ABR耦合CSTR一體化工藝除污效能研究

　　厭氧折流板反應(yīng)器(ABR) 以其良好的污泥截留性能、 獨(dú)特的水力流態(tài)和明顯的生物相分離等優(yōu)點(diǎn)引起人們的廣泛關(guān)注[1]. 目前，盡管對(duì)好氧顆粒污泥的研究日趨成熟，但相關(guān)的研究和應(yīng)用多是在具有較大高徑比、 運(yùn)行模式特殊的柱形SBR中展開[2]，而對(duì)于連續(xù)性污染源，利用SBR處理需要加設(shè)緩沖池或者調(diào)節(jié)池，且時(shí)間上的推流運(yùn)行不利于形成穩(wěn)態(tài)的反應(yīng)過程[3, 4]. Juang等[5]指出穩(wěn)定的連續(xù)流式反應(yīng)器具有比間歇式運(yùn)行更適合污泥顆�；瘲l件. 然而，現(xiàn)有連續(xù)流反應(yīng)器內(nèi)培養(yǎng)顆粒污泥的研究報(bào)道中，不僅反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，而且運(yùn)行操作要求較高，如Tsuneda等[6]所采用的AUFB系統(tǒng)其高徑比達(dá)64 ∶1，且需設(shè)置泥水分離裝置及外接沉淀池等.

　　當(dāng)前，在連續(xù)流的條件下以厭氧出水為進(jìn)水基質(zhì)，成功培養(yǎng)好氧顆粒污泥的研究鮮見報(bào)道[7]. 為此，本研究將ABR工藝進(jìn)行改進(jìn)，使其成為厭氧與好氧組合一體化工藝，實(shí)現(xiàn)耦合運(yùn)行，對(duì)連續(xù)流條件下其好氧顆粒污泥形成機(jī)制進(jìn)行了研究.

　　1 材料與方法

　　1.1 試驗(yàn)裝置與進(jìn)水水質(zhì)

　　本研究采用自行設(shè)計(jì)的ABR耦合CSTR一體化工藝(如圖 1)，由豎向?qū)Я靼宸譃?個(gè)格式，前4個(gè)格式均相同，為厭氧區(qū)，下、 上流室水平寬度之比為1 ∶6，折流板底角為45°，總有效容積為6.4 L. 第五、 六隔室分別為好氧(曝氣)區(qū)和沉淀區(qū)，有效容積分別為1.45 L和0.9 L. 研究過程中，控制曝氣量為60 L ·h-1(表面氣體上升流速為2.6 mm ·s-1，DO>1.0 mg ·L-1). 反應(yīng)器置于水浴缸中，運(yùn)行溫度控制在30℃±1℃. 進(jìn)水為混合污水(生活污水 ∶人工配水為1 ∶1)，以乙酸鈉作為碳源，氯化銨為氮源，磷酸二氫鉀為磷源，各組分及微量元素含量見表 1.

　　圖 1 試驗(yàn)裝置及工藝流程示意

　　表 1 混合污水的組成

　　試驗(yàn)中厭氧區(qū)接種污泥取自蘇州新區(qū)某污水處理廠厭氧污泥，接種后污泥濃度(MLSS)為6 g ·L-1. 采用混合污水經(jīng)過30 d的啟動(dòng)運(yùn)行，出水水質(zhì)穩(wěn)定.

　　好氧區(qū)接種污泥取自蘇州新區(qū)某污水處理廠氧化溝內(nèi)活性污泥，接種污泥濃度為4 500 mg ·L-1.

　　研究中，各常規(guī)分析指標(biāo)均按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定[8]. 其中，pH值采用雷磁PHSJ-4A型pH計(jì)測(cè)定; DO采用便攜式DO測(cè)定儀測(cè)定; 顆粒形態(tài)及微生物相采用OLYMPUS CX41型顯微鏡檢測(cè); 顆粒污泥沉降速率采用清水靜沉測(cè)速法測(cè)定. 顆粒污泥粒徑分布采用篩分法測(cè)定.

　　1.2 研究過程

　　研究過程中，采用選擇法以逐步縮短HRT和提高有機(jī)負(fù)荷的方式進(jìn)行篩選性研究[9]，為污泥顆粒化創(chuàng)造條件，并考察顆粒形成過程中各個(gè)階段內(nèi)系統(tǒng)對(duì)污染物的去除效能，分析好氧顆粒污泥形成機(jī)制. 表 2所列為試驗(yàn)運(yùn)行控制參數(shù).

