好氧顆粒污泥的連續(xù)化研究范文

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《化工進(jìn)展雜志》2015年第S1期

好氧顆粒污泥是微生物在特定的環(huán)境下自發(fā)凝聚、增殖而形成的顆粒狀生物聚合體，具有許多普通活性污泥難以比擬的優(yōu)點(diǎn)，如規(guī)則的形狀、致密的結(jié)構(gòu)、良好的沉降性能、高生物停留時(shí)間、多重生物功效（有機(jī)物降解、同步脫氮除磷等）、高耐毒性、相對(duì)較低的剩余污泥產(chǎn)量、耐沖擊負(fù)荷等。得益于這些優(yōu)點(diǎn)，好氧顆粒污泥已成為廢水處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，并被認(rèn)為是極具發(fā)展前景的廢水生物處理技術(shù)。雖然好氧顆粒污泥首先在連續(xù)流反應(yīng)器（好氧上流式污泥床，AUSB）中被發(fā)現(xiàn)，但后續(xù)研究[3-5]表明，序批式活性污泥工藝（SBR）更加適合好氧顆粒污泥的形成及特性保持。截止到目前為止，好氧顆粒污泥的絕大部分研究成果都來(lái)自于SBR。而事實(shí)也證明，序批式好氧顆粒污泥反應(yīng)器（AGSBR）內(nèi)理想的推流環(huán)境、可調(diào)控的污泥篩選機(jī)制、較大的水力剪切力等都為好氧顆粒污泥的形成創(chuàng)造了必要條件。相比之下，連續(xù)流反應(yīng)器內(nèi)較低的傳質(zhì)推動(dòng)力、較弱的污泥篩選機(jī)制等不僅難以形成好氧顆粒污泥，亦對(duì)好氧顆粒污泥的穩(wěn)定性構(gòu)成了威脅，這也是為什么運(yùn)行了百年之久的傳統(tǒng)活性污泥法中從未發(fā)現(xiàn)有好氧顆粒污泥的原因。通常，SBR比較適合于小水量廢水的處理，也不易與其他連續(xù)運(yùn)行構(gòu)筑物串聯(lián)，因而極大地限制了該類技術(shù)的應(yīng)用與推廣。相比之下，連續(xù)流反應(yīng)器是污水處理領(lǐng)域中廣泛采用的形式，具有靈活、運(yùn)行簡(jiǎn)便、設(shè)備利用率高等優(yōu)點(diǎn)。因此，好氧顆粒污泥的連續(xù)化一直是許多科研工作者不斷追求的目標(biāo)。為推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，陸續(xù)出現(xiàn)了一些連續(xù)流好氧顆粒污泥反應(yīng)器（CFAGR）的報(bào)道，它們的出現(xiàn)豐富了好氧顆粒污泥反應(yīng)器的形式，對(duì)于技術(shù)的發(fā)展具有一定積極意義。然而，由于所取得的研究成果極其有限，這些反應(yīng)器的可靠性尚需經(jīng)歷長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的檢驗(yàn)。畢竟，SBR中的大量研究表明，長(zhǎng)期運(yùn)行的好氧顆粒污泥容易失穩(wěn)，甚至出現(xiàn)解體現(xiàn)象，這也是好氧顆粒污泥大規(guī)模工程化應(yīng)用遇到的最大瓶頸。針對(duì)這一窘境，本文通過(guò)總結(jié)現(xiàn)有的CFAGR的研究進(jìn)展，分析這些反應(yīng)器的特點(diǎn)與不足，為好氧顆粒污泥反應(yīng)器的連續(xù)化運(yùn)行提供理論支持。

