俞 晟，鐘旭東，胡 濤，華祝林，楊向陽，王劍喬

（1.蘇州市職業(yè)大學(xué)環(huán)境與分析研究室，江蘇蘇州 215104；2.蘇州?？寺锫?lián)技術(shù)有限公司，江蘇蘇州 215007；3.江蘇明斯特環(huán)境科技有限公司，江蘇蘇州 215107；4.蚌埠市清泉環(huán)保有限責(zé)任公司，安徽蚌埠 233000）

近年來，雖然好氧顆粒污泥研究得到學(xué)者和專家的廣泛關(guān)注，對其研究也逐漸增多［1-13］，但由于好氧顆粒污泥相關(guān)理論沒有達(dá)成共識，工程化應(yīng)用培養(yǎng)周期長（約40 d），工藝運(yùn)行參數(shù)需優(yōu)化確定，需進(jìn)一步提高顆粒污泥成粒穩(wěn)定性等因素，限制其在工程中的推廣和應(yīng)用，其研究規(guī)模主要局限于小規(guī)模工業(yè)廢水應(yīng)用的案例，至于其在市政污水處理領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用，國內(nèi)外更是鮮有報(bào)道［2-4，6-9］。因此，在市政污水好氧生化工藝中如何優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)、縮短培養(yǎng)周期、提高成粒污泥穩(wěn)定性及其在工程應(yīng)用中推廣將是今后研究重點(diǎn)。本文旨在通過對文獻(xiàn)查閱和分析，綜述國內(nèi)外市政污水處理工藝中好氧顆粒污泥工藝研究與應(yīng)用的現(xiàn)狀，闡述好氧顆粒污泥成因機(jī)理、相關(guān)特性、影響因素，并對其在市政污水處理工程化研究應(yīng)用進(jìn)行討論。

1 顆粒污泥研究

好氧顆粒污泥是在有氧條件下，微生物通過自聚集形成具有顆粒狀規(guī)則外形、結(jié)構(gòu)密實(shí)、沉降性能優(yōu)良、污染物處理效果明顯的特殊的微生物聚集體［7，13］，即在流體動(dòng)力條件下微生物自固定形成生物體團(tuán)聚的特殊過程，較傳統(tǒng)活性污泥工藝，好氧顆粒污泥不易出現(xiàn)污泥膨脹和處理水質(zhì)變差等問題［14-15］。

1.1 顆粒污泥的基本特性

在好氧條件下，培養(yǎng)顆粒污泥的條件較為苛刻，且在不同市政污水中不同操作條件和培養(yǎng)目的下培育出的好氧顆粒污泥在顆粒大小、粒徑分布、顏色、功能上也都存在著差異（表1）［16-21］。

1.1.1 色澤與粒徑

好氧顆粒污泥外表面呈橙黃色或淺黃色，表面含有大量孔隙，且成熟的好氧顆粒污泥外表面光滑致密，具備清晰規(guī)則的球形或橢球型輪廓。好氧顆粒粒徑一般為0.5～2.3 mm（其中最佳粒徑為 1.0～2.0 mm），且隨著顆粒污泥的粒徑增加，污泥沉降速率、顆粒污泥密度以及污泥比表面和疏水性數(shù)值均有所增大，而污泥體積指數(shù)（SVI）則進(jìn)一步減?。?4，17，21-23］。但當(dāng)顆粒污泥粒徑 ＞4.0 mm以后，因顆粒內(nèi)部或核內(nèi)部傳質(zhì)和擴(kuò)散阻力增大，影響了胞外多聚物的分泌和微生物的生長繁殖，引發(fā)顆粒污泥外表面表層發(fā)生破裂，致使其顆粒污泥由外向內(nèi)逐層疏松而重新分散為絮狀活性污泥［13-15，17-22］。因此，要得到顆粒污泥最經(jīng)濟(jì)效率和運(yùn)行狀態(tài)，就必須考慮顆粒污泥粒徑和生物活性等相互間的關(guān)系。

1.1.2 沉降性能

好氧顆粒污泥的平均密度約為 1.04～1.05×103kg／m3，污泥沉降比（SV）在 14%～30%，污泥體積指數(shù) SVI＝ 20～50 mL ／g［17，22，23-25］。雖然好氧顆粒污泥平均含水率介于97%～98%，但其具有更高的沉降速率（可達(dá) 30 ～ 70 m／h）［23，26］，是絮狀污泥的5～6倍，因此可在較高的水力負(fù)荷條件下仍具有較高的運(yùn)行穩(wěn)定性和效率。

表1 傳統(tǒng)活性污泥與好氧活性顆粒污泥比較Tab.1 Comparison of Granulation of Traditional Activated Sludge and Aerobic Activated Sludge

