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王凯军:国内外提标改造技术研究与好氧颗粒污泥技术发展(下)

  来源:JIEI创新实验室  作者:王凯军  2019/8/14 8:57:07  我要投稿  
所属频道:   关键词:好氧颗粒污泥 污水处理技术 王凯军

:编者按:上周我们推出了清华大学环境学院王凯军教授的《从好氧颗粒污泥发展看科研的基因与终极目标是什么?(上) 》一文后,其中观点引起了很多业内读者的反响和反思。

在下篇中,王凯军教授进一步揭示了为什么我国采用同样的技术,效果却比国外差一个等级?为什么在荷兰已经成功将好氧颗粒污泥幸运飞艇推向生产性应用多年后,世界上大多数国家,尤其是我国却仍然没有从理论研究的圈子里走出来?王凯军教授分享了其课题组对荷兰好氧颗粒污泥理论的验证性研究,系统验证了好氧颗粒污泥技术的发展与技术关键。其对于水解阶段的应用显示如何消化吸收再创新的方式,也让我们忍不住思考:科研的基因和终极目标究竟是什么?

幸运飞艇(本文根据其发言整理,未经本人审阅)

污水处理技术发展趋势

幸运飞艇前文提到污水处理技术发展一直是以问题为导向,随着环境问题的不断出现,技术不断叠加,污水处理技术流程也在不断增加,使得系统日益复杂,处理成本日益增加,系统的安全性便随之降低。在我国一个典型的例子是污水处理要求达到一级A标准和Ⅳ类水标准,其中Ⅳ类水标准要通过过滤或曝气生物滤池才可达到。这也使得我国的污水处理工艺技术路线深受诟病。

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与污水处理工艺糖葫芦串式线性发展模式不同,国外好氧颗粒污泥的技术则提供了一个工艺更加集成,更加综合的发展方向。新型反应器由于是颗粒污泥,其污泥量大于10g/L,污泥浓度甚至能达到15g/L,生物量大,可以同时解决有机物、氮、磷去除问题,出水水质良好。此外,系统高效,不用二沉池,占地面积小。

从污水处理系统的发展来看,今后仍会不断推出新的要求。但是,污水处理技术能否不以简单叠加的方式发展?为什么在荷兰好氧颗粒污泥可以得到迅速推广?下面是一个典型的欧洲污水处理工艺案例。

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幸运飞艇欧洲目前采用传统的活性污泥工艺可以达到总氮10mg/L以下,总磷1mg /L以下。如果没有新的技术,我国用活性污泥工艺要达到京标A、京标B或天津标准、合肥标准,需要加膜工艺(MBE或UF)或曝气生物滤池和过滤。其中差距我认为主要与我国的整体管理水平有关。以后在欧洲一些人口密集地区将会执行更加严格的标准,其中总氮要达到2.2mg/L,总磷要达到0.1mg/L。大家可以思考,欧洲会采用什么工艺,我国采用什么工艺可以达到这个标准?

2015年,在荷兰鹿特丹建成了一个大型污水处理厂,然而该厂被荷兰人认为自2015年建成之后就落后了。原因何在?因为采用好氧颗粒污泥技术以后,二沉池可以全部取消,整体可节省土地70%,节省能耗30%。所以,除了简单的技术叠加方式,我们需要进一步思考技术本身的发展问题。

好氧颗粒污泥培养理论

这里重申一下好氧颗粒污泥的“丰盛-饥饿”理论:首先,采用升流式厌氧进水(特点一、二),发展厌氧的聚磷菌使缓慢成长的细菌形成一个核心(特点三)。其中,厌氧是丰盛阶段,有很多食物,好氧是饥饿阶段;其次是快速沉淀的淘汰方式(特点四),有利于好氧颗粒污泥的成长。以上这四点就是Mark好氧颗粒污泥理论的核心。

幸运飞艇这里要说明的是,我们的实验是在5、6年前进行的,实验完成后没有发布,我们认为荷兰既然已经成功开发出生产性的好氧颗粒污泥工艺,大家通过文献和技术交流已经可以充分了解了这一重大进展。

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幸运飞艇然而,从最近几年国内对这一领域的研究成果看,大家似乎并没有真正掌握好氧颗粒污泥的精髓。仍然采用快速进水策略、好氧剪切力为主导的好氧颗粒污泥理论指导实验,这也是至今国内没有解决应用问题的原因之一。

