中试规模活性污泥和好氧颗粒污泥出水在实验室规模下的过滤性能比较：对废水回用水力性能及放大潜力的影响

《Journal of Water Process Engineering》：Comparative bench-scale filterability of pilot-scale activated and aerobic granular sludge effluents: Implication for hydraulic performance and scale-up potential for wastewater reuse

本研究系统评估了传统活性污泥（AS）与好氧颗粒污泥（AGS）在UF-NF膜联用中的过滤性能与污染机制。实验表明AGS在UF阶段表现更优（～150 L/m2/h），但NF阶段flux下降达90%（～5 L/m2/h），cake层更薄致密，且humic物质吸附增加。WAVE模型预测存在偏差，验证了上游生物处理对下游膜性能的关键影响，为AGS系统优化及可持续放大提供依据。

　　这项研究探讨了基于试点规模活性污泥（AS）和好氧颗粒污泥（AGS）的废水处理系统在中试规模膜过滤中的性能表现，重点分析了其对水处理再利用过程中的水力性能和放大潜力的影响。研究发现，AGS在超滤（UF）阶段表现出优于AS的水力性能，其渗透通量达到约150升/平方米/小时，而AS仅为约90升/平方米/小时。这种差异主要源于AGS具有更好的污泥沉降性能，从而减少了出水中的悬浮固体，降低了膜表面形成的滤饼层厚度。然而，在后续的纳滤（NF）阶段，AGS的膜污染情况却比AS更为严重，其渗透通量下降超过90%，从约80升/平方米/小时降至约5升/平方米/小时，而AS在NF阶段仍能维持较高的通量。这表明，虽然AGS在UF阶段有助于提升水力性能，但在NF阶段的膜污染问题却可能影响其整体应用效果。

通过光学相干断层扫描（OCT）图像可以观察到，AGS在UF阶段形成的滤饼层更薄，而扫描电子显微镜（SEM）图像则揭示了AGS在NF阶段形成的滤饼层更为紧密。尽管AS和AGS在NF阶段对溶解有机碳（DOC）的去除率均达到约97%，但LC-OCD质谱分析显示，AGS-NF系统对腐殖质相关物质的吸附能力更强，这进一步突显了出水有机污染物组成对膜污染的关键影响。研究还通过Water Application Value Engine（WAVE）模型评估了UF-NF系统的放大可行性，该模型通常用于膜系统的评估，但在处理AGS出水时未能准确预测膜污染的严重程度和通量下降情况。这一结果表明，即使使用经过参数校准的传统模拟工具，也难以全面捕捉膜污染的复杂动态。因此，研究强调了上游生物处理工艺选择对下游膜污染行为的决定性作用，并为优化基于AGS的混合系统提供了实践指导。

传统的活性污泥（AS）与微滤（MF）或超滤（UF）膜结合的处理工艺被广泛应用于非饮用级水再利用，如城市绿化或厕所冲洗等场景。然而，随着再利用范围的扩大，如农田灌溉或冷却用水等应用，对废水处理质量提出了更高的要求。现有的AS-MF/UF系统面临两个主要限制：膜污染严重和对溶解有机碳（DOC）的去除能力不足。这限制了它们在无需额外处理的情况下直接用于非饮用级水再利用的适用性。膜污染会增加水力阻力，主要原因是膜表面的固体沉积和孔隙堵塞，导致需要更大的膜面积以及频繁的膜清洗或更换，从而显著增加了运行成本和能耗。此外，由于多孔膜无法有效阻挡DOC，通常需要进一步使用致密膜，如纳滤（NF）或反渗透（RO）进行深度处理，以达到高质量的再用水标准。

好氧颗粒污泥（AGS）作为一种新一代的生物处理工艺，相较于传统活性污泥（AS）在营养物质去除、污泥沉降性能和固体减少方面展现出明显优势，特别是在与膜处理相结合的系统中。已有研究主要集中在AGS-UF系统的性能表现，但对后续NF/RO阶段的膜污染机制关注较少。此外，目前的放大评估通常依赖于Water Application Value Engine（WAVE）模型，该模型被广泛用于膜系统的评估，但尚未对AGS出水进行系统性的基准测试。因此，本研究通过实际比较AS和AGS在UF-NF混合系统中的处理效果，并结合WAVE模型进行校准，以评估其在预测放大潜力方面的适用性。研究旨在填补这一空白，为基于AGS的水处理方案在大规模水再利用中的可行性与可持续性提供依据。