1CFAGR的形式

由于好氧顆粒化的機(jī)理仍不明了，缺乏理論指導(dǎo)下的各種CFAGR的構(gòu)型千差萬(wàn)別。但無(wú)論何種構(gòu)型的CFAGR，都涉及到泥水分離問(wèn)題。AGSBR利用靜態(tài)沉淀過(guò)程可對(duì)不同沉降性能的污泥進(jìn)行篩選，而沉降時(shí)間被認(rèn)為是促進(jìn)好氧顆粒污泥形成最重要的選擇壓。然而，CFAGR并不存在這一過(guò)程，要實(shí)現(xiàn)泥水分離及選擇性排泥只能依靠泥水分離器。因此，下文以泥水分離機(jī)制為分類標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)現(xiàn)有CFAGR進(jìn)行總結(jié)。

1.1沉淀區(qū)重力沉降分離這類反應(yīng)器有的設(shè)置了單獨(dú)的二沉池，利用污泥沉降性能的差異實(shí)現(xiàn)選擇性排泥，并有污泥回流系統(tǒng)。張巖等研究了泳動(dòng)床/好氧顆粒污泥系統(tǒng)[圖1(a)]對(duì)實(shí)際生活污水的處理效果，泳動(dòng)床/好氧顆粒污泥反應(yīng)器及沉淀池有效體積分別為55.6L及60L，泳動(dòng)床內(nèi)填充了Biofringe生物載體，從生物載體上脫落的生物膜作為好氧顆粒污泥形成的誘導(dǎo)核，但這種依靠載體而形成的生物膜能否歸類為好氧顆粒污泥值得商榷。魯文娟等研究了連續(xù)流傳統(tǒng)活性污泥系統(tǒng)[圖1(b)]中好氧顆粒污泥的培養(yǎng)，曝氣池及沉淀池有效容積分別為18L及4.5L。另外，也有只設(shè)置了沉降區(qū)或污泥排放管的連續(xù)流完全混合反應(yīng)器（無(wú)污泥回流裝置，CSTR）。李媛等[10]所用的合建式CSTR反應(yīng)器[圖1(c)]曝氣區(qū)與沉淀區(qū)的有效容積分別為1.7L和0.6L，曝氣區(qū)與沉淀區(qū)之間設(shè)有可調(diào)污泥回流縫，以便根據(jù)需要調(diào)節(jié)和控制污泥回流量。而Morales等[14]設(shè)計(jì)的CSTR[圖1(d)，有效容積為6L]采用排泥管進(jìn)行污泥篩選，該排泥管一半淹沒(méi)在水中，管中上升流速控制為10m/h。雖然采用二沉池來(lái)進(jìn)行泥水分離簡(jiǎn)便易行，但好氧顆粒污泥的沉降速度（一般在25～70m/h之間）要明顯大于活性污泥（通常小于10m/h），設(shè)計(jì)者們是如何控制表面水力負(fù)荷及剩余污泥的排放量來(lái)實(shí)現(xiàn)污泥篩選尚不得而知。但可以肯定的是，若直接引用活性污泥工藝中二沉池的設(shè)計(jì)參數(shù)顯然欠妥。因此，究竟多大的表面水力負(fù)荷適用于好氧顆粒污泥的篩選與穩(wěn)定性維持尚需系統(tǒng)論證。

