将反应器分隔作为提升基于厌氧侧流反应器工艺的污泥减量水平的创新策略

《Journal of Water Process Engineering》：Reactor compartmentalization as an innovative strategy to enhance sludge reduction in the anaerobic side-stream reactor-based process

　　

• •
  通过ASSR分隔技术，污泥产量可减少多达70%。
• •
  分隔设计能够在不增加ASSR容积的情况下进一步提升污泥削减效果。
• •
  COD去除效果及污泥沉降性能并未出现显著变化。
• •
  分隔区域数量增多可加速污泥分解与胞外聚合物水解过程。
• •
  在适度厌氧暴露时间下即可实现高效污泥减量，进而降低运营成本与设施规模。

引言

污水处理厂产生的过量污泥如何管理和处置，是当前面临的最紧迫的环境与经济问题之一，这一难题亟需进一步研究深入分析。近年来严格的环保法规（如欧盟2024/3019号指令）促使污水处理工艺不断优化，但同时也导致了污泥产量的增加。过量污泥的处理与处置会显著提升污水处理厂的管理成本[1]。此外，还有研究表明，由于新兴污染物的存在，污水污泥的质量正在逐步下降[2]、[3]。

最近，欧盟通过颁布新指令（2024/3019号指令）对城市污水处理的监管框架进行了更新[4]。该指令虽主要侧重于处理要求与出水水质标准，但也强调了可持续污泥管理措施的必要性。具体而言，这些管理措施应当得到改进，并与废物处理优先级原则相契合。在此背景下，减少过量污泥的产生被视为一项重要任务。

基于厌氧侧流反应器（ASSR）的工艺被视为一种极具性价比且环保的过量污泥削减技术[5]。该工艺的核心在于将回流活性污泥置于专用容器中，在饥饿或厌氧环境下进行培养[6]。在这种恶劣环境中，多种抑制细菌生长的机制（如解偶联代谢、污泥分解、胞外聚合物分解、细胞裂解以及隐匿性生长等）会同时发挥作用[7]。相关研究表明，应用ASSR工艺可将过量污泥产量减少30–50%[8]、[9]，这一降幅低于采用更为昂贵的物理化学方法的减量效果。ASSR工艺的效率受多种操作参数影响，而这些参数又可进一步提升污泥减量效果。通常认为，增大厌氧反应器体积有助于延长厌氧水力停留时间，从而提升工艺效率。不过最新研究指出，厌氧暴露时间这一参数比传统的水力停留时间更能反映实际污泥产出量Y_obs，因为它与污泥产出量之间存在更强的关联[10]。有研究显示，当ASSR容积超过一定阈值后，继续增大容积并不能成比例地延长厌氧暴露时间或进一步提升污泥削减效果[10]。此外，过高的厌氧暴露时间可能带来负面影响，导致菌体过度生长并丧失功能，进而降低净化效率[10]。因此，保持适度的厌氧暴露时间对于避免工艺不稳定以及减少大型ASSR反应器带来的高昂成本至关重要。另有研究指出，在ASSR反应器内强化厌氧条件可在不影响整体处理性能的前提下进一步提升污泥削减效果[11]、[12]、[13]。控制氧化还原电位使其处于更负的值也被视为一种解决方案[12]，但这种方法可能导致工艺运行不稳定，且通常需要通入氮气来维持适宜环境，这在大规模应用中并不现实。在ASSR反应器中增加生物量也是文献中提出的另一种策略[8]、[14]，可通过重力浓缩器提高固体浓度来实现，或者提升反应器内的厌氧污泥负荷率ASLR[11]。不过第一种方法往往难以实施，因为需要专门的浓缩装置。而提高ASLR会导致活性污泥流量增加，同时缩短ASSR的反应时间，这最终会限制污泥减量效果。

与连续搅拌式厌氧反应器相比，通过将ASSR反应器分隔为多个单元，使其具备类塞流特性，可作为工艺强化的有效策略。在连续搅拌式厌氧反应器中，生物体所处的环境较为均匀，这有助于减轻代谢压力带来的负面影响。而反应器分隔设计则能够提升局部厌氧污泥负荷率，并形成空间上的氧化还原梯度，从而在无需延长整体厌氧暴露时间的情况下，加速污泥分解过程。这样的设计有助于创造以底物为限制因素的厌氧环境，进而促进微生物的内源代谢与生物量分解。

据作者所知，目前尚未有研究系统探讨过在ASSR系统中应用反应器分隔技术作为工艺强化手段，以进一步提升污泥减量效果这一课题[5]、[16]。因此，本研究旨在：（i）分析不同分隔程度对过量污泥削减效率的影响；（ii）明确参与污泥减量的各类机制的作用，尤其关注异养生物的代谢响应；（iii）进一步了解各类操作参数如何影响污泥产出量的降低程度。

章节摘要

装置描述

本研究所使用的实验室规模处理装置采用传统活性污泥法的设计布局。该装置由一个曝气反应器和一个垂直流澄清器组成，两者串联并通过重力作用实现物质传递，澄清器的容积为14.5升。根据实验需求，曝气反应器的容积分别调整为15升、20升和25升。实验中使用的合成废水流量保持在每小时2升，曝气反应器内的环境为好氧条件

ASSR反应器分隔对流体动力学特性的影响

通过监测各反应器区域内电导率随时间的变化情况，分析了反应器分隔对ASSR流体动力学特性的影响，相关结果如图2所示。

在未进行反应器分隔的情况下（见图2a），电导率呈平稳的渐升趋势，12小时内便达到了示踪溶液的电导率水平，即40毫西门子/厘米。这种变化特征通常表明反应器内的水流处于充分混合状态，轴向扩散现象较为轻微。

结论

本研究表明，通过将ASSR反应器进行分隔处理，可有效提升该工艺的污泥减量效果。反应器分隔能够提高局部污泥负荷率，并形成空间上的氧化还原梯度，这两者共同作用加速了污泥的内源分解与胞外聚合物的分解，从而使实际观测到的污泥产出量大幅降低。当ASSR反应器的分隔程度从1-C提升到6-C时，污泥产出量Y_obs显著下降至0.28克TSS/克COD

CRediT作者贡献说明

Santo Fabio Corsino： 文章撰写——审阅与编辑，文章撰写——初稿编写，研究验证，研究指导，方法设计，实验研究，数据分析，概念构建。Sara Mulone： 文章撰写——初稿编写，实验研究，数据分析，概念构建。Marco Capodici： 文章撰写——审阅与编辑，文章撰写——初稿编写，研究验证，方法设计，实验研究，数据分析，概念构建。Alida Cosenza： 文章撰写——审阅与编辑，研究验证，

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

Santo Fabio Corsino|Sara Mulone|Marco Capodici|Alida Cosenza|Michele Torregrossa