的造粒時間較長（30d以上）。針對以上問題，蘇南某污水處理廠采用成球劑進行污泥接種并加入生化池，在不對設施進行改造的前提下啟動AAO-AGS（ECAGS），考察在實際污水處理廠中培養(yǎng)長期穩(wěn)定存在且能高效脫氮的AGS的可行性，以期為ECAGS在工程上的應用提供理論和實踐依據(jù)。
1、材料與方法
1.1 污水廠概況
該污水處理廠采用AAO工藝，主要處理生活污水，生化池進水量為2100m3/h，內回流量為6480m3/h，外回流量為1800m3/h，內回流比約為300%，外回流比約為85%。生化處理單元采用加蓋處理，因此全年水溫都能保持在20℃以上。厭氧區(qū)、缺氧區(qū)和好氧區(qū)的水力停留時間（HRT）分別為3、6和10.2h，總水力停留時間為19.2h。生化處理單元主要去除COD、TN和TP等物質，后續(xù)深度處理單元（如混凝和超濾）進一步去除TP和SS，出水執(zhí)行《太湖地區(qū)城鎮(zhèn)污水處理廠及重點工業(yè)行業(yè)主要水污染物排放限值》（DB32/T1072—2018）標準，設計進出水水質見表1。
1.2 ECAGS系統(tǒng)
生產(chǎn)性試驗在2023年8月—2024年3月進行，持續(xù)244d。該技術的應用建立在不改變廠區(qū)現(xiàn)有工藝路線、不改造構筑物和設備的基礎之上。工藝流程如圖1所示，在廠內剩余污泥排放管路上外接管路至整套裝置，篩選污泥后按一定比例（按生產(chǎn)工藝需求調控）回流至生化池及外排至污泥濃縮池。
在生化池及污泥回流泵房之間布置了一套“污泥活性倍增”一體化撬裝裝置（5m加高集裝箱，2臺，定制），其包括剩余污泥過濾器（Q=200m3/h，1臺）、剩余污泥除砂器（Q=200m3/h，1臺）、顆粒污泥篩分系統(tǒng)（Q=40m3/h，4臺，定制）、成球劑投加系統(tǒng)（1臺，定制）、顆粒污泥孵化器（1臺，定制）、顆粒污泥篩分反洗系統(tǒng)（2臺，定制）、剩余污泥提升泵（Q=80m3/h，H=32m，N=18.5kW，2臺，變頻）、顆粒污泥回流泵（Q=37.5m3/h，H=15m，N=11kW，1用1備，變頻）等。
從剩余污泥管路中延伸出一個支管至一體化裝置，先經(jīng)過濾裝置（過濾器和除砂器）去除雜物，防止對后續(xù)設備造成污堵，同時還能提高污泥處理效率并降低運行成本。在顆粒污泥篩分系統(tǒng)（圖1中的4個罐體），先根據(jù)沉降速率的不同篩分出大顆粒污泥，然后通過旋流分離器將固體顆粒與液體分離，提高污泥固體濃度。當顆粒污泥在ECAGS系統(tǒng)中循環(huán)后，篩分系統(tǒng)根據(jù)密度差和水力旋流作用將未成型的成球劑進行有效回收，與篩分出的污泥一起進入污泥接種設施，提高成球劑利用率。罐體內置的旋流分離反洗器定期反洗，可清除旋流分離器內積累的固體顆粒和雜質，防止堵塞。顆粒污泥篩分系統(tǒng)將篩分出的輕質污泥排出，其余進入顆粒污泥孵化器。成球劑投加系統(tǒng)（包括儲存系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)及投加計量系統(tǒng)）向顆粒污泥孵化器內投加成球劑，誘導顆粒污泥形成，隨后將顆粒化的污泥加入好氧池前段。其中，顆粒污泥孵化器為關鍵部分，顆粒污泥在此處完成初步造粒過程。但其他部分的存在提高了污泥造粒的成功率和穩(wěn)定性，因此每部分都不可或缺。
1.3 分析項目與檢測方法
COD：重鉻酸鉀消解法，TN：堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，TP：鉬酸鹽分光光度法，AGS粒徑分布：Mastersizer3000激光粒度儀，AGS微觀結構和形態(tài)：Sigma500掃描電鏡。