1.1.3 微生物多樣性

顆粒污泥由外至內(nèi)形成了好氧區(qū)、缺氧區(qū)以及厭氧區(qū)［23，25，27-30］。微生物有氧代謝，降解有機(jī)污染物，同時(shí)將氨氮等氧化為硝態(tài)氮（）和亞硝態(tài)氮。隨著擴(kuò)散進(jìn)入缺氧和厭氧區(qū)后，微生物便以和等為電子受體進(jìn)行代謝，將和反硝化為如N2O和N2等低價(jià)態(tài)氮素而降低污水中氮素污染，同時(shí)完成吸磷準(zhǔn)備［24，30-32］?？梢娯S富的微生物使得顆粒污泥具備良好的COD、BOD和TN去除效率，并且因其在反應(yīng)池中MLSS和MLVSS較大，從而有利于增加反應(yīng)池的污染負(fù)荷和容積負(fù)荷，提高了系統(tǒng)抗外界沖擊負(fù)荷的能 力［31，33］，進(jìn) 而 減 少 市 政 污 水 處 理 廠 占 地面積［27，30，32-34］。

1.2 顆粒污泥的成粒理論

好氧顆粒污泥的形成過程是一個(gè)包含物理、化學(xué)和生物作用的復(fù)雜過程（表 2）［5，8，33］。目前，對于好氧顆粒污泥成粒機(jī)理仍然眾說紛紜，尚未形成統(tǒng)一定論，但是從文獻(xiàn)來看，與市政污水處理工藝密切相關(guān)的理論得到更多學(xué)者認(rèn)可，但也存在較多爭議［34-47］。

表2 好氧顆粒污泥成粒理論比較Tab.2 Comparison of Granulation of Theories of Aerobic Granular Sludge

續(xù) 表

1.3 顆粒污泥成形的影響因素

好氧顆粒污泥雖以污泥代謝活性高、消化速率快、運(yùn)行連續(xù)性強(qiáng)及出水水質(zhì)好等特點(diǎn)而備受青睞，但是由于運(yùn)行條件苛刻、過程復(fù)雜等諸多限制因素，目前對好氧顆粒形成的影響因素的了解和報(bào)道還不夠深入。綜合已有文獻(xiàn)［48-58］，就市政污水處理工藝中有機(jī)物種類及負(fù)荷、水力條件以及反應(yīng)器結(jié)構(gòu)等進(jìn)行分析和闡述（表3）。

表3 好氧顆粒污泥成形的影響因素Tab.3 Influencing Factors of Formation of Aerobic Granular Sludge

續(xù) 表

2 顆粒污泥的工程應(yīng)用

過去20年中，廢水生物處理理論研究和工程應(yīng)用證明，固定化的活性污泥在水質(zhì)凈化方面比懸浮活性 污 泥 更 具 有 效 率［7，18，55，62］。2004 年，荷 蘭DELFT大學(xué)van Loosdrecht教授等的全球?qū)＠晒\(yùn)用到城市污水中試研究，其效明顯。2008年，世界上第一個(gè)NeredaTM技術(shù)工藝的市政污水廠在南非Gansbaai落成，處理量為 5 000 m3／d，出水經(jīng)過消毒后，作為灌溉水回用，工藝的基建投資低20%，節(jié)電35%～45%，年運(yùn)行費(fèi)用降低50%。隨后，2011年的荷蘭Epe污水處理廠，設(shè)計(jì)規(guī)模為1 500 m3／h，設(shè)計(jì)運(yùn)行溫度為8～25℃，已成為荷蘭全國能耗最低的市政污水廠（降低25%投資和運(yùn)行費(fèi)用），并完全滿足 TN＜5 mg／L、TP＜0.3 mg／L 的出水限值要求。荷蘭Garmerwolde污水廠的擴(kuò)建工程自2013年開始運(yùn)行投產(chǎn)以來，服務(wù)周邊52萬人口，處理能力提高到了 30 000 m3／d，高峰流量為4 200 m3／h，出水水質(zhì)TN＜7 mg／L、TP＜1 mg／L，完全滿足排放標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)能耗降低了50%～60%。當(dāng)前，荷蘭公司DHV（Royal Haskoning DHV）正在以Nereda作為技術(shù)品牌，對好氧顆粒污泥技術(shù)進(jìn)行商業(yè)化推廣。隨著該技術(shù)的日漸成熟，DHV公司已在全球擁有20多個(gè)在市政污水中應(yīng)用Nereda工藝的合同，也已經(jīng)在巴西獲得了多個(gè)合同，其中包括在Limeira（設(shè)計(jì)規(guī)模為57 024 m3／d）和在里約熱內(nèi)盧（設(shè)計(jì)規(guī)模為86 400 m3／d）的兩座市政污水廠。

