《Journal of Environmental Sciences》：Optimization of desander operating parameters and their influence on volatile content and microbial characteristics of activated sludge
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•专门设计了一种实验室规模的除砂装置，用于去除活性污泥中的砂砾。•除砂装置通过离心沉降分离污泥和砂砾。•原污泥和处理后污泥中的优势菌群相对丰度相似。•除砂系统提高了污泥的VS含量和微生物活性。引言活性污泥法因其高效和经济性而被广泛应用于全球的废水处理中（Liu等，2021）。
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专门设计了一种实验室规模的除砂装置，用于去除活性污泥中的砂砾。
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除砂装置通过离心沉降分离污泥和砂砾。
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原污泥和处理后污泥中的优势菌群相对丰度相似。
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除砂系统提高了污泥的VS含量和微生物活性。
引言
活性污泥法因其高效和经济性而被广泛应用于全球的废水处理中（Liu等，2021）。在各种活性污泥工艺形式中，厌氧-缺氧-好氧（A2/O）工艺、氧化沟工艺和序批式反应器（SBR）是最常用的工艺，已在中国超过60%的污水处理厂（WWTPs）中得到实施（Zhang等，2016）。多项出版物指出，大多数中国污水处理厂存在一个显著现象——活性污泥生物反应器中的混合液悬浮固体（MLSS）的VS/TS值偏低（Liao和Li，2015；Qu等，2022；Xu等，2020）。污泥的VS/TS在0.35至0.65之间，低于最佳比率0.75以及发达国家通常达到的水平（>0.7）（Xu等，2020；Cao等，2021）。较低的VS/TS表明污泥中无机固体比例较高——特别是砂砾含量较高。中国污水处理厂中砂砾含量高的主要原因是排水系统建设和运营不善（Liao和Li，2015）。此外，污水处理厂采用延长污泥停留时间来维持足够的生物量，并让原污水绕过初沉池以避免碳源损失，从而确保活性污泥工艺内高效的硝化和反硝化（Bolzonella等，2005；Fan等，2015）。因此，生物反应器中砂砾不断积累，导致污泥的VS/TS进一步降低。
VS/TS通常被用于评估活性污泥的活性（Fan等，2015）。污泥中砂砾比例高意味着能够去除污染物的微生物比例较低。因此，许多中国污水处理厂不得不人为提高MLSS以维持较大的微生物种群，导致运营成本上升。最重要的是，污泥中含有大量砂砾会对剩余污泥处置方式（如有机堆肥、厌氧消化和焚烧）产生不利影响，同时也会影响污水和污泥处理系统中机械设备的寿命（Liao和Li，2015；Long和Ju，2008；Duan等，2016；Yang等，2015；Zhang等，2021）。
有机含量低的污泥在好氧堆肥过程中升温缓慢，无法达到有效堆肥所需的温度（55–65 °C）（Long和Ju，2008）。在半连续式厌氧反应器中，将进料VS/TS从61%降低到15%会导致沼气产量下降29%，VS/TS降低29%，沼气中甲烷含量下降4%（Duan等，2016）。就焚烧而言，VS/TS较低的污泥热值不足以自维持燃烧，通常需要补充煤或油等燃料（Zhang等，2021）。此外，生命周期评估表明，处理低VS/TS污泥时，厌氧消化和焚烧两种路径的能量平衡均为负值；然而，较高VS/TS的污泥则倾向于产生正的能量平衡（Zhao等，2023）。总体而言，污泥中较低的VS/TS会降低处理能力并增加处理方式的运营费用。