1.2三相分離器分離利用三相分離器來(lái)進(jìn)行氣、液、固分離是目前采用較多的形式。這類反應(yīng)器通常采用柱狀結(jié)構(gòu)，在反應(yīng)器的上部設(shè)有三相分離器。三相分離器的構(gòu)型雖各有差異，但幾乎都借鑒了UASB三相分離器的設(shè)計(jì)思想。田永生等研究了上流式好氧顆粒污泥床反應(yīng)器[圖2(a)]中好氧顆粒污泥的培養(yǎng)及對(duì)實(shí)際廢水的處理效果，該反應(yīng)器為圓柱形，包括曝氣區(qū)（總?cè)莘e13.7L）和沉淀區(qū)（總?cè)莘e2.6L）。周丹丹等在連續(xù)流氣提式流化床[圖2(b)，有效容積5.6L、8.4L]中開展了好氧顆粒污泥的培養(yǎng)、脫氮、處理實(shí)際廢水等研究，該反應(yīng)器包括3個(gè)部分，即升流區(qū)、降流區(qū)及三相分離器。在結(jié)構(gòu)相似的反應(yīng)器中，Jemaat等研究了連續(xù)流氣升式反應(yīng)器[圖2(c)]中好氧顆粒污泥對(duì)硝基酚、甲酚的去除效果，而Wan等研究了HRT對(duì)短程硝化效果的影響，他們所用反應(yīng)器的有效體積分別為2.6L及2.3L。Jin等利用無(wú)機(jī)碳源基質(zhì)[碳源和氮源分別為NaHCO3及(NH4)2SO4]在連續(xù)流氣升式反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行硝化顆粒污泥的培養(yǎng)，并研究了反應(yīng)器在高進(jìn)水氨氮下（70～1100mg/L）的硝化性能，該反應(yīng)器[圖2(d)，有效容積9.2L]包括4個(gè)部分，即上升管、下降管、空氣分離器及沉淀區(qū)，采用堰式出水。一體化三相分離器無(wú)疑是最高效、簡(jiǎn)便的泥水分離方式，但卻會(huì)增大設(shè)計(jì)難度。Long等研究了循環(huán)式好氧顆粒污泥反應(yīng)器[圖2(e)]對(duì)有機(jī)負(fù)荷的耐受力，該系統(tǒng)包括兩根相同的單體反應(yīng)器（單柱有效體積12.1L），運(yùn)行方式類似于雙池型LUCASS工藝，采用“斜管+擋板沉淀池”進(jìn)行泥水分離。其中，擋板沉淀池內(nèi)設(shè)有可升降的擋流板，通過(guò)控制擋板的插深可創(chuàng)造不同的水力選擇壓，這種新穎的設(shè)計(jì)為高效三相分離器的設(shè)計(jì)提供了一種新思路。雖然UASB的三相分離器為其他分離器的設(shè)計(jì)提供了一些理論基礎(chǔ)，但好氧顆粒污泥反應(yīng)器內(nèi)劇烈的氣流擾動(dòng)及選擇性排泥對(duì)傳統(tǒng)三相分離器提出了更高的要求。究竟何種形式的三相分離器能滿足好氧顆粒污泥的形成及穩(wěn)定性維持要求尚需系統(tǒng)論證。

1.3篩網(wǎng)過(guò)濾分離這類反應(yīng)器通過(guò)濾網(wǎng)來(lái)進(jìn)行污泥篩選，大于該孔徑的顆粒被截留并返回主反應(yīng)區(qū)，而透過(guò)的絮體則排出反應(yīng)器。Liu等研究了連續(xù)流自生動(dòng)態(tài)膜反應(yīng)器[圖3(a)，CGSFDMBR]中好氧顆粒污泥的穩(wěn)定性，該反應(yīng)器由4個(gè)部分組成，即SBAR池（有效容積28.8L）、沉淀池（有效容積6L）、動(dòng)態(tài)膜生物池（有效容積24L）及污泥選擇池（有效容積10L）。其中，污泥選擇池中濾網(wǎng)孔徑為0.6mm，每天只對(duì)部分混合液進(jìn)行一次篩泥。另外，Liu等還嘗試了在傳統(tǒng)好氧顆粒污泥反應(yīng)器[圖3(b)]內(nèi)進(jìn)行好氧顆粒污泥的培養(yǎng)，該系統(tǒng)包括一根柱狀反應(yīng)器（有效容積7.5L）及一個(gè)污泥選擇池，根據(jù)好氧顆粒化的進(jìn)程，污泥選擇池中的篩網(wǎng)孔徑由0.1mm增大至1.0mm，截留顆粒污泥由污泥泵連續(xù)回流至柱狀反應(yīng)器內(nèi)。這種泥水分離方式具有較高的篩分效率，但運(yùn)行、控制非常繁瑣，且極易堵塞。