对荷兰好氧颗粒污泥理论的验证性研究

幸运飞艇为了验证Mark的好氧颗粒污泥理论,我们课题组在五、六年前做了几组实验。

1.第一组实验:对比国内外三种培养方式

通过完全曝气快速进水、存在完全混合状态的缺氧阶段后+曝气以及Mark的方式——升流式厌氧进水+曝气,三种好氧颗粒污泥的培养模式进行对比,分别观察结果。

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幸运飞艇通过完全曝气的方式形成了颗粒污泥,颗粒污泥蓬松且越长越大,进一步运行很容易解体;缺氧区+曝气的方式也形成了相对好的颗粒污泥;而采用Mark的方式则形成了非常完美、漂亮的颗粒污泥。R1中颗粒污泥粒径分布呈两极分化,颗粒表面覆盖大量的丝状菌,核心呈深褐色,后期形成了超大颗粒污泥后解体。R2中颗粒污泥粒径集中在1.5-2.0mm,表面光滑致密,呈淡黄色球状。R3中好氧颗粒污泥呈淡黄色球状,表面光滑致密,平均粒径达到3.0-4.0mm。

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2.第二组实验:乙酸和葡萄糖两种基质对好氧颗粒污泥的影响

幸运飞艇基于荷兰的培养方式,我们分别以乙酸和葡萄糖为基质,验证不同基质种类对好氧颗粒污泥的影响。根据Mark的丰盛-饥饿理论,在厌氧阶段需要在系统中选择缓慢生长的微生物,其利用聚磷菌和聚糖菌,并快速将水中的挥发性有机酸(VFA)形成PHB或GAO。在好氧阶段利用复杂有机物——PHB的异氧微生物生长速率较慢,从而形成了颗粒污泥的核心,这是好氧颗粒污泥的形成最为关键的一步。以乙酸和葡萄糖两种作为基质时,仍然采用了传统培养模式与Mark提出的方式进行了进一步对比。可以得出结论:

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幸运飞艇基质种类对好氧颗粒污泥的影响

(1)采用同样的乙酸基质,传统颗粒污泥培养方式与Mark提出的培养方式的比较实验可以清楚地看出,Mark提出的培养方式(R2,图b和e)形成的好氧颗粒污泥性质是最为理想的,颗粒污泥形状规则,主要为球菌和短杆菌;

(2)采用乙酸基质的反应器(R1,图a和d),传统培养方式培养出的颗粒污泥呈不规则形状,颗粒污泥结构较为松散,主要是丝状菌占优势;

幸运飞艇(3)在以葡萄糖为基质的反应器中(R3,图c和f):虽然颗粒污泥生长比较规则,但是表面和内部仍然有大量的丝状菌生长。

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3、第三组实验:带有预酸化处理的好氧颗粒污泥新工艺

幸运飞艇在好氧颗粒污泥培养阶段证明挥发酸是非常重要的,实验均采用葡萄糖作为基质。其中对照实验不进行预处理直接培养颗粒污泥,另外一个实验用一个反应器(R1)把葡萄糖先进行酸化,产生挥发性脂肪酸,促进好氧颗粒污泥生长。酸化采用升流式的水解池,然后接好氧颗粒污泥培养反应器(R2)。可以说,该实验是在融会贯通的基础上的一个创新性研究,形成了一个新的好氧颗粒污泥的培养和反应工艺。

(1)水解酸化反应器可以使50%以上的葡萄糖基质变成有机酸;

幸运飞艇(2)对比发现水解后的颗粒污泥形成非常快,颗粒污泥尺寸较大。不水解的颗粒污泥则与小米粒一样大小。

幸运飞艇(3)以葡萄糖为基质的微生物生长速率比较快,产率甚至可以达到10%。而挥发酸为主体的微生物生长速率则要慢很多(只有3%多一点)。因此,形成了缓慢生长的核心,也就形成了颗粒污泥生长好的方式。

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这一系列实验充分验证了Mark的“丰盛-饥饿”好氧颗粒污泥的形成理论,同样也表明在对好氧颗粒污泥进行的大量研究中,我们很多研究者面对真理视而不见,我国乃至全世界范围的大多数研究仍然以发表文章为导向,而不是以工程应用为导向,这是一个科研误区,误人误己误国。


幸运飞艇原标题:JIEI | 王凯军:从好氧颗粒污泥发展看科研的基因和终极目标是什么?(下)

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