通常，格栅井和初沉池被设计用于有效去除WWTPs中的砂砾和悬浮固体。然而，格栅井只能有效去除粒径大于0.21 mm、比重为2.65的无机颗粒，而初沉池通常达到的悬浮固体去除率在40%至60%之间（Huang和Li，2000；US EPA，2004）。其他主流的市政污水除砂技术包括曝气除砂池、旋流除砂器和溶气气浮系统，但在细砂去除方面均存在明显局限性。曝气除砂池存在曝气流量的不匹配问题，降低了细砂去除效率并影响后续的厌氧/缺氧过程（Sherony，2014）；旋流除砂器仅在设计流量下表现良好（Zhang，2014）；溶气气浮系统对高密度细砂效果不佳，且成本高、稳定性差（Dzwald，2010）。
部分被有机物包裹的砂砾沉降速率降低，连同细砂（< 200 μm）一起进入生物反应器（Plana等，2018）。He等人证明，粒径大于73 μm的细砂颗粒主要沉降到反应器底部，而小于73 μm的颗粒则悬浮在污泥中或沉降到反应器底部（He等，2013）。类似研究报道，粒径大于150 μm的砂砾对VS/TS影响甚微（Johir等，2013）。这些结果表明，较小粒径的砂砾更容易悬浮在污泥中，较高浓度的细砂会导致污泥VS/TS更低。因此，在中国现有污水处理厂的情况下，有效去除活性污泥中的细砂对于提高污泥活性至关重要。本研究专门开发了除砂装置，针对实际密度约为1.6 g/cm3的有机包覆细砂（纯砂为2.65 g/cm3），有效解决了传统水力旋流器在处理此类包覆颗粒时分离效率低下的长期难题。更重要的是，该装置可以直接安装在污水处理厂的内部或外部污泥回流管道上，无需修改前端工艺或造成原污水中的碳源损失。这使其特别适合已取消初沉池的中国大多数污水处理厂。此外，除砂装置的开发及其对活性污泥影响的研究代表了基于综合文献计量分析结果（补充材料）的一个前景广阔的研究方向。
本研究开发了一套活性污泥除砂系统，以高效、稳定地去除活性污泥中的砂砾，研究目标为：1）系统研究除砂装置运行参数（如出水口比例、驱动压力、串联除砂器数量）对无机物去除的影响；2）评估除砂装置处理循环式活性污泥系统（CASS）、A2O、A2O-膜生物反应器（A2O-MBR）和两段缺氧-好氧（AO-AO）工艺污泥的性能，并评价其适用性；3）分析除砂装置处理前后污泥粒径分布、分形维数、表面形貌、破碎程度、微生物群落和生化甲烷潜力（BMP）的变化。本研究提供了一种有前景且环保的方法来提高污泥活性，从而促进市政废水处理质量和效率的提升。
章节摘要
除砂装置结构与配件
除砂装置主体由一个圆柱形腔室和一个单锥形腔室组成，均由有机玻璃制成。除砂装置的详细几何模型和尺寸见图S2。在设计除砂装置的过程中，细砂密度设定为1.6（原始为2.65），因为砂砾表面被有机物包裹（Metcalf和Eddy，2003）。上溢流和下溢流污泥流量的优化是一项主要研究
出水口直径对除砂装置性能的影响
活性污泥的VS/TS是表征污泥中有机物含量的指标，可用于评价除砂装置的无机物去除效果。研究了不同出水口尺寸（1.0、1.3和1.5 mm）下除砂装置的性能，以确定最佳出水口尺寸。如图2a所示，当上溢流出水口尺寸固定在1.5 mm且出水口
结论
本研究系统研究了不同运行参数下除砂装置对活性污泥特性的影响。除砂系统在上溢流和下溢流出水口尺寸均为1.5 mm、驱动压力为0.4 MPa、三级分离工艺运行模式、低VS/TS和低污泥浓度条件下实现了最佳的无机物去除效果。三级除砂系统始终降低了VS/TS
CRediT作者贡献声明
Wang Zihan：验证、调查。Yuan Shuo：验证、调查。Wang Guanghui：资源、项目管理。Qu Qin：撰写——审阅与编辑、概念化。Li Xueyi：资源、形式分析。Zhao Kai：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、指导、调查、概念化。Li Yanhong：撰写——审阅与编辑、概念化。Liu Ruiping：撰写——审阅与编辑、资金获取、概念化。
Wang Zihan|Yuan Shuo|Wang Guanghui|Qu Qin|Li Xueyi|Zhao Kai|Li Yanhong|Liu Ruiping
