好氧顆粒污泥反應(yīng)器的研究進(jìn)展

劉孟媛

（包頭市環(huán)境在線監(jiān)控中心 內(nèi)蒙古包頭 014060）

引言

好氧顆粒污泥的形成是在好氧條件下微生物細(xì)胞發(fā)生自固定化的結(jié)果。好氧顆粒污泥工藝是一項具有較廣闊應(yīng)用前景的污水生物處理技術(shù)，截止目前只有短短二十年的發(fā)展經(jīng)歷。關(guān)于好氧顆粒污泥的研究報道多是在序批式活性污泥反應(yīng)器SBR及其變形工藝中開展的[1-4]，近些年有學(xué)者開始嘗試好氧顆粒污泥連續(xù)流工藝。

1 好氧顆粒污泥反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和應(yīng)用

1.1 間歇式好氧顆粒污泥反應(yīng)器

序批式反應(yīng)器（sequencing batch reactors,SBR）中獨特的運行方式為好氧顆粒污泥的形成創(chuàng)造了有利條件[1,5-7]。SBR工藝（如圖1）的循環(huán)操作過程包括進(jìn)水、曝氣、沉淀和排水4個階段。其中，曝氣起到供氧和促進(jìn)泥水混合的作用。在曝氣階段，營養(yǎng)底物將出現(xiàn)從豐富到匱乏的變化過程，而微生物則先后經(jīng)歷對數(shù)增長期和穩(wěn)定增長期。在SBR反應(yīng)器中，通過調(diào)整氧氣供應(yīng)量和貧-富營養(yǎng)交替的時間能夠增加形成顆粒的數(shù)量、尺寸和穩(wěn)定性能，這種變化不利于絲狀菌生長繁殖，可以有效的抑制絲狀菌型污泥膨脹。通過控制較短的沉降時間，可使懸浮絮體和絲狀菌將被洗出，沉降性好的絮體顆粒被保留在裝置中，增進(jìn)好氧顆粒顆?；M(jìn)程。

Beun等人[8]在SBAR中成功培養(yǎng)出好氧顆粒并保證該裝置穩(wěn)定運行。SBAR（sequencing batch airlift reactor）反應(yīng)器（見圖 2）屬于SBR反應(yīng)器的改良工藝，它是在SBR的生物反應(yīng)區(qū)設(shè)置了氣提筒，以使內(nèi)外筒間形成循環(huán)流動。較高的液體循環(huán)流速既增大流體剪切力，又增強氣、液相的傳質(zhì)作用。其研究證實：利用污水廠活性污泥極易快速啟動運行SBAR工藝，顆粒在接種后一周內(nèi)即可快速形成，一個月后達(dá)到穩(wěn)態(tài)。通過觀察顆粒表面光滑，平均粒徑在2.5 mm，營養(yǎng)基質(zhì)可以深入到顆粒表面以下500 μm處，最大生物質(zhì)濃度達(dá)到60 g VSS·L-1，裝置穩(wěn)定運行約140天。可見，SBAR具備優(yōu)異的傳質(zhì)能力和一定抗擾動能力，顆粒形成速度快。

雖然大量研究證實在序批式反應(yīng)器中好氧顆粒污泥可以進(jìn)行成功培育，但是需要通過改變SBR反應(yīng)器的運行條件促進(jìn)顆粒形成，例如：選擇壓、循環(huán)時間、污染物濃度變化周期和剪切力等。除此之外，間歇式污水處理工藝需要設(shè)置自控系統(tǒng)，不但操作復(fù)雜，而且成本較高。與SBR及其變形工藝相比，穩(wěn)態(tài)連續(xù)流反應(yīng)器具有安裝成本低，易于操作、維護(hù)和控制等優(yōu)點，是目前一種較為理想的污水生物處理工藝，關(guān)于連續(xù)流污泥顆?；尚行缘难芯窟€在繼續(xù)中。

1.2 連續(xù)流好氧顆粒污泥反應(yīng)器

圖1 SBR裝置圖

圖2 SBAR裝置圖

關(guān)于實現(xiàn)好氧顆粒污泥連續(xù)流工藝運行的報道，最早可以追溯到發(fā)現(xiàn)好氧顆粒污泥的時期。Shin等人[9]對好氧顆粒污泥的升流式污泥床反應(yīng)器（aerobic upflow sludge bed,AUSB）裝置工藝性能和顆粒自固定化過程進(jìn)行具體探討。AUSB（如圖3）主要由固、液兩相的生物反應(yīng)器和單獨外接純氧曝氣裝置兩部分構(gòu)成，待處理和回流的污水在曝氣裝置中與純氧進(jìn)行充分混合后，富含飽和溶解氧的污水經(jīng)水泵進(jìn)入升流式污泥床中，由形成的顆粒污泥進(jìn)行生物降解。生物反應(yīng)器中設(shè)有攪拌裝置以促進(jìn)污泥流化床中的泥水完全混合并提供一定的剪切作用促進(jìn)顆?？焖傩纬?。研究結(jié)果表明：在適宜的攪拌速度下，AUSB裝置啟動運行5天后出現(xiàn)顆粒，平均粒徑達(dá)到0.5~2.5 mm，高剪切力條件下生成的顆粒更平滑，污水COD處理效率和生物量更優(yōu)異。AUSB作為第一代連續(xù)流裝置，真正實現(xiàn)了持續(xù)進(jìn)水，充足的氧氣、較高的剪切力可以抑制絲狀菌過度生長，同時進(jìn)水和曝氣兩相分離有效避免污泥流失問題。但是由于其工藝至少需要兩個單體同時運行，并且需要純氧供給保證，存在建設(shè)、運行成本較高等缺陷。