　　表 2 ABR-CSTR一體化工藝運(yùn)行參數(shù)

　　2 結(jié)果與討論

　　2.1 運(yùn)行結(jié)果

　　通過縮短沉淀時(shí)間(即縮短沉淀區(qū)HRT)，致使沉降性能較差的分散污泥不斷被洗出. 以好氧區(qū)內(nèi)污泥形態(tài)變化為依據(jù)，將整個(gè)培養(yǎng)過程分為階段Ⅰ(整體啟動(dòng))、 階段Ⅱ(顆粒初顯)、 階段Ⅲ(顆粒生長(zhǎng))以及階段Ⅳ(顆粒成熟). 對(duì)污泥進(jìn)行鏡檢分析表明，系統(tǒng)運(yùn)行17 d后，污泥的形態(tài)發(fā)生明顯變化，由原來的絮狀污泥逐步向結(jié)構(gòu)較為松散、 肉眼可見表面較多絲狀體的微小聚集體轉(zhuǎn)變，此后至第110 d逐步相互黏合成長(zhǎng)為結(jié)構(gòu)較為密實(shí)，邊緣更加清晰的淡黃色好氧顆粒污泥，成功實(shí)現(xiàn)了污泥顆�；�.

　　2.2 運(yùn)行效能及分析

　　2.2.1 COD的去除情況及分析

　　本工藝好氧區(qū)進(jìn)水即為厭氧區(qū)出水. 厭氧區(qū)、 好氧區(qū)進(jìn)出水水質(zhì)及去除率如圖 2所示.

　　圖 2 COD的去除情況

　　第Ⅰ(整體啟動(dòng))階段沉淀池HRT為2.0 h，厭氧區(qū)COD容積負(fù)荷在2.1 kg ·(m3 ·d)-1左右，厭氧污泥經(jīng)過17 d的馴化，出水COD穩(wěn)定在200 mg ·L-1左右，去除率維持在80%以上，充分說明ABR中接種的厭氧顆粒污泥具有良好COD去除能力. 由于處于啟動(dòng)初期，好氧區(qū)的COD去除率較低，僅為55%左右，出水COD濃度為85 mg ·L-1左右; 第Ⅱ階段沉淀池HRT為1.5 h，由圖 2可知，厭氧區(qū)對(duì)COD的去除率逐漸升高，出水COD在150 mg ·L-1左右. 厭氧區(qū)各個(gè)隔室內(nèi)上向流速由0.087 m ·h-1提高至0.115 m ·h-1，增進(jìn)了厭氧污泥與進(jìn)水基質(zhì)的充分接觸，因而強(qiáng)化了對(duì)底物的去除能力. 系統(tǒng)中的好氧活性污泥經(jīng)過啟動(dòng)期的適應(yīng)，已有少量顆粒污泥出現(xiàn)，但此時(shí)系統(tǒng)中仍以絮狀污泥為主，絮狀污泥的傳質(zhì)阻力較低因而有利于對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收降解，COD去除率略有升高，穩(wěn)定在60%左右，沉淀池出水COD逐漸降低至60 mg ·L-1左右; 第Ⅲ階段進(jìn)一步縮短沉淀池HRT至1.0 h，對(duì)應(yīng)厭氧區(qū)HRT縮短至7.11 h，逐漸調(diào)整進(jìn)水COD濃度至1 050 mg ·L-1，厭氧區(qū)COD去除率經(jīng)歷短暫波動(dòng)后又恢復(fù)至先前較高水平，出水COD濃度在135 mg ·L-1左右. 當(dāng)沉淀時(shí)間縮短至1.0 h時(shí)[此時(shí)沉淀池的表面負(fù)荷達(dá)到1.4 m3 ·(m2 ·h)-1]，大量的絮狀污泥被淘洗出系統(tǒng)，好氧區(qū)內(nèi)生物量在短期內(nèi)大量減少，但同時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)的顆粒污泥不斷生長(zhǎng)，生物量增加，對(duì)底物的去除率提高并維持在60%以上; 第Ⅳ階段沉降時(shí)間為0.75 h、 好氧區(qū)COD容積負(fù)荷為2.0 kg ·(m3 ·d)-1，經(jīng)過一個(gè)月的運(yùn)行，好氧段的COD去除率穩(wěn)定在70%以上，出水濃度穩(wěn)定在40 mg ·L-1以下，而整個(gè)系統(tǒng)的COD 總?cè)コ�率達(dá)90%以上. 可見，實(shí)現(xiàn)污泥顆粒化之后，系統(tǒng)COD的去除率越來越穩(wěn)定，表明污泥顆�；�反應(yīng)器具有較好的處理效能.

