Garmerwolde污水处理厂原主体工艺采用AB法。为应对不断增加的污水量和更加严格的排放标准，该厂进行了提标改造。2005年主要通过增加旁侧流SHARON(2400kgN/d)以解决泥消化液处理问题，氨氮去除率95%以上，达到硝化阶段节约能耗25%、反硝化阶段节约外加碳源40%，减少50%的污泥产量。2013年新增独立运行的SBR好氧颗粒污泥系统(Nereda®)，增加产能2.86万m3/d，好氧污泥颗粒化后60%颗粒大于1mm、生物量可稳定达到8g/L以上、SVI5值稳定在45ml/g左右，出水TN≤7mg/L，TP≤1mg/L，比传统活性污泥系统能耗降低58-63%、占地减少33%、运行费用节省50%。
1 基本概况和提标改造的必要性
1.1 基本概况
Garmerwolde污水处理厂位于荷兰北部的格罗宁根市东北，规模约为7.4万m3/d(2700万m3/y，约23.5万人口当量)，污水来源主要为市政污水。原工程主体采用AB法(见图1)，活性污泥池有效容积为28400m3，沉淀池有效容积为24800m3。原工艺设计排放标准：TN≤12mg/L、TP≤1mg/L，出水排入附近河道。污泥消化产生的沼气每年提供0.8兆瓦电力。
1.2 提标改造必要性及存在问题
随着当地社会经济的发展，现有污水厂的处理规模已经不能满足需求，导致现有污水处理设施负荷过大，处理效率无法提升使得出水不能达到要求，特别是出水TN超标。据统计，该厂污泥脱水、浓缩等处置环节回流液提供了该厂氮负荷总量的大约34%，这对处理工艺的脱氮能力造成了显现的难度，使得总氮控制目标的达成更加困难。
因此为应对不断增长的污水排放量，必须新建污水处理设施;解决污泥消化液高浓度含氮废水回流产生的冲击影响问题。由于土地资源的有限和经济效益的考虑，在提标改造中特别需要考虑经济、高效、运行稳定、节约土地。
2 提标改造技术路线及实施
2.1 技术路线概述
AB法是吸附-生物降解工艺的简称，主要特征是A段在高负荷下(一般为普通活性污泥法的50-100倍)和较短的水力停留时间下(30-40min)，利用世代周期较短的原核细菌(泥龄0.3-0.5d)去除大量有机物，产泥量约占总系统的80%;B段在低负荷下(一般<0.15kgBOD/kgMLSS)和 2-5小时的水力停留时间下，利用较长泥龄(一般为15-20d)条件的长世代周期微生物去除剩余有机物;由于A段的生物量高，对水质、水量、pH、有毒有害物质的冲击负荷具有良好的缓冲，A段和B段具有独立的污泥回流系统[1]。由于AB法的工艺特点，具有有机物去除率高、系统运行稳定、抗冲击负荷能力强、良好的脱氮除磷效果、节能等优点，但也存在着A段易产生硫化氢、大粪素等臭气体影响周边环境，A段有机物去除过多导致B段进水碳氮比偏低而影响脱氮，污泥产量过高造成后续污泥处置难度加大等缺点。
针对该厂原工艺存在的问题，在旁侧流增加强化短程硝化反硝化(SHARON，Single reactor High activity Ammonia Removal Over Nitrite)反应器来处理污泥消化液，以减轻主处理工艺的氮负荷，达到新的更加严格的排放标准;另新增处理规模为2.86万m3/d(占改造后总处理量的41%，约14万人口当量)的好氧颗粒污泥处理系统来消纳新增污水量。该污水处理厂的提标改造工艺流程见图2。新建好氧颗粒污泥工艺的设计出水标准为COD≤125mg/L，BOD5≤20mg/L，TN≤7mg/L，TP≤1mg/L，SS≤30mg/L。
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2.2 短程硝化反硝化系统
SHARON工艺是一种用来处理高浓度、低碳氮比含氨废水的脱氮工艺，通过控制反应器水力停留时间、消化液温度和pH等，在有氧条件下利用优势的亚硝化细菌迅速将氨氮转化为亚硝酸盐，然后在缺氧条件下，以有机物为电子供体将亚硝酸盐反硝化生成氮气。具有工艺流程简单、脱氮速度快、投资和运行费用低等优点。