2.1 效果及優(yōu)勢

好氧顆粒污泥起源于20世紀(jì)80年代，因顆粒密實(shí)、沉降性能好、抗沖擊和有毒污染物強(qiáng)和較強(qiáng)的脫氮除磷能力，目前其在已有市政污水處理工藝中發(fā)揮著無可比擬的優(yōu)勢［1，6，10］。在現(xiàn)有成功案例的污水處理廠中，市政污染物中COD、BOD和SS等去除率均高達(dá)90%以上，而TN去除率也達(dá)到了80%以上［19-24，29，35］，與傳統(tǒng)絮體活性污泥技術(shù)法相比，好氧顆粒污泥平均節(jié)約能耗30%、土地20%，其運(yùn)行成本節(jié)約更是高達(dá) 50%［16，22，26］。可見，雖然現(xiàn)有研究對顆粒污泥的成形理論和控制參數(shù)尚未有統(tǒng)一的定論，但好氧顆粒污泥技術(shù)正憑借其特有的技術(shù)優(yōu)勢，而快速全球化推廣使用。

2.2 技術(shù)難點(diǎn)及解決方案

2.2.1 技術(shù)難點(diǎn)

當(dāng)前，關(guān)于好氧污泥顆粒的研究時(shí)間尚短，其成形的理論和機(jī)制仍在積極研究之中，同時(shí)由于培養(yǎng)周期長和控制條件相對復(fù)雜等條件，大大限制了其工程化（特別是市政工程）領(lǐng)域的大量應(yīng)用，加之以對好氧顆粒污泥的形成過程、形成環(huán)境條件等因素缺乏實(shí)踐深入地探究，故而目前關(guān)于好氧顆粒污泥的研究，大部分還處于實(shí)驗(yàn)室階段，因此現(xiàn)有工程化領(lǐng)域中關(guān)于好氧顆粒污泥的實(shí)踐應(yīng)用報(bào)道較少［11，14-18，29，35］。

一般認(rèn)為形成和穩(wěn)定好氧顆粒污泥，生物有機(jī)負(fù)荷宜為2.5～15 kg COD／（m3·d），此負(fù)荷量在實(shí)驗(yàn)室條件下可以通過人工配水（如葡萄糖基質(zhì)）來實(shí)現(xiàn)［50-51］，而對于COD 負(fù)荷較低（通常為150～250mg／L）且污染物復(fù)雜（包含顆粒有機(jī)物和其他潛在有害物質(zhì)）的市政污水，顆粒污泥的形成相對困難，通常需要更長時(shí)間形成顆粒污泥，且所成形的顆粒污泥粒徑更?。?9，40］。此外，現(xiàn)有活性污泥法工藝大都采用完全混合式的處理方法，不能有效形成類似SBR水體動(dòng)力學(xué)以及伴隨的物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)變，故而不利于反應(yīng)池中形成大量的好氧顆粒污泥［41-45］。同時(shí)，目前傳統(tǒng)活性污泥法處理市政污水，效果仍然較好，而且現(xiàn)有污水廠升級改造的需求并不強(qiáng)烈，因此也阻礙了好氧顆粒污泥在市政污水廠的推廣使用［49］。

2.2.2 解決方案

總結(jié)前述，控制活性污泥工藝技術(shù)條件和環(huán)境是形成顆粒的主要因素，因此從反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和污泥環(huán)境條件方面對顆粒污泥形成控制進(jìn)行討論。

（1）改進(jìn)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)

目前，多數(shù)好氧顆粒污泥反應(yīng)器的報(bào)道主要為序批式活性污泥法反應(yīng)器（SBR），使活性污泥富營養(yǎng)期與貧營養(yǎng)期相互交替更迭，工程實(shí)踐也表明SBR操作模式和較大的高徑比（H／D）數(shù)值可選擇截留密度更大、沉降性更好的顆粒污泥［53，55］。筆者在工程實(shí)踐基礎(chǔ)上，自行設(shè)計(jì)了具有專利技術(shù)的基于固液分離的浸沒式好氧活性污泥成粒工藝裝置（表4），MLSS經(jīng)由氣泡-活性污泥分選導(dǎo)流錐、曲線交錯(cuò)平滑鼓凸的好氧活性污泥自團(tuán)聚成粒通道、固液分離倉實(shí)現(xiàn)泥水分離，處理出水經(jīng)由上清液緩沖倉和鋸齒出水堰流出，截留于固液分離倉的成粒好氧活性污泥，在自重的作用下進(jìn)一步密實(shí)后再次流出進(jìn)入好氧生化池，而固液分離倉內(nèi)小密度成粒好氧活性污泥則篩分截留活性污泥絮體，以進(jìn)一步降低了上清液緩沖區(qū)和出水中SS數(shù)值。技術(shù)處理后出水的COD、BOD和SS處理率均遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)好氧生化活性污泥反應(yīng)器，迎合目前階段城鎮(zhèn)污水廠提標(biāo)改造的發(fā)展趨勢。

