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談論污水處理界的技術創新，好氧顆粒污泥(Aerobic Granular Sludge，簡稱AGS)是近幾年頗受關注的明星技術。與傳統活性污泥方法相比，好氧顆粒污泥有更好的沉降性能、更好的生物富集能力，以及更強的抗沖擊能力。每一顆好氧顆粒污泥都可以被稱作一個微型的污水處理廠，因為在一個微小顆粒就能實現去除COD 和脫氮除磷，無需支撐載體，污泥濃度高，無污泥膨脹，因而能實踐一池理念的操作，能耗更低而且無需投加化學藥劑，并且因為不再需要二沉池，占地要求減少，可以降低建造和運行成本。

圖. Utrecht污水廠 - 荷蘭國內最大的AGS工程應用 | 圖源：waterforum
雖然理論上好氧顆粒污泥有這么多優點，但這項技術自20世紀90年代開始研發，歷經二十多年，直到2012年才在荷蘭Epe污水廠建成首個全尺寸工程應用。然而，對于很多人而言，如何“種”出好氧顆粒污泥，依然是個謎。最近，荷蘭代爾夫特理工大學(TU Delft)團隊在國際水協會IWA的期刊《Water Research》上刊文，總結了好氧顆粒污泥形成的六個機理，并開發了相關數學模型框架，幫助同行加深對該工藝技術的認識。在本期微信推送里，我們將為讀者們簡介他們的研究成果。
顆粒形成仍是謎？
自2012年Epe污水廠的好氧顆粒污泥工藝投產運行之后，好氧顆粒污泥工藝在全球已經積累了超過70個工程案例，主要由荷蘭的Royal haskoningDHV一家公司完成。但在學界，雖然有不少有關好氧顆粒污泥的形成機理的研究，但尚未有統一的共識。流體動力學剪切、基于沉降速度的物理選擇、污泥與進水接觸過程的流態、溶解氧濃度、進料/停料比、進水成分、有機負載率，以及群體感應(quorum sensing)和胞外聚合物(EPS)的聚集都是曾被研究的因素，但究竟哪些因素最為重要呢？ 它們有何相互作用，這些相互作用又如何影響工藝條件呢？顆粒污泥的生物膜形態模型框架，目前僅能解釋微觀尺度的顆粒穩定性，無法闡明反應器尺度的顆粒形成機制，而且這個框架也僅限于厭氧顆粒污泥，對好氧顆粒污泥并不適用。

圖. Utrecht污水廠的AGS反應器啟動示例 | 圖源：Water Research
目前學界一般認為，好氧顆粒污泥(AGS)反應器可以用普通活性污泥接種，然后在適當的條件下，活性污泥最終會從絮狀發展成為顆粒態。盡管還沒能清楚解釋整個動態過程，但從工程實踐可知（見上圖），顆粒化通常有一個延滯期(lag phase)。在延滯期內，污泥主要是顆粒原型(prototyope)+絮狀污泥(flocs)為主，顆粒化過程并不明顯(粒徑＜200μm)，但在啟動100多天后，反應器的污泥開始進入顆粒形成期(granulation phase)，小顆粒(＞200μm)的比例開始提升。在啟動200多天后，超過1000μm的顆粒會逐漸增多。
其中，延滯期階段以及顆粒化突然開始的觸發機制是目前尚不清楚的。本文的研究團隊總結出了六種出發顆粒化的重要機制：
1.微生物選擇
2.選擇性排泥
3.生物膜傳質最大化
4.選擇性進料（從底部進料）
5.(非)顆粒形成底物
6.顆粒破裂

受篇幅所限，我們就不在此對上述六大機制展開細說。總之，研究團隊對上述六種機制進行敏感性分析，并評估了它們對顆粒化的貢獻程度。
模型簡介
為了對上述機制做敏感性分析，研究團隊開發了一個綜合模型框架，該模型由四部分組成，包括：
1.描述反應器中流動動力學的一維對流/擴散模型
2.描述顆粒生長的基本轉化的反應/擴散模型
3.在沉降和進料過程中跟蹤顆粒的沉降模型
4.種群模型：包含多達十萬個顆粒，用于模擬顆粒形成-破裂-重組過程的概率行為。

模型概述：1) 污水溶液的對流和擴散；2) 穿透顆粒邊界層的傳質作用；3) 一維徑向擴散；4) GFS(顆粒形成底物)到PHA的轉換；5) 反應器中的顆粒沉降 ; 6) 基于個體的模型；7) 顆粒破裂；8) 參照從 ASM2d模型的有機底物轉化為大顆粒造粒的過程。
本研究開發的模型是基于Royal haskoningDHV公司的Nereda?工藝的SBR反應器的反應步驟。一個典型的循環周期為6小時，包含60分鐘的厭氧進料和潷水期、270分鐘的反應時間，以及30分鐘的靜置和排泥時間。當然這些只是參考值，具體時間可能因實際情況而異。下圖顯示了模型中不同的反應過程在一個循環周期的分布情況。