该厂的SHARON系统设计规模为3200m3/d，设计负荷为2400kgN/d，反应器由两个主反应池组成，有效容积4900m3(单体容积2450m3)，以序批式反应器方式进行，分进水、反应、沉淀、排水等过程，水力停留时间1.4-1.5天，进水NH4+-N浓度700-800mg/L，COD来源考虑为污泥干化浓缩液、工业废物、甲醇等，出水进入集水井。
该系统于2005年运行，后期试验了Mark van Loosdrecht教授研发的BABE®技术(Biological Augmentation Batch Enhanced)，有效解决了主处理工艺与旁侧流工艺之间细菌差异性过大，菌种单一等问题，取得了提高旁侧流短程硝化反硝化效果、强化主处理工艺硝化能力等效果。
2.3 好氧颗粒污泥系统(Nereda®)
好氧颗粒污泥技术作为近几十年来新开发的污水处理技术，通过微生物的自凝聚作用使得好氧污泥颗粒化，使絮状活性污泥成为颗粒状。与普通活性污泥相比具有不易发生污泥膨胀、污泥含量高(可达到10g/L)、沉降性能好、抗冲击负荷能力强、抗有毒有害物质侵扰、容积负荷率高、节地节能等特点[5]。经过近几十年的实验室和中试研究，在工业污水处理领域已经有较成熟的应用，近年开始已经在非洲、欧洲多地城镇污水处理厂开始了应用。
新建的好氧颗粒污泥系统独立平行于原有的AB法主处理工艺，由Royal HaskoningDHV公司设计，采用其Nereda®技术，该技术以SBR方式运行，一个典型运行周期示意如图3所示，1为同时进出水(下进上出)，2为曝气反应，3为沉淀。主要原理为：总体上，通过控制沉淀时间、进水时间、进水流速等在反应器中形成并控制选择压，来促进好氧颗粒污泥的形成、生长和稳定;在厌氧进水条件下，从反应器底部进水，同时出水由反应器上部溢流堰溢出，易生物降解COD在颗粒床中被聚糖菌(GAO)和聚磷菌(PAO)在体内讯速吸收储存为聚糖类(PHA)等高分子聚合物，使得一般异养菌在厌氧条件下由于得不到氧而无法生长，同时聚磷菌释放正磷酸盐并强化聚磷菌在颗粒污泥中成为优势菌种;进水阶段结束后，反应器进入曝气阶段，由于大部分易降解碳源已被吸收，一般异氧菌得不到碳源仍无法生长，而在厌氧阶段储存有PHA的菌种得到较好生长，硝化菌在颗粒污泥表面进行氨氮的氧化，颗粒污泥粒径所造成的溶解氧浓度梯度、传质机制、结构特征等造成了局部的缺氧环境而产生同步硝化反硝化，同时厌氧条件下释放的正磷酸盐在好氧条件下被聚磷菌大量摄取，聚磷菌等之前摄取储存的PHA碳源在曝气阶段被缓释为各类反应提供部分碳源，从而使反硝化菌、硝化菌、聚磷菌等菌种协同工作，实现在反应器中同步去除COD、N和P;在曝气结束后，反应器进入沉淀阶段，被各菌种利用的COD、N、P等部分以细菌本体的形式随颗粒污泥的增长或以矿化物的形式积留在颗粒污泥内部而被留在反应器内、部分在出水时以剩余污泥的形式被排出反应器。
Garmerwolde污水处理厂的好氧颗粒污泥系统主要由两组SBR系统(圆形主体单体直径41m、高7.5m、有效容积9600m3)和一个进水缓冲池(用于缓存暴雨期间污水量，有效容积4000m3)组成，利用在线监控系统进行运行控制，于2013年开始运行，旱季最大流量4200m3/h。SBR实际运行一个周期时间为(亦可以根据进水水质、产泥率、出水要求、颗粒污泥培养选择压等动态调整)：旱季，进水(同时出水)1h、曝气5h、沉淀15-30min;雨季，进水(同时出水)1.5h、曝气1h、沉淀15-30min，两组SBR系统交替运行以保证连续处理，设计进水时间通常为0.5-1.5h，流速为2-10m/h，相关运行参数见表1。实际运行操作控制要点为：进水上升流速控制约为3-3.3m/h;通过在水面以下0.5m处(刚刚在出水堰以下)的磷酸盐浓度来实时控制短流，当磷酸盐浓度达到设计限定值后立刻停止进水;有效体积交换率受到进水推流模式影响，经验值为65%，而在旱季为30-40%;曝气阶段DO浓度控制在1.9mg/L，当氨氮降低到设定值后减小曝气量以强化反硝化速率;当总氮和总磷均达到要求后进入下一个周期。
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表1 好氧颗粒污泥系统相关运行参数表