　　2.2.2 NH+4-N的去除情況及分析

　　本研究中，將好氧區(qū)進(jìn)水C/N控制為2左右，考察低C/N比條件下好氧顆粒污泥形成過程及處理效能. 進(jìn)出水氨氮濃度及去除效率如圖 3所示.

　　圖 3 NH+4-N的去除情況

　　整個(gè)運(yùn)行期間，厭氧區(qū)對(duì)氨氮幾乎沒有去除作用，且氨氮濃度有所升高，而在好氧區(qū)NH+4-N被大量去除(圖 3). 第Ⅰ階段，氨氮去除率就達(dá)到60%以上并最終穩(wěn)定在65%左右. 第Ⅱ、 Ⅲ階段由于絮狀污泥被洗脫，氨氮去除率有所波動(dòng)，但總體呈上升趨勢(shì). 進(jìn)入第Ⅳ階段，因顆粒污泥的形成并通過增強(qiáng)曝氣，系統(tǒng)對(duì)NH+4-N的整體去除率穩(wěn)定在80%以上，表明顆粒污泥的形成強(qiáng)化了NH+4-N去除效果.

　　2.2.3 TP的去除情況及分析

　　單一的ABR即使是在穩(wěn)定運(yùn)行階段對(duì)磷的去除效果也普遍不佳[10]. 本研究中除磷的任務(wù)是交由后續(xù)好氧區(qū)完成. 進(jìn)出水TP濃度及去除效率見圖 4.

　　圖 4 TP的去除情況

　�、�、 Ⅱ階段系統(tǒng)對(duì)TP的去除率不高，大約在40%左右，主要是依靠吸附了磷酸鹽的絮狀污泥被洗脫出反應(yīng)器而達(dá)到去除TP的效果. Ⅲ階段，隨著顆粒初顯并不斷生長(zhǎng)，去除率不斷提高，這可能是由于顆粒污泥本身存在著獨(dú)特的厭氧-缺氧-好氧結(jié)構(gòu)，使得好氧區(qū)的聚磷菌能夠在適宜的條件下釋磷吸磷[11]，該階段去除率穩(wěn)定在50%左右，較前兩階段有所提高. Ⅳ階段初始，由于進(jìn)水濃度的降低以及好氧區(qū)曝氣量的不足及不均，結(jié)合趨于成熟的顆粒污泥的結(jié)構(gòu)特征而強(qiáng)化了除磷功能，TP的去除率穩(wěn)步提升，一度高達(dá)70%. 隨后增加曝氣量，導(dǎo)致厭氧環(huán)境的減少，釋磷量減少，影響了除磷效果; 此外，逐漸增加的氮損能夠證實(shí)好氧區(qū)存在著一定程度的反硝化作用，導(dǎo)致反硝化菌與釋磷菌競(jìng)爭(zhēng)碳源的局面[12, 13]，因而可能進(jìn)一步導(dǎo)致TP去除率的波動(dòng).

　　2.2.4 氮損情況及分析

　　通過對(duì)進(jìn)出水氮的物料衡算發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)中一直存在N損失，但并不具有明顯規(guī)律，系統(tǒng)運(yùn)行4個(gè)階段氮損失率的平均值分別為31%、 36%、 42%和45%. 值得注意的是，隨著沉淀時(shí)間的縮短，污泥顆粒化程度越高，與此同時(shí)氮損失率也逐漸增加，說明本工藝能夠?qū)崿F(xiàn)一定的脫氮作用. 這可能是由于：①系統(tǒng)中DO不足導(dǎo)致反硝化的發(fā)生. 部分污泥滯留在沉淀區(qū)，無法自主回流至好氧區(qū)故而產(chǎn)生缺氧環(huán)境以進(jìn)行反硝化. 系統(tǒng)運(yùn)行后期，由于好氧顆粒污泥的形成并增大，在其內(nèi)部形成了厭氧-缺氧-好氧結(jié)構(gòu)，為反硝化提供了有利環(huán)境; ②出水中伴隨少量游離氨的吹脫.

