Nereda好氧顆粒污泥工藝的脫氮除磷性能及工程實例
摘要：Nereda?工藝是一種成熟可靠的應用于污水生化處理的好氧顆粒污泥技術。憑借Nereda?反應器的特殊內件及運行周期，Nereda?工藝具有同時脫氮除磷的優異性能。以荷蘭3座應用Nereda?技術的市政污水廠（Epe，Utrecht和Garmerwolde污水廠）為工程案例，詳細介紹了它們的概況以及實際的脫氮除磷運行表現。最后總結了Nereda?技術的優點以及應用方面的競爭優勢。
在水環境保護要求日趨嚴格的背景下，全國多地如江蘇、浙江、安徽、云南、廣東、河北等重點區域以及流域相繼頒布和實施了嚴于《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級A標準的地方標準，這些標準的頒布和實施均對污水處理廠的處理能力提出了更高要求，尤其是出水氮和磷的排放標準更為嚴格。因此，同時具備脫氮除磷功能的污水處理工藝是高排放標準污水廠的必然選擇。
Nereda?工藝屬于好氧顆粒污泥（AGS）工藝的一種，是荷蘭皇家哈斯康寧DHV公司與荷蘭代爾夫特理工大學于20世紀90年代開始研發的具有優異的脫氮除磷性能的新型水處理工藝。至2022年初，在歐洲、非洲、澳大利亞、北美和南美洲，已運行的Nereda?工藝污水處理設施已有50多座，總處理能力超過1300萬人口當量（約260×104m3/d）。在已建成投運的項目中，不乏日處理能力數萬乃至數十萬噸的大型污水處理廠，這表明該工藝可以應用于不同規模的市政污水和工業廢水處理廠。目前，該工藝已進入中國并建成了全規模的污水處理廠。
與采用絮狀污泥的傳統活性污泥法或生物膜系統不同，Nereda?工藝中處理污水的微生物在不需要載體的情況下，可自發聚集為顆粒狀污泥。由于好氧顆粒污泥的體積較大，氧和水中的物質無法全部進入和滲透到顆粒的核心，因而在顆粒徑向上形成了濃度梯度。例如，越靠近污泥表面，氧濃度越高，在表面附近形成富氧區；向里則構成缺氧區乃至逐步過渡到核心的厭氧區。在不同分區中，存在著各自的優勢微生物種群，這已被熒光原位雜交分析所證實。上述好氧顆粒污泥的結構和獨特性質，使其在一個顆粒污泥上，即可達成COD、BOD5和氮、磷的同時高效去除。
相關實驗已經證實，通過控制“豐盛-饑餓”、溶解氧的飽和度、進水模式等方式可以優化好氧顆粒污泥工藝的脫氮除磷性能。為此結合Nereda?工藝的運行模式，闡釋了好氧顆粒污泥的脫氮除磷性能優異的原因，同時結合荷蘭的3個典型工程案例，進一步分析了Nereda?工藝實際的脫氮除磷表現，以供參考。
01 Nereda?工藝的脫氮除磷性能
1.1 脫氮除磷基本過程
相關熒光原位雜交分析已經證實，好氧顆粒最外層主要分布著硝化菌，顆粒內部主要含聚磷菌、反硝化菌、聚糖菌等，這些菌群在傳統活性污泥系統中也同樣存在。由代爾夫特理工大學提供的好氧顆粒污泥與活性污泥中的微生物種群分布如圖1所示。
對于傳統活性污泥和好氧顆粒污泥工藝去除生物營養物的過程而言，上述不同功能菌群發生的生化反應基本是相同的。具體而言，聚磷菌在厭氧進水期間將易生物降解的COD轉化為糖原或聚-β-羥丁酸（PHB）儲存，并釋放出磷酸鹽，而在曝氣期間聚磷菌使用儲存的PHB作為碳源并吸收厭氧期間釋放的磷酸鹽，同時硝化菌將氨氮轉化為硝酸鹽氮。當系統處于缺氧階段時，反硝化菌將硝酸鹽轉化為氮氣，完成反硝化過程。
1.2 Nereda?工藝的運行模式
與傳統活性污泥工藝不同的是，Nereda?工藝在培養出具有良好沉降性能的好氧顆粒污泥的同時，對廢水中的COD、氮和磷也具有顯著的去除效果。主要的原因在于其特殊的運行模式（見圖2）和污泥篩選機制。
