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(shù)。憑借Nereda?反應器的特殊內件及運行周期，Nereda?工藝具有同時(shí)脫氮除磷的優(yōu)異性能。以荷蘭3座應用Nereda?技術(shù)的市政污水廠(chǎng)（Epe，Utrecht和Garmerwolde污水廠(chǎng)）為工程案例，詳細介紹了它們的概況以及實(shí)際的脫氮除磷運行表現。最后總結了Nereda?技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)以及應用方面的競爭優(yōu)勢。

在水環(huán)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(diǎn)區域以及流域相繼頒布和實(shí)施了嚴于《城鎮污水處理廠(chǎng)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(shí)施均對污水處理廠(chǎng)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(shí)具備脫氮除磷功能的污水處理工藝是高排放標準污水廠(chǎng)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(xué)于20世紀90年代開(kāi)始研發(fā)的具有優(yōu)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(guò)1300萬(wàn)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(wàn)乃至數十萬(wàn)噸的大型污水處理廠(chǎng)，這表明該工藝可以應用于不同規模的市政污水和工業(yè)廢水處理廠(chǎng)。目前，該工藝已進(jìn)入中國并建成了全規模的污水處理廠(chǎng)。

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(fā)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(zhì)無(wú)法全部進(jìn)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(guò)渡到核心的厭氧區。在不同分區中，存在著(zhù)各自的優(yōu)勢微生物種群，這已被熒光原位雜交分析所證實(shí)。上述好氧顆粒污泥的結構和獨特性質(zhì)，使其在一個(gè)顆粒污泥上，即可達成COD、BOD5和氮、磷的同時(shí)高效去除。

相關(guān)實(shí)驗已經(jīng)證實(shí)，通過(guò)控制“豐盛-饑餓”、溶解氧的飽和度、進(jìn)水模式等方式可以?xún)?yōu)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(yōu)異的原因，同時(shí)結合荷蘭的3個(gè)典型工程案例，進(jìn)一步分析了Nereda?工藝實(shí)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(guò)程

相關(guān)熒光原位雜交分析已經(jīng)證實(shí)，好氧顆粒最外層主要分布著(zhù)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(xué)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(yíng)養物的過(guò)程而言，上述不同功能菌群發(fā)生的生化反應基本是相同的。具體而言，聚磷菌在厭氧進(jìn)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(shí)硝化菌將氨氮轉化為硝酸鹽氮。當系統處于缺氧階段時(shí)，反硝化菌將硝酸鹽轉化為氮氣，完成反硝化過(guò)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(shí)，對廢水中的COD、氮和磷也具有顯著(zhù)的去除效果。主要的原因在于其特殊的運行模式（見(jiàn)圖2）和污泥篩選機制。

①同時(shí)進(jìn)水和出水在進(jìn)水階段，來(lái)水自反應器的底部進(jìn)入，并通過(guò)特殊的布水內件在接近柱塞流流態(tài)下穿過(guò)沉降的顆粒污泥床層。由于進(jìn)水為柱塞流的流態(tài)，反應器頂端的經(jīng)上一周期處理并凈化好的水與底部進(jìn)入的污水之間沒(méi)有摻混，使得經(jīng)過(guò)處理的污水能夠被置換（或者說(shuō)“推出”）而成為出水；由此反應器在出水的同時(shí)也在不斷進(jìn)水。不同于傳統的SBR工藝，Nereda?反應器使用的是靜態(tài)固定潷水器而非移動(dòng)潷水器，且可以同時(shí)進(jìn)水和出水，不需要單獨設置耗時(shí)的潷水階段。另外，潷水過(guò)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(guò)程幾乎都發(fā)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(huì )產(chǎn)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(shí)硝化細菌也聚集在顆粒外層，將氨氮轉化為硝態(tài)氮。硝化產(chǎn)生的硝態(tài)氮擴散到顆粒內部的缺氧層后會(huì )發(fā)生反硝化反應，實(shí)現脫氮；此外，超常的生物吸磷過(guò)程也同時(shí)發(fā)生。