　　2.3 好氧顆粒污泥的形成過程

　　2.3.1 形態(tài)變化

　　本研究中沉淀池HRT逐步從2.0 h降為0.75 h，反應(yīng)器中污泥形態(tài)發(fā)生了明顯變化，即由Ⅰ階段的灰褐色絮狀污泥[圖 5(a)]逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)棰螂A段時(shí)肉眼可見的微小聚集體，此時(shí)的聚集體邊緣較為毛糙、 表面存在較多絲狀體[圖 5(b)]; Ⅲ階段好氧區(qū)內(nèi)大量絮狀污泥被洗脫出反應(yīng)器，淡黃色污泥聚集體數(shù)量大幅上升，具有了規(guī)則、 光滑的顆粒邊緣，粒徑主要分布在0.58~1.25 mm的范圍內(nèi)[圖 5(c)]; 進(jìn)入Ⅳ階段，顆粒尺寸進(jìn)一步增大，結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，邊緣更加清晰，呈現(xiàn)較為規(guī)則的圓形或橢圓形[圖 5(d)]. 圖 6為第108 d時(shí)好氧區(qū)內(nèi)顆粒污泥的粒徑分布，粒徑在小于0.58 mm、 0.58~0.8 mm、 0.8~1.25 mm、 1.25~1.6 mm、 1.6~2.5 mm及大于2.5 mm范圍的顆粒污泥所占總污泥質(zhì)量的百分比分別為4.2%、 21.67%、 38.28%、 20.37%、 13.12%及2.36%，即反應(yīng)器中粒徑大于0.58 mm的污泥成絕對(duì)優(yōu)勢(shì)(占95%以上)，表明好氧區(qū)內(nèi)已成功實(shí)現(xiàn)污泥的顆粒化.

　　圖 5 好氧區(qū)內(nèi)污泥形態(tài)變化

　　圖 6 第108 d時(shí)好氧區(qū)內(nèi)顆粒污泥的粒徑分布

　　2.3.2 好氧區(qū)SVI及MLSS變化

　　研究過程中，好氧區(qū)中污泥的SVI和MLSS的變化情況如圖 7所示. Ⅰ階段，接種的絮狀活性污泥沉降性能良好(SVI為45 mL ·g-1)，隨后SVI不斷上升，Ⅰ階段末達(dá)到250 mL ·g-1，而此時(shí)在鏡檢中也發(fā)現(xiàn)了大量的絲狀菌，說明在連續(xù)流式運(yùn)行下，即使采用不易產(chǎn)生絲狀菌的乙酸鈉為碳源，但其基質(zhì)濃度梯度幾乎為零的特征也很容易產(chǎn)生絲狀菌膨脹的情況[14]. 隨著選擇壓的不斷增強(qiáng)，SVI逐漸降低，最終穩(wěn)定在45 mL ·g-1以下. 另一方面，MLSS則經(jīng)歷了先下降再上升的過程，隨著沉淀時(shí)間的不斷縮短，沉降性能差的、 細(xì)小的絮體污泥被不斷地淘洗出反應(yīng)器，沉降性能較好的污泥則被截留在反應(yīng)器內(nèi)，MLSS由Ⅰ階段時(shí)的4 500 mg ·L-1降至Ⅱ階段末的1 500 mg ·L-1，此時(shí)顆粒污泥已初步形成. 本研究中進(jìn)水的COD容積負(fù)荷由1.5 kg ·(m3 ·d)-1逐漸提高至2.0 kg ·(m3 ·d)-1，隨著污泥的不斷洗脫，好氧區(qū)中的污泥負(fù)荷由0.33 kg ·d-1提高至1.33 kg ·d-1，促進(jìn)了顆粒污泥的形成. 與絮狀活性污泥相比，顆粒污泥具有較高的傳質(zhì)阻力，而較高的COD容積負(fù)荷則有助于顆粒污泥克服其傳質(zhì)阻力，但也容易引發(fā)絲狀菌污泥膨脹，因而此時(shí)控制好氧區(qū)在較高的水力剪切力下運(yùn)行，使絲狀菌易于被沖刷出系統(tǒng). 顆粒污泥形成之后，污泥濃度不斷升高，構(gòu)成的晶核不斷吸附菌群，使顆粒越來越大，并在水力剪切力的作用下，顆粒變得越來越密實(shí)，其污泥濃度由1 500 mg ·L-1上升至6 000 mg ·L-1. 此時(shí)(第110 d)顆粒污泥呈現(xiàn)出非常好的沉降性能，其平均沉降速率為20.8 m ·h-1.