①同時進水和出水在進水階段，來水自反應器的底部進入，并通過特殊的布水內件在接近柱塞流流態下穿過沉降的顆粒污泥床層。由于進水為柱塞流的流態，反應器頂端的經上一周期處理并凈化好的水與底部進入的污水之間沒有摻混，使得經過處理的污水能夠被置換（或者說“推出”）而成為出水；由此反應器在出水的同時也在不斷進水。不同于傳統的SBR工藝，Nereda?反應器使用的是靜態固定潷水器而非移動潷水器，且可以同時進水和出水，不需要單獨設置耗時的潷水階段。另外，潷水過程中反應器水位固定，也避免了傳統SBR系統水位變化造成的水頭“浪費”。
②曝氣所有的生物處理過程幾乎都發生在曝氣反應階段，通常采用微孔曝氣工藝。由于顆粒污泥體量較大，在其結構內會產生氧濃度梯度，顆粒污泥最外層的有機污染物被高效氧化，同時硝化細菌也聚集在顆粒外層，將氨氮轉化為硝態氮。硝化產生的硝態氮擴散到顆粒內部的缺氧層后會發生反硝化反應，實現脫氮；此外，超常的生物吸磷過程也同時發生。
③快速沉降在這個階段，顆粒污泥與處理過的污水會實現泥水分離。由于顆粒污泥優異的沉降特性，因此所需的沉降時間很短，通常為5～30min。泥水分離后，將曝氣階段生長和積累而形成的剩余污泥排出系統。
1.3Nereda?工藝的脫氮除磷特點Nereda?系統的設計和運行采用的是序批式SBR模式，但Nereda?工藝是專門為了培養好氧顆粒污泥而設計的，因此有著與眾不同的特點。
首先，從微生物學角度，Nereda?工藝的設計充分利用了“豐盛-饑餓”機制，即厭氧-好氧交替的運行機制，篩選出了慢速生長的聚磷菌。通常Nereda?工藝的厭氧進水時間較長，一般為0.6～2.0h。較長的厭氧時間可確保進水階段所有易降解COD都能轉化為聚羥基脂肪酸（PHA），即儲存在微生物體內的慢速可生物降解的聚合物。當進入曝氣階段后，微生物將主要利用內部儲存的生物聚合物進行好氧代謝，如此會降低細菌的生長速率。而較低的生長速率會使顆粒污泥的生長更慢、更密實，因此維持顆粒污泥光滑的表面只需更小的剪切力。如此，培養出的好氧顆粒污泥將更加穩定。
其次，從Nereda?工藝系統實際運行的表現可以發現，依托于反應器在線儀表如溶解氧（DO）、氨氮、硝酸鹽等監測儀，通過靈活地優化曝氣階段和缺氧階段的時間，以及改變曝氣系統的DO設定點等手段，可以調節生化系統的硝化與反硝化能力。在曝氣過程中，氨氮被轉化為硝酸鹽，由于顆粒中存在固有的氧梯度，微生物將利用外部的COD使一部分硝態氮在顆粒內部的缺氧區發生反硝化反應，此為同時硝化反硝化過程。此外，相關研究還證實聚磷菌和聚糖菌在厭氧情況下儲存的生物聚合物也可充當反硝化過程中的電子供體。同時，在好氧條件下，聚磷菌將磷酸鹽儲存為聚磷化合物，從而實現反硝化和磷酸鹽去除的雙重功能。因此Nereda?工藝可以減輕聚磷菌與反硝化菌對進水COD的競爭，節省COD的消耗，使更多的COD用于反硝化，從而提高氮的去除率。只要維持缺氧條件，聚磷菌就不會在液體中釋放磷酸鹽，這將使出水中的磷濃度也較低。
此外，好氧顆粒污泥的粒徑大小、來水有機物種類等也會影響氮、磷的去除。在一定程度上顆粒越大，反硝化效率越高，然而氨氮的氧化速率并不受顆粒大小的影響。
相關實驗及中試結果表明，以聚磷菌為主的顆粒更大、更密集，因具有更快的沉降速度而有優勢保持在反應器的底部。由于進水是從反應器底部以柱塞流方式進入，很明顯底部的顆粒有更多的可用底物，與聚糖菌相比，聚磷菌暴露于較高比例的可利用碳源環境中。通過在反應器特定高度上設置污泥排出點并進行排泥操作的控制，可使聚糖菌群體的污泥停留時間低于聚磷菌主導的顆粒污泥，導致隨著時間的推移聚糖菌被淘汰出系統。所以，以聚磷菌為主的好氧顆粒污泥系統具有更好的生物除磷能力。
