2022年4月23日，国际知名期刊《Science of the Total Environment》在线发表了我院张永明教授团队的研究论文“Anoxic/oxic treatment without biomass recycle”，在无污泥循环水处理工艺方面获得重大突破。
论文详细介绍了由张永明教授团队根据其专利技术(ZL2015 1 0510978.7和ZL2019 1 0930412.8)与福建中科三净环保股份有限公司合作研发的无污泥循环的A/O水处理设备和工艺。该成果有望打破国外在污水处理技术方面的垄断地位，具有重要应用价值。
研究团队将缺(厌)氧和好氧的垂直折流式生物反应器(Vertical Baffled BioReactor, VBBR)串联组合为一体，并将其用于城镇生活污水处理。相比传统的A/O水处理工艺，缺(厌)氧和好氧VBBR的组合实现了无污泥循环的A/O水处理工艺，在水力停留时间缩短30% ~ 50%的情况下，COD和总氮去除率提高了6%和22%，尤其是总氮的去除甚至几乎达到了极限脱氮水平。该反应器操作、运行维护十分简便，并且剩余污泥量大大减少，已在福建中科三净股份有限公司运维的福建永春污水处理厂成功运行。
长期以来，活性污泥法一直都是城镇生活污水处理厂的主要方法。经过百多年的发展和改进，倒置厌氧/好氧法(A/O)或厌氧/缺氧/好氧法(A2/O)是当今城镇污水处理的主流工艺。由于城镇生活污水经过处理后的尾水几乎都是排放到自然环境，目前处理后的城镇生活污水排放的国家标准中，总氮浓度与地表水标准相差甚大。因此，控制城镇生活污水处理厂尾水中总氮浓度成为当今世界水处理界的难点。通常总氮的去除主要是通过水处理系统中硝化和反硝化两类不同微生物交替地在好氧和厌氧环境下的作用才能实现。但在传统的A/O或A2/O工艺的运行时，微生物(污泥)与水一起循环流动，导致硝化菌和反硝化菌混合在一起，使得硝化和反硝化效率都降低，因此传统的A/O或A2/O水处理工艺总是难以做到总氮的高效去除。
本新工艺则利用VBBR能很好地固定住微生物的特性，将缺(厌)氧与好氧VBBR串联在一起，形成一套新颖的反应器系统(如图1所示)。该系统有效地克服了传统A/O工艺的缺点，在循环过程中污泥固定不动而只有水的循环流动，从而大大提高了硝化和反硝化反应的效率。此外，由于前段的缺(厌)氧反应器(An-VBBR)可以严格限制溶解氧的侵入，从而可以极大地提高有机碳源的利用率，进而实现“极限脱氮”。
无污泥循环的A/O污水处理反应器及工艺示意图
当将好氧VBBR(Ox-VBBR)与缺氧VBBR(An-VBBR)串联在一起用于实际的城镇污水处理时，在不同回流比(R)条件下，进出水的COD、氨氮和总氮的浓度变化如图2所示。从图2可以看出，在回流比为200%时，最后出水总氮的平均浓度仅有1.5 mg/L，达到了极限脱氮的水平。
好氧与缺氧VBBR串联处理城镇污水时进出水浓度的变化，其中Effluent (1)和(2)分别表示An-VBBR和Ox-VBBR的出水
张永明教授团队开发的该套设备在福建中科三净股份有限公司运维的福建永春污水处理厂进行了1年的现场实验，取得了良好的效果。尤其是经该反应器处理后出水的总氮平均浓度只有1.5 mgN/L，达到了地表水IV类标准。
目前，我国现有的污水处理设备及工艺其原创几乎全部来源自于国外。例如，UASB、IC、氧化沟、流化床等最初都源自荷兰；MBR(膜反应器)、MBfR源自美国；生物转盘反应器源自德国；活性污泥法、ABAF反硝化生物滤池源自英国，而本项目所涉及的组合式VBBR经我院张永明教授团队多年潜心研究，并与美国工程院院士、斯德哥尔摩水奖获得者Bruce E. Rittmann教授紧密合作，属于具有重要自主创新价值的新型水处理工艺，有望打破国外垄断，为建设科技强国作出更大贡献。
本论文得到环境模拟与污染控制国家重点联合实验室(清华大学)开放基金(16K10ESPCT)的资助，环境科学2018级博士研究生陆沁园、2018级硕士研究生周隽清和2019级博士研究生朱格为共同第一作者，张永明为通讯作者，合作者包括美国工程院院士，斯德哥尔摩水奖获得者Bruce E. Rittmann教授。（供稿：环境工程系）
