随着荷兰Royal Haskoning DHV公司Nereda®工程案例的增多，越来越多人了解好氧颗粒污泥工艺这项新兴技术。好氧颗粒污泥自身形成一个立体分层的微生物群落，包含聚磷菌（PAOs）、氨氧化菌（AOB）、亚硝酸盐氧化菌（NOB）、反硝化异养菌甚至还有厌氧氨氧化菌（Anammox）。它的分层结构使得颗粒污泥通过底物扩散传质作用形成好氧层、缺氧层以及厌氧层，实现COD以及氮磷的去除。好氧颗粒大大改善了污泥的沉降性能，不需要生物絮凝来进行泥水分离，这些优点使其受到业界的关注。
其实除了荷兰的Nereda®，源自奥地利ARAconsult公司的inDENSE™是另一项能够生成好氧颗粒污泥的技术。
inDENSE™是DEMON™厌氧氨氧化工艺使用的水力旋流器（hydrocyclone）在生物除磷、改善污泥沉降性能、提高处理能力方面的延伸应用。它对二沉池排出的污泥进行筛选，将沉降性能好的污泥颗粒回流到生物反应器中。在不改变原工艺的条件下（如传统的连续式活性污泥工艺），inDENSE™大大提高污泥容积指数（SVI）的表现，无需新增二沉池就能解决混合悬浮固体沉降性差的问题。
传统的活性污泥工艺通过固液分离手段将生物反应池的出水从生物质中分离出来。在二沉池中，活性污泥固体通过重力作用沉至底部。要维持工艺的正常运作，需要确保F/M比和SRT值在适当范围内，所以大部分的污泥会回流到生物反应池中，这部分称作回流污泥（RAS - Return Activated Sludge），不作回流的污泥从工艺线中取出，成为剩余污泥（WAS - Waste ActivatedSludge）。后者随后通过消化、脱水等方法得以处置。沉降性能差的微生物（如丝状菌）的生长速度快过易于沉降的胶团菌的生长，这可能会导致系统沉降性能下降，最终降低整个工艺系统的整体处理能力。InDENSE™研发团队提供的三年测试数据显示该工艺能显著提高污泥的沉降性能，并保持稳定。
▲ inDENSE的工艺流程简图
▲ Strass污水厂安装 inDENSE后的SVI数值变化
另外据介绍，这项技术还附带强化生物除磷（EBPR）的作用，解决传统活性污泥工艺常见的污泥膨胀问题，提高污水厂的实际处理能力。中试测试地点包括奥地利的Strass污水厂、瑞士的Glarnerland污水厂、瑞典的Kapala污水厂和美国的James River 污水厂（HRSD）。SVI改善度在80ml/g到100ml/g之间。
▲ 曾在奥地利的Strass污水厂运行的inDENSE装置
位于美国弗吉尼亚州HRSD卫生局的James River污水处理厂（JRWWTP）是其中一个中试地点。该污水厂处理规模约75000m³/d，采用四段Bardenpho构造的IFAS活性污泥生物膜复合工艺（见下图）。厌氧消化器排出沼渣的氨磷分别用AnitaMox™ 工艺和添加铁盐进行去除。采用IFAS工艺在较短的好氧泥龄（1.5-3.5天）进行硝化作用，但EBPR强化生物除磷与反硝化菌之间的竞争以及生物质在液相与载体间的分布等原因使得生物除磷不稳定。 另外该污水厂的沉降性能向来不好，SVI30在140-150 mL / g， 但与丝状菌问题无关，而是由于二沉池采用周边进水的设计，水力分布不平衡所致。因此研究团队选择了该污水厂应用inDense™工艺，以评估其在改善沉降性和生物除磷稳定性的表现。
▲ James River污水厂工艺流程图
自2015年3月开始，研究团队在污水厂安装了8个 20m³/h的旋流分离器，并开始连续运行（除了2015年5月有一次小型的关停）。如下图所示，进料是一部分的回流污泥（RAS），进料速率视旋流分离器的轻质絮体量而定，这些溢流物会用作剩余污泥进入后续处理。密度更大的颗粒与初沉池出水（PCE）混合后回流至曝气池进水前端。
▲ 旋流分离器的运行流程图