随着全球水资源短缺问题的加剧，AGS在膜处理系统中的应用逐渐受到关注。相较于传统活性污泥，AGS形成的颗粒结构更为紧密，这不仅提高了营养物质的去除效率，还显著降低了能耗、占地面积和化学药品的使用量。Thwaites等人曾报告，AGS在膜澄清过程中表现出更优的沉降特性，减少了固体携带，从而降低了膜污染的发生。Ali等人进一步比较了AS和AGS在UF阶段的处理效果，发现AGS-UF系统在去除营养物质和减少膜污染方面更具优势。他们的研究还提出，AGS-重力驱动膜（GDM）可以作为传统好氧膜生物反应器（AeMBR）的可行替代方案，适用于水资源匮乏地区的分散式水处理和再利用。然而，这些研究尚未通过全规模的模拟评估，表明需要对AGS系统的放大潜力进行系统性的研究。

尽管已有研究表明AGS-UF系统在水力性能方面有所提升，但要实现更广泛的应用，仍需依赖后续的致密膜处理。纳滤和反渗透技术被广泛用于这一阶段，但它们的性能高度依赖于进水水质和膜污染潜力。虽然AS-UF-NF/RO系统的性能已被广泛研究，但AGS出水对致密膜污染和处理效果的影响尚未得到系统性的评估。本研究通过评估AGS和AS出水在NF/RO阶段的过滤性能和膜污染行为，旨在揭示其对再用水质量和放大潜力的影响。以新加坡的NEWater项目为例，该系统采用传统活性污泥出水经MF-RO处理后，生产的再用水质量甚至超过了饮用水标准。Qin等人研究显示，该全规模NEWater处理厂在RO阶段的总有机碳（TOC）含量稳定低于0.1毫克/升。然而，长期运行过程中仍面临严重的膜生物污染问题，这要求处理厂投入大量运行和维护成本。

Bai等人报告指出，在膜处理阶段，RO的清洗频率从每月一次到每三个月一次不等，表明在实际运行中需要持续进行膜污染控制。在致密膜运行过程中，出水中的溶解有机物和微生物浓度可能增加3到5倍，这显著提高了膜表面的生物污染潜力。随着时间推移，这些污染效应可能导致清洗频率增加、运行成本上升、膜寿命缩短，甚至影响膜的完整性。Wang等人曾利用合成废水评估AGS与NF/RO处理的组合系统，结果显示该系统在营养物质去除方面表现出色，并且对致密膜的通量下降较小。然而，他们的研究依赖于简化的进水条件，这可能无法准确反映真实市政废水中的膜污染动态。尽管Ali等人曾直接比较了AGS与AS-UF在真实市政废水处理中的效果，但对致密膜阶段的系统性比较，包括水力行为、膜污染机制和水质评估，仍存在不足。

为了解决这些知识空白，本研究系统性地评估了UF-NF混合膜系统在处理相同原始市政废水的AS和AGS出水时的性能表现。研究从三个方面分析了系统性能：一是UF和NF阶段的水力膜性能；二是UF和NF阶段的膜污染机制；三是NF阶段再用水的质量和生物污染潜力。通过WAVE模型对系统的放大可行性进行了评估，该模型通常用于膜系统的模拟，但在处理AGS出水时未能准确预测膜污染的严重程度和通量下降情况。这表明，传统模拟工具即使经过参数校准，也难以全面反映膜污染的复杂动态。因此，本研究强调了上游生物处理工艺选择对下游膜污染行为的决定性作用，并为优化基于AGS的水处理方案提供了实践指导。

研究进一步揭示了AGS在UF阶段的优势，即其形成的颗粒结构能够提高水力性能，减少膜污染的发生。在相同的过滤条件下，AGS-UF的渗透通量显著高于AS-UF，表明AGS在提升处理效率方面具有潜力。AGS的高沉降性能降低了出水中的悬浮固体含量，从而减轻了膜表面滤饼层的形成，改善了水力性能。此外，AGS的颗粒结构使得固液分离更加高效，相较于松散的活性污泥絮体，AGS能够实现更快的分离速度。这种特性对于提高膜过滤效率和减少运行成本具有重要意义。然而，在后续的NF阶段，AGS出水对膜的污染程度却显著高于AS出水，导致通量下降严重，这表明在系统设计和运行过程中需要充分考虑不同处理工艺对后续膜污染的影响。