圖3 AUSB裝置圖

圖4 改進(jìn)型連續(xù)流好氧顆粒污泥工藝裝置圖

圖5 CAFB裝置圖

2010年，Juang等人[10]通過將SBR培養(yǎng)形成的好氧顆粒污泥作為種泥接入到一個底部安裝聚乙烯纖維膜的連續(xù)流裝置中，實現(xiàn)了好氧顆粒污泥工藝的連續(xù)流長期穩(wěn)態(tài)運行。在200多天的運行中，該連續(xù)流好氧顆粒膜生物生物反應(yīng)器（the aerobic granule membrane bioreactor，AGMBR）能夠長期維持顆粒穩(wěn)定性，保持較高的生物濃度和較好的COD降解效率，但是該裝置能否在接種活性絮狀污泥的情況下形成好氧顆粒污泥并保持穩(wěn)定運行尚未得到證實。

Zhou等人[11]在SBR工藝基礎(chǔ)上進(jìn)行改良，分離出三個單體確保裝置連續(xù)流運行，最終實現(xiàn)好氧污泥顆?；?）。該裝置依次連通的三個完全相同的圓柱中只有中間柱持續(xù)曝氣，剩余兩個交替曝氣和沉降反應(yīng)，省去污泥回流步驟并保證工藝連續(xù)進(jìn)水、連續(xù)出水。裝置運行40天后，形成了平均粒徑大于1 mm顆粒，雖然顆粒結(jié)構(gòu)疏松，表面不光滑，具有易于沉降、污水處理效率高等優(yōu)勢。在該連續(xù)流裝置中依然可以通過改變貧-富營養(yǎng)期、顆粒破碎、剪切力和選擇壓等參數(shù)實現(xiàn)控制。但是，由于工藝需要設(shè)置多個單體交替運行，操控和流程復(fù)雜，不適用于工程實際。此外，由于反應(yīng)器過低的氣速和高徑比致使反應(yīng)裝置剪切作用不顯著、循環(huán)作用減弱和部分區(qū)域渦流作用占主導(dǎo)，最終出現(xiàn)顆粒破碎、污泥膨脹。

隨后，周丹丹等人[12]發(fā)明新型連續(xù)流氣提式好氧顆粒污泥流化床（continuous airlift fluidized bed，CAFB）（圖 5），短期內(nèi)快速培育出好氧顆粒，且對于高有機(jī)負(fù)荷的廢水處理效率較好。CAFB在接入活性污泥運行4~5天后，即出現(xiàn)大量好氧顆粒污泥，平均粒徑為800~1000μm。當(dāng)有機(jī)負(fù)荷達(dá)到8 kg COD/(m3·d)和13 kg COD/(m3·d)時，COD去除效率仍能達(dá)到93%~97%。究其原因，CAFB裝置內(nèi)設(shè)氣提區(qū)，由于密度差作用做規(guī)則內(nèi)循環(huán)流動，從而產(chǎn)生持續(xù)的液相剪切力強化顆粒聚集，強化氣、液、固傳質(zhì)作用，促進(jìn)了蛋白質(zhì)和多糖等物質(zhì)的分泌，增加疏水性，促進(jìn)好氧顆粒污泥的形成。加之，特有的三相分離區(qū)有效避免污泥流失。該裝置為連續(xù)流完全混合式反應(yīng)器，其特殊的工況條件基本忽略選擇壓、污染物濃度變化周期和循環(huán)時間等要素對污泥聚集的影響，有利于顆粒污泥快速形成且對于高濃度廢水處理效率更佳。

結(jié)語

目前，連續(xù)流處理廢水工藝仍是我國絕大多數(shù)污水處理工藝所選擇的運行方式。這是因為與SBR及其變形工藝相比，連續(xù)流處理工藝具有安裝成本低、運行方式靈活、易于操控維護(hù)等優(yōu)點，無需SBR高昂的自控裝置費用。近年來，雖然開始出現(xiàn)部分研究探討了連續(xù)流好氧顆粒污泥反應(yīng)器的設(shè)計運行，仍存在結(jié)構(gòu)運行復(fù)雜、污泥流失、污泥膨脹等突出問題，想要應(yīng)用實際工程還需要進(jìn)一步探索。