表4 傳統(tǒng)生化處理與好氧活性污泥成粒生化處理市政污水工程化比較Tab.4 Comparison of Traditional Biochemical Treatment and Aerobic Activated Sludge Granulation in Municipal Wastewater Treatment

續(xù) 表

（2）調(diào)整環(huán)境條件

好氧顆粒污泥成形的兩個(gè)先決條件是水力剪切作用和反應(yīng)池DO濃度［49，52-54］。水力剪切力為反應(yīng)器曝氣強(qiáng)度和HRT綜合體現(xiàn)。現(xiàn)有工藝技術(shù)條件下，HRT和SRT往往相一致，而較高水力剪切作用造成污泥流失，不利于活性污泥在好氧生化池中累積和富集，造成活性污泥微生物種群單一［50］。而現(xiàn)有曝氣布設(shè)，未能有效使反應(yīng)池中水流呈周期循環(huán)往復(fù)，同時(shí)為了節(jié)約能耗而一再減少曝氣強(qiáng)度，直接造成污泥間摩擦減少，致使所形成顆粒狀污泥粒徑較小且松散。現(xiàn)有工藝中二沉池污泥回流常用機(jī)械泵實(shí)現(xiàn)，在污泥進(jìn)過泵體的過程中，易將初期形成的小顆粒污泥再次機(jī)械切割破碎至絮體，不利于顆粒污泥的成長和穩(wěn)定［51，54-57］。基于固液分離的浸沒式好氧活性污泥成粒工藝裝置專利技術(shù)可以有效避免了以上問題的發(fā)生，在傳統(tǒng)完全混合型好氧生化池中加裝該裝置，有效促使MLSS形成長距離循環(huán)流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)污泥運(yùn)動(dòng)流經(jīng)不同基質(zhì)濃度條件和不同DO條件，有利于絮狀污泥產(chǎn)生更多EPS而促進(jìn)顆粒污泥形成。在MLSS流經(jīng)此裝置的過程中，絮狀污泥在平滑鼓凸通道內(nèi)慣性自旋，產(chǎn)生的向心力引導(dǎo)絮狀污泥自團(tuán)聚，而分選導(dǎo)流錐和分離倉一方面起到隔離上升氣泡干擾，另一方面的篩分作用造成MLSS中HRT和SRT的徹底分離，因此可在高水力剪切作用條件下截留更多活性污泥而豐富污泥中微生物種群結(jié)構(gòu)。可見一體化好氧活性污泥成粒固液分離工藝裝置改變了傳統(tǒng)活性污泥法反應(yīng)池條件（圖1），在此基礎(chǔ)上創(chuàng)造了長程污泥循環(huán)流動(dòng)，進(jìn)而可培養(yǎng)出好氧顆粒污泥，且此技術(shù)條件相對簡單，簡化了大量控制參數(shù)，促成好氧顆粒污泥快速成形和聚集，從而有利于完成污水廠升級和提標(biāo)改造任務(wù)。

圖1 一體化好氧活性污泥成粒固液分離工藝裝置Fig.1 Solid-Liquid Separation Process Device of Integrated Aerobic Granular Sludge

3 結(jié)語

比較傳統(tǒng)活性污泥工藝技術(shù)，分析好氧顆粒污泥諸多優(yōu)勢，已成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)，但由于成形影響因素復(fù)雜多變，運(yùn)行條件控制苛刻等問題，如若運(yùn)行參數(shù)條件控制不當(dāng)便會(huì)造成污泥解體、出水水質(zhì)惡化。此外，因成形理論存在爭議性，顆粒污泥數(shù)學(xué)模型的不完整性，好氧顆粒污泥的研究缺乏規(guī)律性和操作性。市政污水廠運(yùn)用好氧顆粒污泥處理工藝技術(shù)，可以提高污染物負(fù)荷、增加抗沖擊能力、縮短停留時(shí)間、減少占地，因此在活性污泥工藝百年之際，顆粒污泥工藝技術(shù)的誕生與使用，為好氧生化工藝注入新的活力，有利于我國在市政污水領(lǐng)域占領(lǐng)技術(shù)先機(jī)，以及促成行業(yè)發(fā)展，為環(huán)境水污染控制貢獻(xiàn)一份力量。

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