本研究还探讨了不同处理工艺对膜污染机制的影响。在UF阶段，AGS出水由于其颗粒结构更紧密，形成的滤饼层更薄，从而降低了膜污染的发生。而在NF阶段，AGS出水的滤饼层更为紧密，这导致了更严重的膜污染问题。这种差异表明，上游生物处理工艺的选择对下游膜污染行为具有决定性作用。因此，在设计和运行膜处理系统时，需要综合考虑不同处理工艺对膜污染的影响，以优化系统性能并提高水处理再利用的可行性。研究结果还表明，通过实验验证的洞察力与模拟工具的结合，可以提高UF-NF系统的放大可行性和可持续性，为大规模水再利用提供可靠的技术支持。

本研究通过对真实市政废水的处理，系统性地评估了AS和AGS出水在膜过滤过程中的表现。研究发现，尽管AGS在UF阶段有助于提升水力性能，但在NF阶段的膜污染问题却可能影响其整体应用效果。因此，在设计和运行膜处理系统时，需要充分考虑不同处理工艺对后续膜污染的影响。通过WAVE模型的校准和应用，研究评估了UF-NF系统的放大潜力，发现该模型在预测膜污染和通量下降方面存在一定的偏差，表明传统模拟工具在处理AGS出水时可能无法准确反映实际运行中的膜污染动态。因此，研究强调了实验验证的重要性，并建议将实验数据与模拟工具相结合，以提高膜处理系统的预测准确性和运行效率。

此外，本研究还分析了不同处理工艺对再用水质量的影响。在NF阶段，AGS出水的水质可能优于AS出水，但其膜污染问题却更为严重。这表明，在设计水处理系统时，需要在提高水质和减少膜污染之间取得平衡。研究结果还表明，AGS在提高膜过滤效率和减少运行成本方面具有显著优势，但在后续的致密膜处理阶段，其膜污染问题可能成为制约因素。因此，在大规模水再利用应用中，需要综合考虑不同处理工艺对膜污染的影响，并采取相应的优化措施。通过实验验证的洞察力与模拟工具的结合，可以提高膜处理系统的预测准确性和运行效率，为实现可持续的水再利用提供可靠的技术支持。

本研究的结果不仅为优化基于AGS的水处理方案提供了实践指导，还揭示了不同处理工艺对膜污染行为的决定性作用。通过系统性评估，研究明确了AGS在UF阶段的优势，以及其在NF阶段的局限性。这表明，在设计和运行膜处理系统时，需要充分考虑不同处理工艺对膜污染的影响，并采取相应的优化措施。研究还强调了实验验证的重要性，并建议将实验数据与模拟工具相结合，以提高膜处理系统的预测准确性和运行效率。通过这种方式，可以实现更可靠和可持续的UF-NF系统放大，为大规模水再利用提供技术支持。

研究结果还表明，AGS在提高膜过滤效率和减少运行成本方面具有显著优势，但其在后续的致密膜处理阶段可能面临更大的挑战。因此，在设计水处理系统时，需要在提高水质和减少膜污染之间取得平衡。通过系统性评估，研究明确了不同处理工艺对膜污染行为的影响，并为优化基于AGS的水处理方案提供了实践指导。研究还强调了实验验证的重要性，并建议将实验数据与模拟工具相结合，以提高膜处理系统的预测准确性和运行效率。通过这种方式，可以实现更可靠和可持续的UF-NF系统放大，为大规模水再利用提供技术支持。

综上所述，本研究通过实验和模拟相结合的方法，系统性地评估了基于AS和AGS的UF-NF混合膜系统在处理真实市政废水时的性能表现。研究结果表明，上游生物处理工艺的选择对下游膜污染行为和系统性能具有决定性作用，为优化基于AGS的水处理方案提供了实践指导。同时，研究还揭示了不同处理工艺对膜污染机制的影响，并强调了实验验证的重要性。通过将实验数据与模拟工具相结合，可以提高膜处理系统的预测准确性和运行效率，为实现可持续的水再利用提供可靠的技术支持。