1.4膜分離這類反應(yīng)器均采用膜組件進(jìn)行泥水分離，膜組件的類型有聚偏氟乙烯（PVDF）中空纖維膜（膜孔徑0.4μm）、聚乙烯中空纖維膜（膜孔徑0.4μm）、聚丙烯膜（膜孔徑0.1μm）等，反應(yīng)器的運(yùn)行方式類似于膜生物反應(yīng)器（MBR），但根據(jù)膜組件的安裝方式可分為合建式及分建式（生化反應(yīng)區(qū)與膜組件隔開）。為延緩膜污染，膜組件下方均設(shè)有可提供高強(qiáng)度曝氣量的曝氣管。邱光磊等研究了MBR中好氧顆粒污泥形成的機(jī)制，所使用的MBR[圖4(a)]有效容積60L，其間由穿孔板分為主反應(yīng)區(qū)和膜分離區(qū)，主反應(yīng)區(qū)和膜分離區(qū)體積比為4∶1。而劉愛(ài)萍等使用的MBR[圖4(b)]被隔板分成了膜區(qū)（27L）和導(dǎo)流區(qū)（17L），導(dǎo)流區(qū)內(nèi)設(shè)有導(dǎo)流筒，結(jié)構(gòu)類似于SBAR。Juang等研究了長(zhǎng)期運(yùn)行的MBR中好氧顆粒污泥的穩(wěn)定性，該MBR為柱狀型（高120cm，直徑6cm）、膜組件安裝在空氣擴(kuò)散器上。由于膜組件的良好截留效果，這些MBR運(yùn)行過(guò)程中幾乎沒(méi)有污泥排放，理論上污泥的SRT可以無(wú)限延長(zhǎng)，這種沒(méi)有污泥篩選過(guò)程即可形成好氧顆粒污泥的現(xiàn)象明顯不同于其他幾類CFAGR，具體的形成機(jī)理尚缺乏有力的論據(jù)支撐。另外，不斷老化的污泥能否維持好氧顆粒污泥長(zhǎng)期穩(wěn)定性亦值得深思。

2現(xiàn)有研究的不足

2.1缺乏對(duì)污泥篩選效果的系統(tǒng)研究好氧顆粒污泥的形成及穩(wěn)定性維持是一個(gè)解體與顆粒化的動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程，涉及到污泥的篩選與淘汰。可是，目前還極少有研究定性或定量地探索了泥水分離裝置對(duì)不同粒徑或不同沉降性能的污泥的截留或透過(guò)效果。Long等將粒徑大于0.3mm的生物體視為好氧顆粒污泥，通過(guò)批次試驗(yàn)研究了不同工況下（擋板插深、HRT及曝氣量組合）三相分離器對(duì)污泥的篩分效果，發(fā)現(xiàn)正常工況下反應(yīng)器對(duì)好氧顆粒污泥的截留效率可保持在98.6%以上，表明絕大多數(shù)的好氧顆粒污泥可被截留在反應(yīng)器內(nèi)。然而，對(duì)于目前繁多的三相分離器形式，設(shè)計(jì)者們很少會(huì)介紹它們的設(shè)計(jì)依據(jù)、計(jì)算過(guò)程，對(duì)于泥水分離效果，如總截留效率、分級(jí)截留效率等甚至只字不提，因而難以評(píng)價(jià)這些泥水分離器的可靠性。