检测数据包括了SSV、SVI等污泥沉降性能参数，另外对沉降速率进行分级：絮体< 1.5m/h，小型聚集体在1.5 – 3m/h之间，大型聚集体为3-9 m/h，颗粒则>9 m/h。另外还有通过Percoll连续密度梯度离心分离法来鉴定曝气池、旋流分离器的底流、溢流的絮体密度。同时也会分析微生物群落的变化。
运行启动器的底流与溢流的水力和质量分流比为20%和80%。经优化后对应数值变为5%和95%。质量和水力曲线的偏差意味着颗粒留在底流中。
▲ 底流和溢流的水力和质量分流率变化趋势
下图显示底流的MLSS浓度经优化增加到40000mg/L，而进水和溢流浓度则维持在3000-5000mg/L的水平。
▲ 底流MLSS浓度的快速增加显示质量分流的改善
底流的挥发性悬浮固体VSS减少了40%，说明旋流分离器能分离出更多的成核物质。
▲ 底流VSS减少意味着颗粒核心材料（granule corematerial）得到有效截留
底流的显微镜分析则显示絮体里边有无机物质。
▲ 絮体中的惰性物质
下图的ISV测试下显示底流的沉降速率增加值超过20m/h， 曝气混合液的沉降速率>2 m/h，并且在试验过程中有轻微提高，而溢流一直保持小于1m/h的水平，说明沉降性能差的絮体持续得到排出。
▲ 底流和曝气池的沉降速度有所提高
下图的密度分析显示溢流的密度维持在1.03-1.04 g/mL的低水平。底流则形成了两个区分带，其中一个有可见颗粒形成，密度值更高，达1.09-1.10g/mL，另一个密度在1.07-1.08 g/mL，相当于沉降性能好的絮体。旋流分离器的连续运行也使得曝气池出水的密度有所提高，这说明沉降性能得到改善的可能性。
▲ 不同水样的密度测量结果
James River污水厂采用IFAS工艺，所以底流、溢流和进料混合液的AOB/NOB比率取决于硝化菌对载体和悬浮液的偏好选择。当硝化反应主要发生在悬浮液中的话，AOB/NOB值分别为0.5-1.5 mg NOx-N/g MLSS/h 和mgNO3-N/gMLSS/h，因为旋流分离器的组分分析显示硝化菌不存在冲刷的情况。
▲ 磷的厌氧释放和好氧/缺氧吸收率显示生物除磷实现稳定运行
下图显示从2016年开始铁盐投加只用于处理厌氧沼渣和配合生物除磷的进行。随着生物除磷的改善，以及SRT控制得到更好的管理，污水厂的沉降性的改善进入稳定期。
▲ 随着生物除磷的稳定化，铁盐投加量逐渐减少
▲ 生物除磷和SRT控制的改善让运行进入稳定期
上述案例分析显示了inDENSE™可以通过旋流分离器提高污泥沉降性能的同事实现稳定生物除磷的潜力。这个项目为好氧颗粒的形成和维持工艺提供了框架，研究团队会继续各种提高沉降性能的优化工作，例如旋流分离器操作的优化，SRT的控制以及生物除磷的稳定化等。
据研发团队总结，inDENSE™工艺的主要优势在于无需对污水厂工艺进行改造的条件下就能实现生物除磷，并且通过外部筛选器（旋流分离器）培养好氧颗粒污泥，减少了化学品用量，并改善了污泥沉降性能。跟传统的提标改造方案相比，该技术似乎更容易整合到现有污水厂中，适合需要升级改造而投资成本预算较低的污水厂。
参考资料：
1.http://worldwat.nextmp.net/wp-content/uploads/2016/10/WWW_inDENSE_Brochure.pdf
2.InDense - James RiverWWTP - http://www.worldwaterworks.com/wp-content/uploads/2016/10/16A-Kennedy1.pdf
3.Implementing Hydrocyclones in Mainstream Process for Enhancing Biological Phosphorus Removaland Increasing Settleability through Aerobic Granulation. A. Ford, B.Rutherford, B. Wett, C. Bott.
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