022年4月23日国际知名期刊Science of the Total Environment (IF=7.963/Q1)在线发表了上海师范大学环境与地理科学学院张永明教授团队的研究论文“Anoxic/oxic treatment without biomass recycle”。论文详细介绍了由该团队根据其专利技术(ZL2015 1 0510978.7和ZL2019 1 0930412.8)研发的世界首创的无污泥循环的A/O水处理工艺。该团队将缺(厌)氧和好氧的垂直折流式生物反应器(Vertical Baffled BioReactor, VBBR)串联组合为一体，并将其用于城镇生活污水处理。相比传统的A/O水处理工艺，缺(厌)氧和好氧VBBR的组合实现了无污泥循环的A/O水处理工艺，在水力停留时间缩短30% ~ 50%的情况下，COD和总氮去除率提高了6%和22%，尤其是总氮的去除甚至几乎达到了极限脱氮水平。该反应器操作、运行维护十分简便，并且剩余污泥量大大减少。
文章亮点
● Denitrifiers and nitrifiers were enriched in A and O tanks with no biomass exchange.
● The kinetics in both tanks increased by at least 27% with no biomass exchange.
● The kinetics steadily decreased as the ratio of biomass exchange increased.
● The two-stages of the vertical baffled bioreacetor (VBBR) had distinct communities.
● The two-stage VBBR increased TN removal ratio by 22% over than classic A/O process.
摘要•看点
在城市生活污水处理领域，传统的A/O或A2/O水处理工艺是当今世界的主流工艺，该工艺的优点是通过内循环方式充分地利用进水中有限的碳源，提高了总氮的去除率。但该工艺存在最大的缺点是在水处理过程中，水与污泥一起在缺(厌)氧(A)和好氧(O)池间循环流动，使得在A池内存在大量的硝化菌，而在O池内又存在大量的反硝化菌，由此导致硝化和反硝化效率都不高。此外，传统的A/O污水处理工艺中，缺(厌)氧池的运行方式很容易使溶解氧溶入其中，导致有限的有机碳源利用率较低，因此传统A/O污水处理工艺总是难以做到总氮的高效去除。
本新工艺将缺(厌)氧与好氧VBBR串联在一起，形成一套新颖的反应器系统(如图1所示)。该系统有效地克服了传统A/O工艺的缺点，在循环过程中污泥固定不动而只有水的循环。此外，前段的缺(厌)氧反应器(An-VBBR)，由于可以严格限制溶解氧的侵入，从而可以极大地提高有机碳源的利用率，进而实现“极限脱氮”。
图1 无污泥循环的A/O污水处理反应器及工艺示意图
本研究首先从实验室小试开始，分别设计了有、无污泥交换的硝化和反硝化实验来模拟传统A/O水处理工艺的泥水循环情况。研究发现，相比有50%的污泥交换，无污泥交换时，硝化和反硝化反应速率要快1.5倍和4.2倍，该实验结果如图2所示。
图2 不同污泥交换量条件下的硝化和反硝化速率
当将好氧VBBR(Ox-VBBR)与缺氧VBBR(An-VBBR)串联在一起用于实际的城镇污水处理时，在不同回流比(R)条件下，进出水的COD、氨氮和总氮的浓度变化如图3所示。
图3 好氧与缺氧VBBR串联处理城镇污水时进出水浓度的变化,其中Effluent (1)和(2)分别表示An-VBBR和Ox-VBBR的出水
从图3可以看出，在回流比为200%时，最后出水总氮的平均浓度仅有1.5 mg/L，达到了极限脱氮的水平。与此同时，传统的A/O工艺处理相同的城镇生活污水时，其进出水中COD和总氮的平均浓度如图4所示。比较图3和图4可以看出，组合VBBR工艺相比传统A/O工艺，COD和总氮去除率平均提高了6%和22%。
图4 传统A/O工艺处理相同城镇污水时进出水的COD和总氮浓度
作用机理
新型的组合VBBR水处理工艺之所以可以实现高效的总氮去除率，一方面在于An-VBBR可以严格限制溶解氧的侵入，从而高效地利用了进水中有限的有机碳源。另一方面，如图5所示，两个VBBR中拥有明显不同的微生物群落，即An-VBBR内反硝化菌占绝对优势，而Ox-VBBR内硝化菌占绝对优势。由此各反应器内的微生物均可以充分发挥它们的作用，因此在硝化和反硝化过程中，可以发挥出最大的脱氮效果。而传统的A/O水处理工艺中，好氧池(Ox-tank)和缺氧池(An-tank)中的微生物群落分布非常相似。即好氧池中有相当多的反硝化菌，而在缺氧池中又有相当多的硝化菌。正是由于这种硝化和反硝化菌在反应器运行过程中不停地混合，使得传统A/O水处理工艺的硝化和反硝化效率较低。而新型的组合VBBR则有效地克服了这一缺点。
图5 新型的无污泥循环反应器和传统A/O工艺中微生物群落分布. 其中An-VBBR和Ox-VBBR分别表示无污泥循环的缺氧和好氧VBBR, An-tank和Ox-tank表示传统A/O工艺中的缺氧池和好氧池. Upper和Lower分别表示VBBR的上部和下部
本论文得到环境模拟与污染控制国家重点联合实验室(清华大学)开放基金(16K10ESPCT)的资助，环境科学2018级博士研究生陆沁园、2018级硕士研究生周隽清和2019级博士研究生朱格为共同第一作者，张永明为通讯作者，合作者包括美国工程院院士，斯德哥尔摩水奖获得者Bruce E. Rittmann教授。
论文作者
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本文由上海师范大学环境与地理科学学院张永明教授提供