2.2缺乏對(duì)反應(yīng)器內(nèi)水力學(xué)流態(tài)的研究反應(yīng)器內(nèi)的水力學(xué)流態(tài)不僅會(huì)影響微生物的聚集形態(tài)，亦會(huì)影響傳質(zhì)效果及生化反應(yīng)。研究表明，AGSBR中時(shí)間上的推流及空間上的完全混合流態(tài)不僅有利于微生物之間的相互凝聚，亦可有效抑制絲狀菌的過(guò)度生長(zhǎng)。雖然連續(xù)流反應(yīng)器中亦有推流式反應(yīng)器，但受長(zhǎng)寬比限制，難以提供好氧顆粒污泥形成所需的高剪切力。大量研究表明，推流式反應(yīng)器似乎更適合好氧顆粒污泥的形成及穩(wěn)定性維持，而完全混合反應(yīng)器內(nèi)較低的傳質(zhì)推動(dòng)力極易造成絲狀菌過(guò)度生長(zhǎng)而導(dǎo)致好氧顆粒污泥失穩(wěn)。需要指出的是，通過(guò)無(wú)機(jī)碳源培養(yǎng)出的硝化顆粒污泥在連續(xù)流反應(yīng)器內(nèi)往往可以表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性，這些反應(yīng)器通常采用較長(zhǎng)的HRT，內(nèi)部近似呈完全混合流態(tài)。因此，究竟何種流態(tài)反應(yīng)器更適合好氧顆粒污泥的形成及穩(wěn)定運(yùn)行尚需系統(tǒng)研究。然而，目前極少有研究探索了不同工況下CFAGR中的水力學(xué)流態(tài)以及流態(tài)對(duì)好氧顆粒化及好氧顆粒污泥穩(wěn)定性的影響。

2.3缺乏長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的數(shù)據(jù)支撐在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，好氧顆粒污泥已在培養(yǎng)、顆粒特性、生物相、污染物去除等方面積累了大量積極成果。另外，國(guó)外的一些科研機(jī)構(gòu)已將好氧顆粒污泥實(shí)現(xiàn)了小范圍的工程化應(yīng)用（運(yùn)行數(shù)據(jù)至今未公開），但這些反應(yīng)器無(wú)一例外地都采用了類似于SBR的間歇式運(yùn)行模式。相比之下，好氧顆粒污泥連續(xù)化的研究成果還極其有限，且反應(yīng)器構(gòu)型相差極大，不僅缺乏系統(tǒng)論證，亦不利于試驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)。大部分研究者們都傾向于證明好氧顆粒污泥能在他們的連續(xù)流反應(yīng)器內(nèi)形成并具有較好的污染物去除效果，或在較短的時(shí)期內(nèi)可以維持穩(wěn)定，但卻常常缺少運(yùn)行過(guò)程中好氧顆粒污泥各項(xiàng)理化特性的數(shù)據(jù)支撐。另外，由于目前尚沒(méi)有公認(rèn)的評(píng)價(jià)好氧顆粒污泥培養(yǎng)成功的定量標(biāo)準(zhǔn)，許多CFAGR中好氧顆粒污泥能否占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)仍值得商榷。畢竟，研究表明好氧顆粒污泥的形成及穩(wěn)定運(yùn)行需要較高的水力選擇壓，否則好氧顆粒污泥難以占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

3結(jié)語(yǔ)與建議

由于研究成果極其有限，好氧顆粒污泥的連續(xù)化還有許多問(wèn)題需要解決。究竟何種形式的連續(xù)流反應(yīng)器形式適合于好氧顆粒污泥的培養(yǎng)及穩(wěn)定運(yùn)行仍需不斷探索與論證，對(duì)于CFAGR的研發(fā)提出以下建議。（1）好氧顆粒污泥的連續(xù)化應(yīng)立足于AGSBR中已取得的研究成果，如好氧顆粒污泥形成的影響因素、顆粒化機(jī)理等，在系統(tǒng)分析兩類反應(yīng)器的差異的基礎(chǔ)上，積極創(chuàng)造適合好氧顆粒污泥存在的反應(yīng)器形式。（2）SBR的變形工藝中已有成熟的并應(yīng)用于實(shí)踐的半連續(xù)流及連續(xù)流反應(yīng)器，如CASS、LUCASS、UNITANK等，它們的運(yùn)行方式可為CFAGR的設(shè)計(jì)開辟一條新的思路，另外，可大量吸收現(xiàn)有成熟污水處理工藝的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)，如工程上廣泛采用的抑制絲狀菌過(guò)度生長(zhǎng)的生物選擇器、可降低能耗的淺池曝氣等。

作者：聞香蘭 但昭和 單位：江蘇瑞鼎環(huán)境工程有限公司 江蘇津宜水工業(yè)裝備有限公司