2、結果與分析
2.1 運行效果
為了避免后續(xù)深度處理單元對水質的影響，選擇生化末端出水（ECAGS出水）進行分析。在2023年8月—2024年3月共244d的運行中，雖然進水水質出現(xiàn)過波動，但ECAGS系統(tǒng)對COD、TN、TP的去除效果保持穩(wěn)定，平均去除率分別為88.4%、81.2%和93.4%，這表明該系統(tǒng)有很強的抗水質沖擊能力（見圖2）。在類似CAGS工藝中，受制于系統(tǒng)啟動初期無法穩(wěn)定形成AGS，污泥濃度較低導致系統(tǒng)對污染物的去除效果較差。余誠等人發(fā)現(xiàn)CAGS在30d后才實現(xiàn)穩(wěn)定造粒。但ECAGS得益于前期利用成球劑完成污泥接種過程，一般在3d內可實現(xiàn)初步造粒，14d內便可實現(xiàn)完全造粒過程。為了不影響原有的生產(chǎn)運行，ECAGS工藝在AAO工藝基礎上直接進行改造。因此運行的前14d，出水COD、TN和TP濃度分別為40、10.7和0.25mg/L，略高于全周期平均值。14d后出水水質保持穩(wěn)定，全周期出水COD、TN和TP平均濃度分別為39、9.7和0.23mg/L，達標時間占比達到100%，這表明ECAGS成功啟動。
進入穩(wěn)定期后進水水質也會經(jīng)歷較大波動，但這與進水量無關（秋冬季降雨較為穩(wěn)定），這一般歸因于外部管網(wǎng)改造和部分點位有違規(guī)排放現(xiàn)象。在這一階段（15~244d），出水COD、TN和TP濃度分別為38.8、9.6和0.23mg/L，且波動很小。這可能是因為ECAGS的穩(wěn)定運行，提高了污泥粒徑和AGS占比，而這種變化進一步提高了系統(tǒng)的污染物去除性能。改造前同時期出水COD、TN和TP濃度分別為40.2、10.2和0.24mg/L，改造后分別下降了3%、5%和4%。由此可見，改造后出水污染物濃度降低且穩(wěn)定，即經(jīng)過ECAGS系統(tǒng)改造后，提高了污水廠的運行效果。
2.2 AGS特性
在ECAGS系統(tǒng)運行7d后，觀測到了顆粒污泥的形成，而顆粒化的初步跡象或許出現(xiàn)得更早。Han等人在使用磁鐵礦作為成球劑培養(yǎng)AGS時，同樣發(fā)現(xiàn)污泥顆粒化現(xiàn)象在AGS穩(wěn)定造粒前已經(jīng)出現(xiàn)，這種現(xiàn)象歸因于生化系統(tǒng)中較高的污泥濃度，導致通過肉眼難以及時辨識顆粒化的具體進程。采用孔徑為0.2mm的篩網(wǎng)對系統(tǒng)內污泥進行篩選，成功獲取了輪廓分明的AGS，其比傳統(tǒng)絮狀污泥更大、更緊實，污泥層更清晰，界限分明。利用數(shù)碼攝影技術和掃描電鏡對篩選所得AGS進行觀察，結果見圖3。在微觀層面上，AGS展現(xiàn)出緊密的結構特征，主要由球菌和桿菌構成，這一結果與已有文獻中關于AGS形態(tài)結構的描述高度吻合，有力地證明了本系統(tǒng)已成功培育出AGS。此外，還清晰可見眾多孔隙結構，這些孔隙很可能扮演著傳輸?shù)孜锖脱鯕獾年P鍵通道角色。
圖4反映了AGS沉降性能和粒徑分布隨時間的變化。ECAGS啟動之初AGS穩(wěn)定性較差且占比較少，此時污泥沉降性能較差，SVI5/SVI30在1.2~1.5之間，隨著系統(tǒng)的穩(wěn)定SVI5/SVI30逐漸降低（1~1.2）。ECAGS系統(tǒng)中SVI5/SVI30始終略高于1，其原因可能為：①選擇壓力裝置中部分小顆粒污泥未被完全篩除并進入ECAGS系統(tǒng)；②絲狀菌的過度繁殖可能導致部分污泥膨脹；③AGS的占比不高，大量絮狀污泥的存在影響了沉降性。