02 工程運行表現
2.1 荷蘭Epe污水處理廠
Epe污水處理廠是荷蘭第一個全規模應用Nereda?技術的市政污水處理廠。依托于先期長達4年的中試論證，該廠最終于2010年開始設計、建造，2011年正式投入運行，圖3為Epe污水處理廠的鳥瞰圖。
Epe污水處理廠的主要處理工藝流程如圖4所示。污水先經過格柵和隔油沉砂池，隨后通過3座Nereda?反應器凈化后進入重力砂濾池，經過濾后直接排放。Nereda?反應器的設計平均處理量為8000m3/d，峰值小時流量為1500m3/h。
自2011年9月起經過4個月的運行，Nereda?系統的進水量即達到了100%的設計流量。啟動期間，顆粒污泥在Nereda?反應器內逐漸累積。值得注意的是，污泥“顆粒化”過程有一段時間發生在冬季，污水的平均溫度低于10℃。
監測結果證實，自投產以來，采用Nereda?技術使原污水廠的處理能力增加了1倍，并且Nereda?的性能超出預期，出水水質達到荷蘭最高標準，總氮和總磷濃度分別低于5mg/L和0.3mg/L。對該污水處理廠2020年1月—12月的運行數據進行了統計，結果如表1所示。
由表1可知，出水總氮平均為2.5mg/L，出水總磷平均為0.2mg/L，均滿足出水氮、磷指標要求，且出水總氮明顯優于設計要求。
另外，由于該污水廠還接收了35%左右的屠宰場廢水，受此影響，進水特性和負荷均有較大波動，尤其是進水pH的波動（pH接近10），但Nereda?系統依然表現出了良好的穩定性和抗沖擊能力。在與原有傳統活性污泥系統平行運行的中試中發現，高pH會導致常規活性污泥系統的硝化功能完全喪失，并需數周時間才能恢復，而接收相同進水的Nereda?中試裝置在幾個運行周期后的1~2d內即可恢復正常運行。
2.2 荷蘭Utrecht污水處理廠
Utrecht污水處理廠是荷蘭迄今為止建造的規模最大的采用Nereda?工藝的污水廠，平均日流量76300m3/d，峰值流量14100m3/h。該廠于2017年實施提標改造，2018年開始正式運行。原污水廠采用傳統活性污泥法，僅沉淀池就有14座，改造后只需6套Nereda?反應器以及不到40%的占地面積即可處理相同的水量。由于Nereda?工藝占地緊湊，因此在原有曝氣池和沉淀池左側的有限區域內就可新建Nereda?處理系統，如圖5所示。而原有曝氣池和沉淀池在Nereda?工藝系統啟動之后便進行了拆除，騰出的區域交還社區用作自然教育中心。
Utrecht污水處理廠的Nereda?工藝流程如圖6所示。
該污水處理廠新建的Nereda?系統共有6座圓形池，單座池容12000m3，直徑46m，水深7.3m，設計水溫為10～24℃。此外，Nereda?系統還包括1座12000m3的進水緩沖池、2座500m3的預濃縮污泥緩沖池以及1座4000m3的出水緩沖池。
在不投加任何化學藥劑的情況下，該污水廠出水總氮和總磷分別低于5mg/L和0.5 mg/L（見表2），比原活性污泥系統出水相應指標低50%，出水可直接排入與廠區緊鄰的河流。也正是因為上述Nereda?系統緊湊的占地和優異的生物脫氮除磷能力，該污水廠運行僅一年便獲得了國際水務情報（GWI）平臺頒發的“2019年度最佳污水處理項目”獎項。
2.3 荷蘭Garmerwolde污水處理廠
荷蘭Garmerwolde污水處理廠于2005年被改造成AB兩段式活性污泥系統，之后因無法達到所需的營養物去除目標以及不斷增長的處理水量的需求，需要對污水廠進行升級。荷蘭當地水務局最終選擇了Nereda?技術作為生化處理工藝，以擴大處理能力，并同時提高脫氮除磷能力。