③快速沉降在這個(gè)階段，顆粒污泥與處理過(guò)的污水會(huì )實(shí)現泥水分離。由于顆粒污泥優(yōu)異的沉降特性，因此所需的沉降時(shí)間很短，通常為5～30min。泥水分離后，將曝氣階段生長(cháng)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(diǎn)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(zhuān)門(mén)為了培養好氧顆粒污泥而設計的，因此有著(zhù)與眾不同的特點(diǎn)。

首先，從微生物學(xué)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(cháng)的聚磷菌。通常Nereda?工藝的厭氧進(jìn)水時(shí)間較長(cháng)，一般為0.6～2.0h。較長(cháng)的厭氧時(shí)間可確保進(jìn)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(jìn)入曝氣階段后，微生物將主要利用內部?jì)Υ娴纳锞酆衔镞M(jìn)行好氧代謝，如此會(huì )降低細菌的生長(cháng)速率。而較低的生長(cháng)速率會(huì )使顆粒污泥的生長(cháng)更慢、更密實(shí)，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(shí)際運行的表現可以發(fā)現，依托于反應器在線(xiàn)儀表如溶解氧（DO）、氨氮、硝酸鹽等監測儀，通過(guò)靈活地優(yōu)化曝氣階段和缺氧階段的時(shí)間，以及改變曝氣系統的DO設定點(diǎn)等手段，可以調節生化系統的硝化與反硝化能力。在曝氣過(guò)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(tài)氮在顆粒內部的缺氧區發(fā)生反硝化反應，此為同時(shí)硝化反硝化過(guò)程。此外，相關(guān)研究還證實(shí)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(guò)程中的電子供體。同時(shí)，在好氧條件下，聚磷菌將磷酸鹽儲存為聚磷化合物，從而實(shí)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(jìn)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(huì )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(lái)水有機物種類(lèi)等也會(huì )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(guān)實(shí)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(yōu)勢保持在反應器的底部。由于進(jìn)水是從反應器底部以柱塞流方式進(jìn)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(huán)境中。通過(guò)在反應器特定高度上設置污泥排出點(diǎn)并進(jìn)行排泥操作的控制，可使聚糖菌群體的污泥停留時(shí)間低于聚磷菌主導的顆粒污泥，導致隨著(zhù)時(shí)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(chǎng)

Epe污水處理廠(chǎng)是荷蘭第一個(gè)全規模應用Nereda?技術(shù)的市政污水處理廠(chǎng)。依托于先期長(cháng)達4年的中試論證，該廠(chǎng)最終于2010年開(kāi)始設計、建造，2011年正式投入運行，圖3為Epe污水處理廠(chǎng)的鳥(niǎo)瞰圖。

Epe污水處理廠(chǎng)的主要處理工藝流程如圖4所示。污水先經(jīng)過(guò)格柵和隔油沉砂池，隨后通過(guò)3座Nereda?反應器凈化后進(jìn)入重力砂濾池，經(jīng)過(guò)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(shí)流量為1500m³/h。

自2011年9月起經(jīng)過(guò)4個(gè)月的運行，Nereda?系統的進(jìn)水量即達到了100%的設計流量。啟動(dòng)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?；边^(guò)程有一段時(shí)間發(fā)生在冬季，污水的平均溫度低于10℃。

監測結果證實(shí)，自投產(chǎn)以來(lái)，采用Nereda?技術(shù)使原污水廠(chǎng)的處理能力增加了1倍，并且Nereda?的性能超出預期，出水水質(zhì)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(chǎng)2020年1月—12月的運行數據進(jìn)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(mǎn)足出水氮、磷指標要求，且出水總氮明顯優(yōu)于設計要求。