　　圖 7 好氧區(qū)SVI及MLSS變化情況

　　2.3.3 好氧顆粒污泥形成機(jī)理分析

　　在本研究中，因沉淀時(shí)間縮短而不斷提高的選擇壓以及維持較高的有機(jī)負(fù)荷是顆粒污泥形成的主要驅(qū)動(dòng)力. ①選擇壓：沉淀時(shí)間由初期的2.0 h降低到0.75 h，沉淀池的表面負(fù)荷也相應(yīng)地由0.7 m3 ·(m2 ·h)-1提高至1.88 m3 ·(m2 ·h)-1，大量沉降性能差絮狀污泥被洗脫出系統(tǒng); 另外，研究表明HRT的縮短，可以促進(jìn)微生物胞外聚合物(EPS)的產(chǎn)生，EPS對(duì)于顆粒污泥的形成和穩(wěn)定維持也有重要作用[15]，其中蛋白質(zhì)的分泌對(duì)促進(jìn)顆粒的初期形成影響比較大，而多糖可為微生物的聚集提供黏附劑，維持顆粒結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定[16]. ②有機(jī)負(fù)荷：好氧區(qū)的有機(jī)負(fù)荷也從1.5 kg ·(m3 ·d)-1提高至2.0 kg ·(m3 ·d)-1，Liu等[17]認(rèn)為，有機(jī)負(fù)荷對(duì)顆粒污泥的形成具有重要作用，當(dāng)COD容積負(fù)荷低于1.0 kg ·(m3 ·d)-1時(shí)，鮮見好氧顆粒污泥的形成[18, 19].

　　此外，水力剪切力是好氧顆粒形成的一個(gè)重要影響因素[20]，由曝氣速度即表面氣流上升速度決定，并與其呈正相關(guān)關(guān)系，能改變顆粒的形狀和結(jié)構(gòu). 本研究中，在好氧顆粒污泥培養(yǎng)前期，由于反應(yīng)器高度的限制，表面氣流上升速度為2.6 mm ·s-1，低于Liu等[17]認(rèn)為的好氧顆粒污泥可以形成的最低表面氣體流速; 在后期，調(diào)整曝氣量，此時(shí)表面氣速增加到4.3 mm ·s-1，提高了水力剪切力. 而較高的水力剪切力更有利于形成顆粒污泥[21]，因而促進(jìn)了顆粒污泥的進(jìn)一步成熟.

　　本試驗(yàn)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行4個(gè)月，形成的顆粒污泥不但沒有解體，反而形狀更加規(guī)則，結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，分析原因可能是由于本研究中不斷提高的N負(fù)荷，使得顆粒污泥中硝化細(xì)菌比例不斷提高，促進(jìn)了顆粒污泥結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定維持[22, 23]. 這與de Kreuk等[24]和Liu等[25]認(rèn)為通過在好氧顆粒內(nèi)富集硝化菌等生長(zhǎng)緩慢型微生物可以提高好氧顆粒污泥的穩(wěn)定性相一致，亦為本研究的目的和意義所在.具體參見污水寶商城資料或http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　3 結(jié)論

　　(1)ABR-CSTR一體化工藝沉淀池HRT逐漸由2.0 h縮短至0.75 h，保持好氧區(qū)C/N為2，COD容積負(fù)荷逐步由1.5 kg ·(m3 ·d)-1提高至2.0 kg ·(m3 ·d)-1，系統(tǒng)運(yùn)行110 d后，在好氧區(qū)成功獲得成熟的淡黃色顆粒污泥，顆粒結(jié)構(gòu)致密、 沉降性能良好(平均沉降速率為20.8 m ·h-1)，粒徑大于0.58 mm的污泥約占總數(shù)的95%.

　　(2)在好氧區(qū)沉淀時(shí)間為0.75 h、 COD 容積負(fù)荷為2.0 kg ·(m3 ·d)-1的條件下，ABR-CSTR一體化工藝具有較為明顯的脫氮除磷效果，COD、 NH+4-N、 TP 和TN的去除率分別為90%、 80%、 65%和45%.

　　(3)因沉淀時(shí)間縮短而不斷提高的選擇壓以及維持較高的有機(jī)負(fù)荷是好氧顆粒污泥形成的主要驅(qū)動(dòng)力. 此外，水力剪切力是其形成的一個(gè)重要影響因素，不斷提高的N負(fù)荷是其維持穩(wěn)定運(yùn)行的原因.(來源及作者：蘇州科技學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 巫愷澄、吳鵬、徐樂中、李月寒、沈耀良)