污水处理新工艺：让活性污泥“抱团”

  城市每天都会产生大量的污水,未经处理的污水直接排放入自然界中,会对自然环境产生巨大危害,危及各种生物的生命安全,其中也包括我们人类自身。

  过去的一百多年来,我们始终借用微生物之手帮我们处理城市中产生的生活污水,这种工艺被称为活性污泥法。活性污泥法最主要的核心就是活性污泥,这是由不同种类的巨量的细菌、真菌等微生物组成的复杂体系,由于在水中分散时的状态看起来像是泥土在水中的样子,而其本身又具有生物活性,故被称为活性污泥。

  好氧活性污泥法自1914年诞生以来,经历过几次技术的改进,但核心物质活性污泥的角色始终没产生大的变化。1991年,来自日本的研究人员在运行好氧升流式污泥床时首次发现了普通活性污泥在特定的运行条件下自发团聚形成的形状不一的小颗粒,其粒径大小分布在2～8mm之间,研究人员将之命名为好氧颗粒污泥。

  好氧颗粒污泥是一种由普通絮状活性污泥经过特定的驯化培养,经过污泥中微生物的筛选、优势种群的确立、由微生物间相互交联依附最终形成的具有一定自我平衡能力的微生物自凝聚体。其在普通絮状活性污泥所具备的对污染物的处理能力之上,还具备更加优异的沉降性能、耐冲击性能以及在重金属污染物、难降解有机物等特殊污染物处置上的优异效果及开发潜能。好氧颗粒污泥相较于传统絮状污泥,具有许多优势,但是其较为复杂的形成条件和较苛刻的运行方式导致其无法迅速铺开从而取代传统絮状污泥进行大范围应用。当前的污水厂中,曝气单元以方形曝气池占绝大多数,这对活性污泥的颗粒化不利,若想推进好氧颗粒污泥的规模化应用,需要对当前的曝气池进行全面改造,这将是一项花费巨大的工程,在好氧颗粒污泥技术尚未完全成熟的情况下,大规模的铺开应用为时尚早,还需等待更全面的技术升级。

  生活污水中所含有的氨氮、COD、总磷以及其他营养物质的浓度,对好氧颗粒污泥的形成有着极大的影响。好氧颗粒污泥的产生过程从微观角度分析,与普通絮状污泥中胞外聚合物(EPS)产量较多的细菌在细菌总体中的占比增加有直接关系。最直接的证据就是在当前的研究中,好氧颗粒污泥中EPS的相对含量是普通絮状污泥的数倍,且通过分析颗粒污泥与絮状污泥中的细菌种类及数量分布,可以发现主导细菌种群呈现显著区别。活性污泥中菌落组成的改变,主要是由于外部环境中各种营养物质的不同而产生。例如,反应器进水中的碳源浓度增加,菌落中对碳源需求旺盛的菌种将会得到极大的促进,从而占据主导地位;而当内环境中碳源浓度降低,对碳源需求旺盛的菌种将会由于营养物质水平受限而被限制生长繁衍,而造成在总体群落中的占比下降。

  目前,大量污水处理厂处理的污水其碳源与氮源的比例普遍较低,这对好氧颗粒污泥的形成不利;且污水中的碳源种类驳杂,还会有多种毒性物质存在的可能,水质较不稳定,如雨季与旱季的水质就差别极大,这在极大程度上阻碍了好氧颗粒污泥的形成以及稳态维持。以当前的技术,直接利用实际污水大规模快速、高效培养好氧颗粒污泥还存在技术瓶颈,很多时候会采用人工配制模拟污水的方式来强化培养,这在提高了技术应用成本的同时,也限制了好氧颗粒污泥的产量。

  好氧颗粒污泥的出现,源自于普通絮状活性污泥,是通过特定条件下的培养而转化得来的,所以从根源上说,二者本是一家。絮状活性污泥可以向好氧颗粒污泥转变,自然好氧颗粒污泥也可以在某些情况下变回絮状污泥。好氧颗粒污泥系统的稳态运行一直也是这项技术关注的重点和难点。

  当前对于好氧颗粒污泥的研究,处在由实验室推广至现场工程的关键阶段,全球多个高校、研究所的研究人员都在对好氧颗粒污泥的实际应用工程进行探索攻关。受限于好氧颗粒污泥的稳定运行体系条件较为苛刻,目前规模化处理实际生活污水的工程,仅有来自荷兰DHV公司采用自有的Nereda工艺,在全球范围内建成了约30座采用好氧颗粒污泥为主体的污水处理厂。我国在规模化应用好氧颗粒污泥方面,尚未有成熟的技术推向市场,但我国也有多个高校在进行规模化的中试,并也已有多篇文献发表于国际知名期刊。

  相信随着对好氧颗粒污泥形成机理的分析逐步深入,好氧颗粒污泥的快速规模化培养将不再成为限制此技术推广的关键问题。而后续的稳定性运行则需要更多的研究者参与其中,只有使颗粒化形成稳定循环,方可保证好氧颗粒污泥在处理单元中始终处于绝对优势地位,从而最大程度上发挥出好氧颗粒污泥的种种优点,降低污水处理成本,为我们的青山绿水做出更大的贡献。