好氧颗粒污泥系统的接种污泥来自于另一个好氧颗粒污泥污水处理厂的剩余污泥(SVI30=140mL/g，无明显颗粒污泥)。系统的实际运行根据颗粒化程度和处理效果分为两个阶段：(1)第一阶段为启动阶段(2013年9月-2014年2月)，为确保出水水质达到阶段值(TN≤15mg/L，TP≤1mg/L)，容积负荷率逐渐提升、单个运行周期时间不断缩减，同时好氧污泥颗粒化率稳步提升。实践表明，在某些情况下启动阶段容积负荷率必须适当降低。为确保在该阶段出水TP达到标准，须在干燥或者大雨气候下于运行周期结束后添加絮凝剂以辅助除磷。在该阶段末期，出水TN和TP平均值已经可以达到6.9mg/L和0.9mg/L。SVI5和SVI30分别从接种污泥的145mL/g和90mL/g降到70mL/g和50mL/g，生物量从3kg/m3增长到6.5kg/m3，颗粒化率从30%增长到大于80%。(2)第二阶段为正常运行阶段(2014年3月-12月)，容积负荷率逐渐达到设计值，系统稳定运行，颗粒化正常，相关出水水质达到标准(见表2)。Fe(Ⅲ)/P(摩尔质量比)为0.18，TP去除率达到90%。在正常雨量和干燥天气下，TP完全由生物去除，不添加絮凝剂。SVI5和SVI30稳定在45mL/g和35mL/g，生物量增长到大于8kg/m3，80%的颗粒污泥粒径大于0.2mm，60%的颗粒污泥粒径大于1mm。Fish测试表明有大量的PAO菌种存在于好氧颗粒污泥中，而很难发现GAOs菌种。运行中，利用选择压来促进好氧颗粒污泥的形成，同时排出絮体，剩余污泥中仅发现有少量0.2mm左右的颗粒污泥。系统中的混合液污泥如图4所示。
表2 好氧颗粒污泥系统进出水水质
图4 系统中的混合液污泥形态
3 改造效果
3.1 短程硝化反硝化系统
该厂的短程消化反硝化系统(SHARON)氨氮去除率达到95%以上，对污泥消化液、污泥浓缩液及污泥干化处理出水等进行了有效处理，降低了主处理工艺的氮负荷。SHARON通过将氨氮氧化为亚硝酸盐节约了25%的曝气能耗、亚硝酸盐的反硝化节约了40%的外加BOD、在高温下进行亚硝酸盐的反硝化减少了50%的污泥产量、操作简单、工艺稳定度高。
全规模的升级工艺BABE®技术试验表明，该技术可以克服传统SHARON的部分缺点，是一种无剩余污泥的高效氮处理工艺。但Garmerwolde污水厂自2005年以来仍一直采用SHARON装置。
3.2 好氧颗粒污泥(Nereda®)
通过新建好氧颗粒污泥技术处理设施，该厂处理能力提高了40%(新增14万人口当量)，取得了较好的效果，实际平面图见图5。实际运行中，好氧颗粒污泥系统的流量负荷在旱季达到总流量负荷的60%。
在荷兰气候条件下，出水水质能满足要求(7mgTN/L和1mgTP/L)，在夏冬季节生物量能保持在较高水平(>8g/L)、SVI5稳定在45mL/g，温度对于好氧颗粒污泥的影响比传统活性污泥小。由于好氧颗粒污泥较高的生物量，处理设施的容积负荷率大大增加，好氧颗粒污泥系统处理相同水量所需的容积比普通活性污泥法减少33%(原处理工艺负荷为0.8m3/m3.d，好氧颗粒污泥系统为1.2m3/m3.d)。
该厂原AB法电耗约为0.33kW.h/m3(污泥处置电耗除外)，好氧颗粒污泥法的能耗约为0.17kW.h/m3(污泥处置电耗除外)，节能约49%。好氧颗粒污泥系统的电能消耗量为13.9kW.h/(PE150.year)，这比当地的普通活性污泥法少约58-63%。
该厂好氧颗粒污泥系统建造费用约2000万欧元(0.07欧/m3)。原AB法运行费用约为0.07欧元/m3，好氧颗粒污泥系统运行费用约0.03欧元/m3，节省约50%。
图5 Garmerwolde污水厂处理厂鸟瞰图
4 结语
Garmerwolde污水处理厂2005年通过对原AB法增加旁侧流SHARON工艺、并在该系统添加碳源、进行强化短程硝化反硝化系统，减轻了主处理工艺的氮负荷;并于2013年新建了平行于AB法的好氧颗粒污泥系统，扩大了污水处理厂规模，节省了占地空间，满足新的环境标准，实现水质稳定达标排放，更为好氧颗粒污泥技术在市政污水处理厂的运用提供了实践经验。
延伸阅读：
原标题：【热点聚焦】Garmerwolde污水处理厂提标改造—新增好氧颗粒污泥系统、旁侧流SHARON