荷蘭皇家哈斯康寧DHV公司提供的解決方案是新建兩套9500m3的Nereda?反應器以及一座4000m3的進水緩沖池，并與現有的AB系統并行運行。2013年啟動了提標改造工程，建造了兩套直徑為41 m的Nereda?反應器來處理約41%的進水，占地面積卻比原AB處理系統的25%（澄清池直徑為48m）還小。該污水廠Nereda?系統與AB系統平面布置如圖7所示。
Nereda?系統于2014年正式投運至今，處理的水量已經超過總水量的50%，平均處理量20000m3/d。具體的工藝流程如圖8所示。
Nereda?反應器的啟動主要有兩個階段：第一階段是顆粒化階段，第二階段是處理效率提升階段。
第一階段：由于在調試期間對出水TN和TP分別提出了小于15mg/L和1mg/L的要求，因此該階段污水系統的進水負荷需要根據出水指標適時調整，以滿足出水排放要求。在運行3個月后系統流量達到了設計要求，對TN、TP和COD的去除趨于穩定。總磷完全通過Nereda?系統生物反應即可達到去除目標，TN和TP均滿足上述出水要求。
第二階段：經過第一階段的啟動期后，堅固密實的顆粒床（MLSS>8g/L）已形成并在此后能長期保持穩定，5min的污泥體積指數SVI可達45mL/g。顆粒污泥中有超過80%的粒徑>0.2mm，超過60%的粒徑>1mm。啟動完成后Nereda?系統出水TN和TP平均值分別為6.9和0.9mg/L，所有指標都符合出水要求。第二階段即2014年3月—12月的進、出水平均值如表3所示。而同樣的運行期間，在投加大量反硝化碳源以及用于改善污泥性質的混凝劑和除磷鐵鹽的情況下，傳統AB系統出水TN和TP平均值分別為9.9和0.9mg/L。
值得注意的是，上述Nereda?工藝運行期間偶有氮和磷濃度比平均值高的情況，這是因為大雨引起的進水流量及營養物濃度比干燥天氣下高2～5 倍（即“首次沖刷”效應）。但在大雨時段通過縮短Nereda?系統的循環周期時間即從390 min縮短到180 min，并投加少量的鐵鹽除磷藥劑［Fe（Ⅲ）/P物質的量比為0.18］，就可使系統對總磷的去除率維持在90%。
此外，2014年的運行數據顯示，Nereda?系統（包括中間泵）的運行能耗比AB系統降低了50%左右。與AB系統的高化學藥劑成本相比，Nereda?系統幾乎不需要投加額外的化學藥劑。此外，加藥還導致AB系統的污泥產量幾乎是Nereda?系統的兩倍。因此，Nereda?系統的總運營成本（能耗、藥劑、污泥處理等）明顯低于傳統工藝。
03 結語
通過Nereda?反應器特殊的內件構造以及特有的運行模式，可以培養出以慢速生長的聚磷菌或聚糖菌為主的好氧顆粒污泥。此種顆粒結構密實，沉降性好并且可長期穩定。加之好氧顆粒污泥特殊的三維空間分層結構，Nereda?工藝具有同時將COD、氮和磷等營養物高效去除的能力。從荷蘭的3個典型工程案例來看，Nereda?工藝在實際污水處理運行中均有著出色的脫氮除磷表現，同時也顯示出，Nereda?工藝具有占地面積小、抗沖擊負荷能力強、運行費用低、運行模式靈活、處理效果好等傳統污水處理工藝無法比擬的優點。Nereda?工藝能很好地解決現有污水廠占地資源緊張又亟需擴大處理能力的問題。對于土地資源緊張的地區，Nereda?工藝無論是新建或擴（改）建都具有無可比擬的競爭優勢。
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