分析結果
下邊的表格和圖片是這次建模的敏感性分析結果。


圖：不同條件下不同大小的顆粒的濃度和演變：A: 混合進料, B: 15分鐘min, C: 30min 進料, D: 無選擇性排泥, E: GFS僅100mg/L, F: 沒有選擇性進料。
在這次敏感性分析中，研究團隊搭建的模型對一個對照案例和6種不同的條件情景進行模擬。其中對照案例的關鍵假設參數如下：水深6m的全尺寸反應器(底部進水)，接種污泥為100μm的絮狀污泥(2g/L)；起始選擇壓力為3m/h(流速)，并且逐步增加，直到污泥濃度達到3.0g/L為止(約6m/h)。反應器一天完成4個循環周期，進料時間60分鐘，進水COD為500mg/L，其中200mg/L為顆粒形成底物(GFS)以及300mg/L的非顆粒形成底物。


圖. Utrecht污水廠實際啟動過程和模擬對照組的對比
總的來說，通過這此模擬分析，研究團隊得出以下主要結論：
1.對照案例的顆粒化進程和實際情況非常相似：對照案例也有一個穩定的延滯期，并在顆粒化開始后出現大顆粒。但也可以看出實際顆粒化的進程波動更多，因為模型還沒有考慮一些特殊情況（例如降雨天氣事件、進水負荷變化和溫度變化等；
2.選擇性進料和大顆粒的破裂是兩個此前文獻沒有報道，但非常重要的因素；
3.污泥顆粒化是六大機理的綜合結果，這意味著這是一個可以相互彌補損失的過程；
4.底物類型(GFS/n-GFS比)和進料/停料的比例分配是反應系統能從延滯期過渡到顆粒化期的最重要的兩個機理；
5.選擇性排泥和選擇性進料主要影響兩個問題，一個是延滯期到顆粒化期的過渡能否發生，第二個是這個過渡階段的速率；
6.顆粒破裂是有助于加快顆粒化進程的，因為相當于用顆粒污泥接種；
數學模型本身細節太多，對于非數學專業的讀者來說是個不小的挑戰。也許作者們也清楚這個情況，所以他們在文章里也給模擬的顆粒化過程總結出以下描述：
反應器的接種污泥起始粒徑約 100μm，而好氧顆粒污泥的常規定義大小是＞200μm，因此第一個小顆粒出現在反應器中需要一些時間。所有原始顆粒的沉降行為和污水中的其他污泥相同，因此選擇性排泥是無效的，每個粒子都有相同被排出的概率。所以此時顆粒的生長是個完全隨機的過程。原始顆粒也不會在每個循環中吸收到有效的底物，而底物負荷也視乎污泥床中的位置、體積交換率和被顆粒隔離的底物量。在多個循環過程中，這些因素的組合將決定原始顆粒是否會獲得足夠的底物，在被沖走排出之前長成小顆粒。
在參考實例里，第一個小顆粒在90 天后出現了。一旦形成了小顆粒，就猶如開啟了滾雪球效應，這些顆粒有比原始顆粒更快的沉降速度，從而更快地沉入底部，更容易接觸到反應器底部的底物，然后不太可能被排出反應器。從上圖也可以看出，在第一個小顆粒出現幾周后，小顆粒在反應器中占主導地位。好氧顆粒污泥一旦出現，就開始進入“強者恒強、勝者通吃”的模式。第一個大顆粒出現在第165天，最大顆粒的沉降速度已經超過100m/h，這意味著這些顆粒不太可能排出反應器。值得一提的是，這些大顆粒終將會破裂成為小顆粒，模擬結果顯示有20%的顆粒污泥來自大顆粒的破裂，這說明顆粒污泥的破裂也是顆粒化的重要機理。
小結
這次模擬顯示了從接種啟動到完成顆粒化，是一個非常微妙的過程，延滯期和顆粒化期的主要因素有所不同。這篇文章傳達的另一個重要信息是數學模型在污水處理的日后發展中會扮演更重要的角色。盡管模型顯示了延滯期是顆粒化的一個天然必經階段，但建模也幫助我們了解如何縮短這個過程(例如用其他的現成顆粒對新廠進行接種)。在工程方面，這個模型還有助于優化啟動過程，在接種成本和啟動時長之間找到一個合適的最優值，從而減低建造成本。研究團隊還表示，在這個模型的基礎上，他們認為還可以在生物模型方面有更精細的拓展，以及研究顆粒尺寸分布對轉化率和出水水質的影響等。
更新研究細節可參閱原文：https://doi.org/10.1016/j.watres.2022.118365