另外，由于該污水廠(chǎng)還接收了35%左右的屠宰場(chǎng)廢水，受此影響，進(jìn)水特性和負荷均有較大波動(dòng)，尤其是進(jìn)水pH的波動(dòng)（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(fā)現，高pH會(huì )導致常規活性污泥系統的硝化功能完全喪失，并需數周時(shí)間才能恢復，而接收相同進(jìn)水的Nereda?中試裝置在幾個(gè)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(chǎng)

Utrecht污水處理廠(chǎng)是荷蘭迄今為止建造的規模最大的采用Nereda?工藝的污水廠(chǎng)，平均日流量76300m3/d，峰值流量14100m3/h。該廠(chǎng)于2017年實(shí)施提標改造，2018年開(kāi)始正式運行。原污水廠(chǎng)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(dòng)之后便進(jìn)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(chǎng)的Nereda?工藝流程如圖6所示。

該污水處理廠(chǎng)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(jìn)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(xué)藥劑的情況下，該污水廠(chǎng)出水總氮和總磷分別低于5mg/L和0.5 mg/L（見(jiàn)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(chǎng)區緊鄰的河流。也正是因為上述Nereda?系統緊湊的占地和優(yōu)異的生物脫氮除磷能力，該污水廠(chǎng)運行僅一年便獲得了國際水務(wù)情報（GWI）平臺頒發(fā)的“2019年度最佳污水處理項目”獎項。

2.3 荷蘭Garmerwolde污水處理廠(chǎng)

荷蘭Garmerwolde污水處理廠(chǎng)于2005年被改造成AB兩段式活性污泥系統，之后因無(wú)法達到所需的營(yíng)養物去除目標以及不斷增長(cháng)的處理水量的需求，需要對污水廠(chǎng)進(jìn)行升級。荷蘭當地水務(wù)局最終選擇了Nereda?技術(shù)作為生化處理工藝，以擴大處理能力，并同時(shí)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(jìn)水緩沖池，并與現有的AB系統并行運行。2013年啟動(dòng)了提標改造工程，建造了兩套直徑為41 m的Nereda?反應器來(lái)處理約41%的進(jìn)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(chǎng)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(jīng)超過(guò)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(dòng)主要有兩個(gè)階段：第一階段是顆?；A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(jìn)水負荷需要根據出水指標適時(shí)調整，以滿(mǎn)足出水排放要求。在運行3個(gè)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?？偭淄耆ㄟ^(guò)Nereda?系統生物反應即可達到去除目標，TN和TP均滿(mǎn)足上述出水要求。

第二階段：經(jīng)過(guò)第一階段的啟動(dòng)期后，堅固密實(shí)的顆粒床（MLSS>8g/L）已形成并在此后能長(cháng)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(guò)80%的粒徑>0.2mm，超過(guò)60%的粒徑>1mm。啟動(dòng)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(jìn)、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(zhì)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(jìn)水流量及營(yíng)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(shí)段通過(guò)縮短Nereda?系統的循環(huán)周期時(shí)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(zhì)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(xué)藥劑成本相比，Nereda?系統幾乎不需要投加額外的化學(xué)藥劑。此外，加藥還導致AB系統的污泥產(chǎn)量幾乎是Nereda?系統的兩倍。因此，Nereda?系統的總運營(yíng)成本（能耗、藥劑、污泥處理等）明顯低于傳統工藝。

03 結語(yǔ)

通過(guò)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(cháng)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(shí)，沉降性好并且可長(cháng)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(shí)將COD、氮和磷等營(yíng)養物高效去除的能力。從荷蘭的3個(gè)典型工程案例來(lái)看，Nereda?工藝在實(shí)際污水處理運行中均有著(zhù)出色的脫氮除磷表現，同時(shí)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(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。Nereda?工藝能很好地解決現有污水廠(chǎng)占地資源緊張又亟需擴大處理能力的問(wèn)題。對于土地資源緊張的地區，Nereda?工藝無(wú)論是新建或擴（改）建都具有無(wú)可比擬的競爭優(yōu)勢。