由圖4（b）可知，隨著ECAGS的運行，粒徑分布曲線明顯右移，這表明污泥粒徑在不斷增大。接種后污泥（進入生化池前）平均粒徑為74μm，而普通市政污泥的粒徑一般不超過50μm，這種較大的粒徑歸因于前端壓力選擇器對于優(yōu)質污泥的篩選。將接種后的污泥加入生化池10d后，污泥粒徑顯著增加到131μm，隨著ECAGS的持續(xù)運行，污泥粒徑進一步增大，14d后污泥平均粒徑增加到186μm，粒徑>200μm的AGS占比增加到34.6%。之后粒徑分布趨于穩(wěn)定，運行244d后（2024年3月31日），平均粒徑維持在174μm，且粒徑超過200μm的AGS比例依然高達31.5%。在長期監(jiān)控過程中，未觀察到污泥沉降性能退化或AGS占比大幅度減少的跡象，這證實了該系統(tǒng)長時間運行的穩(wěn)定性。
2.3 AGS形成機理
ECAGS的造粒過程主要分為兩個階段：①反應器內加入成球劑完成污泥接種；②接種后的污泥受水力剪切力影響發(fā)生團聚造粒。根據(jù)晶核理論，在AGS造粒過程中添加的載體（成球劑）能充當細胞初始附著的細胞核，從而使微生物的附著速度和污泥造粒速度更快。類氧化硅物質化學穩(wěn)定性好，環(huán)境安全性高，在反應過程中能夠自然分解，且不會引起免疫反應和異物反應。基于以上特點類氧化硅物質被廣泛用作AGS的成球劑。ECAGS通過過濾裝置（剩余污泥除砂器和過濾器）和氣固液三相高效顆粒污泥篩分系統(tǒng)去除雜質及輕質污泥，大顆粒絮狀污泥進入顆粒污泥孵化器中并投加成球劑。此時成球劑表面的羥基基團通過范德華力與污泥中的膠體顆粒、有機物等發(fā)生吸附作用，形成穩(wěn)定的吸附層。而羥基在吸附過程中還會通過架橋作用相互連接，促進AGS產(chǎn)生。初期的AGS粒徑通常較小，污泥層僅薄薄地覆蓋在成球劑表面，這是由于微生物聚集尚未完全成熟。同時微生物尚未完全適應聚集生活，EPS的分泌量相對較少。EPS在污泥顆粒的形成和穩(wěn)定過程中起著關鍵作用，但其初期含量較低也導致污泥顆粒的穩(wěn)定性較差。
AGS的完全造粒過程通過好氧池內水力剪切力實現(xiàn)。接種后的剩余污泥回流到連續(xù)流活性污泥工藝中的好氧區(qū)前端，經(jīng)過10~15d的馴化，生化系統(tǒng)內將形成一定比例的AGS，并與傳統(tǒng)的絮狀污泥共生。底部曝氣設備通過向水體中注入氣體，形成氣泡并上升。同時好氧池的進水按一定流速注入好氧池底部，與底部曝氣共同作用，形成混合推動力。這股力量驅動水流撞擊好氧池的內部廊道，隨后水流被廊道反射并向四周擴散。在此過程中，氣體穿越池壁間的氣液界面釋放至大氣，而混合液則被迫向下流動，從而在好氧池內構建起穩(wěn)定的內循環(huán)流場。在該循環(huán)機制的驅動下，污泥接種后產(chǎn)生的小型聚集體作為AGS的前體，持續(xù)吸附微生物于其表面進行生長與增殖，同時在剪切力的作用下，水體中的微生物通過互相接觸碰撞并逐漸聚集。污泥表面的EPS受外力刺激會加速分泌，進而增強團聚效應。隨著AGS的持續(xù)生長，受氧氣與基質傳輸限制，其內部可能形成基質匱乏的厭氧區(qū)域，導致AGS解體。解體后的碎片可再次作為AGS形成的前體，參與到新一輪的顆粒化過程中。在ECAGS內全部剩余污泥通過旋流分離系統(tǒng)進行顆粒污泥和絮狀污泥的有效分離，顆粒污泥持續(xù)回流到生化系統(tǒng)內，絮狀污泥則被排放至污泥濃縮池或污泥儲池進行脫水處理。由于好氧池內部循環(huán)的持續(xù)作用，污泥顆粒化展現(xiàn)為一個動態(tài)平衡過程，這解釋了AGS在系統(tǒng)內長期保持穩(wěn)定且粒徑與顆粒化比例趨于恒定的原因。此外，相較于傳統(tǒng)活性污泥工藝采用離心或軸流泵進行污泥回流，后續(xù)采用氣體回流技術能夠有效避免AGS的機械性破碎，從而更有利于AGS的長期穩(wěn)定維持。
