颗粒污泥技术在工业废水和市政污水的应用中都扮演着重要角色，它良好的沉降效果促进了固液分离，提高了反应器的生物质浓度。基于颗粒污泥工艺，工程师们因此可以设计更加紧凑占地更小的反应器，或者在同样的反应器容积条件下处理更多的污水。颗粒污泥技术的工程应用始于上世纪80年代初，荷兰的Gatze Lettinga教授发明的上流式污泥床反应器（UASB）让大家看到了厌氧颗粒污泥的优点，包括占地小、产沼气回收能量、污泥产量少。自此它在处理高浓度工业废水领域大放异彩。20年后，颗粒污泥又用于处理高浓度的氨氮废水——2002年荷兰鹿特丹的Dokhaven污水厂建成全球第一个厌氧氨氧化颗粒污泥工程案例。到了2012年，好氧颗粒污泥终于用于主流处理，世界上第一个好氧颗粒污泥工程应用投产，地点位于荷兰Epe污水厂。如今，不少新兴生物工艺也在探索和颗粒污泥结合的可能性，例如光养含氧颗粒、硫酸盐还原颗粒污泥和反硝化颗粒污泥等。建模是人们认识污水处理工艺开发、设计和优化的重要工具。颗粒污泥的发展离不开数学模型的开发。此前关于污水处理模型的文献一般只针对好氧和厌氧工艺分开开展探讨，因为两者有着不同的氧化还原条件，但颗粒污泥技术出现可能会改变这一现状。因为不管从物理还是化学角度来看，厌氧、好氧和厌氧氨氧化颗粒物污泥反应器都有很多共同点——这些颗粒污泥的形成都依赖于溶质的物质传递、转化和分离的相互作用，因此给这些工艺建模会遇到类似的挑战。比利时根特大学、荷兰代尔夫特理工、澳洲昆士兰大学以及加拿大水处理模型公司inCTRL对这三种实现工程应用的颗粒污泥工艺的模型进行综述回顾，评估它们的共性和差异，讨论这些模型的趋势和优缺点，并提出对未来研究内容的建议。他们的报告发表在IWA国际水协会第149期的《Water Research》上。针对下图八种已实现商业应用的反应器类型，研究团队找到了167个模型作为考察对象。
图1. 已经实现商业应用的八种颗粒污泥反应器的类型
统计结果显示，有关颗粒污泥模型的论文数在1981-1997年间的增幅最大，但自2006年起开始进入平稳下调期。这些数字也反映了对应工艺在实际应用的发展趋势。同时他们还总结了颗粒污泥反应器里会发生的关键现象，主要都是物质的传递、转化等。基于这些现象作出的假设分析将成为模型评估的重要基础。
图3. 各颗粒污泥反应器内出现的关键现象
作者特别指出，目前一些假设更多是一种习惯性的沿用，并没有太明确的依据。例如他们不明白为什么厌氧颗粒污泥模型往往假设有颗粒的流失，而新兴的好氧颗粒污泥和厌氧氨氧化系统的颗粒可以得到完美截留。他们建议对这些假设条件要有更清晰的定义。作者们强调了建模需要有明确的目标，因为这样才能确定合适的模型复杂度，并能帮助其他潜在使用者在茫茫文献大海中找到合适的参考模型。然而，他们发现目前很多论文报告并没有明确、具体的目标。他们认为这些模型应该要指出是用于机理研究、设计优化还是监测等。统计显示这三种颗粒污泥工艺的生物转化之间有很多交叉重叠的地方，这是因为一些工艺没有氧化还原的特异性（例如水解），另外由于时空异质性，在好氧和anammox的反应器里也可以出现厌氧和缺氧的情况。如下图所示，大多数模型都将底物的生物转化作为主要功能。除此以外，他们还有考虑物化反应的情况，例如pH对反应器产生的影响等。上图描述了三种颗粒污泥反应器的物质转化概况。褐色、蓝色和红色分别代表厌氧、好氧和anammox。图中的数字1-10分别代表分解、水解、酸解、产乙酸和产甲烷、有机物的好氧氧化、硝化、反硝化、生物除磷、anammox反应、硫酸盐还原反应。百分比反映的是关键底物用于状态变量的比例。因为颗粒污泥反应器没有统一的标准，为了全面了解模型复杂度，基于上边提到的关键现象，作者们列出了对应的模型特征，并为每个特征设定一个复杂度分数，从而对复杂度做定性表述。计算结算显示，模型的复杂性似乎随着时间推移有所变化：一方面越来越多复杂模型，但另一方面简单模型依然为人所用。总的来说，作者们对模型复杂度持“够用就好“的态度，前提是明确使用这个模型的目的所在。实际运行始终是模型的基础，因此研究团队指出我们需要进一步加对深机理的认识。对于颗粒污泥反应器的一些现象，我们依旧一知半解，例如颗粒有机物的去向，不同粒径的颗粒反应情况是否有区别，又或者好氧系统中的原生动物对颗粒降解的确切作用是什么。如果我们能找到这些问题的答案，也会反过来优化我们的模型。另外，作者还建议引入CFD模拟来更好地预测液相传质过程，以及加深了解运行条件对颗粒分离和破损的影响。而在模型应用方面，作者首先认为好氧和anammox颗粒污泥反应器需要更多全尺寸的模型研究来验证其可信度；其次是挖掘热力学平衡模型的潜力，在他们统计的文献里只有一篇考虑了这方面的情况；第三是建议在好氧颗粒污泥的模型加入磷转化，因为该工艺可以除磷；最后他们认为anammox系统的pH波动问题可以模型来解决。另外，他们甚至建议将沉淀模型和颗粒污泥模型结合（例如IC反应器）：了解沉降动力学可以解决由过度沉淀引起的问题，并优化资源回收。诸如BioWin和SIMBA#等商用模拟软件最近加入了好氧颗粒污泥模型，这也会帮助颗粒污泥模型的推广普及。这篇综述应该是学术圈首次将三种实现工程应用的颗粒污泥技术的数学模型进行综述比较。它总结了现有的反应器类型，列出了三种工艺的共同特征和差异，指出了目前使用的模型里存在的一些常见问题，最后就日后的研究提出了一些建议。我们相信这篇综述对于其他基于颗粒污泥的新型处理工艺的模型搭建也有很好的指导意义。
参考资料
Modelling anaerobic, aerobic and partial nitritation-anammox granular sludge reactors - A review,
Janis E. Baeten, Damien J. Batstone, Oliver J. Schraa, Mark C.M.van Loosdrecht, Eveline I.P.Volcke, Water Research, Volume 149, 1 February 2019, Pages 322-341;