2.4 經(jīng)濟性分析
2.4.1 污泥減量效果
ECAGS的應用實現(xiàn)了污泥原位減量。具體而言，在該技術應用前（2022年8月—2023年3月），平均表觀產(chǎn)泥率為0.61kgSS/kgCOD；而自該技術投入生產(chǎn)性應用后（2023年8月—2024年3月），平均表觀產(chǎn)泥率降至0.54kgSS/kgCOD，降幅達11.32%。經(jīng)初步核算，污水廠一年可節(jié)省污泥處置費用約87萬元。上述數(shù)據(jù)基于廠內水質、水量數(shù)據(jù)進行評估，考慮到自然環(huán)境變化（季節(jié)性水溫變化、降雨量波動）及人為操作（如設備維護、工藝調整）等因素可能帶來的干擾，后續(xù)還需進一步跟蹤監(jiān)測。同時，萬噸水絕干污泥量也呈減少趨勢，從1.70t降低至1.55t，降低約8.82%。萬噸水COD、BOD、SS削減總量均呈上升趨勢，由2.77、1.13、1.32t增加至2.86、1.20、1.58t，分別提高了0.09、0.07、0.26t。
為了從多個角度驗證污泥減量效果，根據(jù)城鎮(zhèn)污水處理廠剩余污泥量公式對理論產(chǎn)泥量進行了計算。結果顯示，采用該技術后，實際產(chǎn)泥量與理論產(chǎn)泥量之間的差異顯著擴大（見表2）。這一趨勢不僅直觀反映了實際產(chǎn)泥量的明顯減少，進一步驗證了ECAGS技術在降低產(chǎn)泥量方面的高效性。
2.4.2 藥耗、能耗分析
ECAGS技術的污泥減量化效果顯著，同時其在降低能耗和藥劑消耗方面也具有明顯優(yōu)勢。該技術通過增強生化系統(tǒng)對污染物的去除能力，使污水處理廠在確保出水水質達標的前提下，能夠有效降低運行成本。具體而言，采用ECAGS工藝實施改造后，能耗從0.29kW·h/m³降至0.18kW·h/m³，降低了37.9%；碳源（乙酸）和聚合硫酸鐵的投量分別從0.035、0.037kg/m³下降至0.024、0.023kg/m³，分別節(jié)省了31.4%和37.8%，全年節(jié)約藥劑費用近22萬元；同時，因為污泥減量，每年可以節(jié)省污泥處理費約87萬元。綜上所述，每年合計節(jié)省費用約109萬元。該系統(tǒng)的總投資約為220萬元（包含硬件設備、軟件系統(tǒng)等費用），年運行費用約為28萬元（包括電費約18萬元和年度服務費約10萬元），因此，采用該技術后預計可在3年內實現(xiàn)投資回收，展現(xiàn)出良好的經(jīng)濟效益和應用前景。
3、結論
①采用基于成球劑和外置污泥篩分系統(tǒng)的連續(xù)流好氧顆粒污泥工藝（ECAGS）成功實現(xiàn)對蘇南某污水處理廠的AAO工藝改造，該技術不改變廠區(qū)現(xiàn)有工藝路線，具有良好的普適性。
②ECAGS啟動兩周可觀察到AGS形成現(xiàn)象，污泥平均粒徑為186μm，粒徑>200μm的AGS占比可達到34.6%。
③相比于傳統(tǒng)的AAO工藝，經(jīng)過改造后的ECAGS系統(tǒng)不僅提高了對污染物的去除能力，還可以有效降低污水處理廠的能耗和藥耗，降低了運行成本。
④ECAGS系統(tǒng)能顯著降低污泥產(chǎn)量，平均表觀產(chǎn)泥率為0.54kgSS/kgCOD，與改造前相比降幅達11.32%。（來源：蘇州高鐵蘇水水務有限公司，蘇州城市建設投資發(fā)展集團有限公司）
