好氧颗粒污泥技术研究进展

我国北方寒区生活污水水质和水量受季节影响波动较大,同时村镇地区的污水收集处理设施尚不完善,导致污水处理率不足,低温水环境质量亟待改善。对于寒区村镇污水处理厂而言,冬季低温使污水处理过程中的各项成本增加,出水脱氮除磷效果也呈显著下降趋势,成为影响其稳定运行的瓶颈问题。好氧颗粒污泥（Aerobic Granular Sludge,AGS）具有高生物活性、致密的颗粒结构以及较强抗冲击负荷能力等优势。然而,目前以AGS为核心的生活污水处理技术存在启动时间较长及操作条件苛刻等问题,同时低温下生物酶活性会收到抑制,限制了AGS技术在北方低温生活污水处理领域的应用。 针对以上问题,以北方村镇不稳定负荷的生活污水为原水,构造竖流式好氧颗粒污泥反应器,在水温为18～25℃及6～11℃的条件下进行连续运行实验,开展竖流式生物反应器（Vertical Baffle Reactors,VBRs）的快速启动、抗冲击负荷能力及对低温环境适应性等运行情况研究。同时,探究VBRs结构与AGS形成过程及菌群特征的相互关系,揭示AGS在VBRs中低温脱氮除磷的机理。主要研究内容如下: （1）设计了一套日污水处理量为20 m3的VBRs,其具有复合回流系统以及有利于AGS形成的高径比（H/D）结构。高浓度污泥负荷（MLSS=8000～10000mg/L）是VBRs能够承受连续不稳定负荷生活污水的关键,而VBRs通过为AGS的形成提供有利条件,能够使VBRs在高浓度污泥负荷下运行。在此基础上,结合我国北方寒区污水温度随季度变化大特点,探究了VBRs快速启动、运行参数优化、稳定运行以及低温运行过程中污染物的去除效率。以不稳定负荷的生活污水做为原水（COD=120～556 mg/L,TN=19.97～81.54 mg/L）,VBRs在常温条件下15天内成功启动。曝气量和水力停留时间的降低均会抑制硝化过程,影响氨氮的去除效果。通过提高VBRs内污泥浓度来提高低温条件下污染物的去除效率。当水温降至6～11℃时,控制反应器内平均MLSS由7901 mg/L升高至9211mg/L,经过连续80天的稳定运行,出水中的COD已成功控制在38 mg/L以下,NH3–N浓度维持在0.8 mg/L以内,TN和TP的浓度也分别保持在15 mg/L和0.5mg/L以下。 （2）阐明了AGS培育及菌群特征的相互关系,明确了活性污泥颗粒化过程中AGS的理化性质,揭示了低温条件下AGS在VBRs中脱氮除磷的机理。研究表明,VBRs的污泥高回流比以及折流板的紊流效应为AGS自培养提供了条件。胞外聚合物（EPS）中多糖（PS）浓度的增加促进了颗粒之间的桥接形成AGS,形成的AGS粒径大（平均粒径约为1.00 mm）、EPS含量高（44.2 mg/g VSS）以及孔隙结构丰富。VBRs反应器中好氧颗粒污泥由外到内形成的好氧-缺氧-厌氧环境,为多种功能菌群的富集提供了空间。常温和低温条件下好氧污泥的微生物组成和丰度具有很大差异性,低温下微生物群落功能相对集中,具有低温反硝化除磷功能的Flavobacterium以及脱氮功能的Rhodobacter形成优势菌群,在低温时其丰度增加,促进了低温脱氮除磷效能。 （3）开展了新型VBRs污水处理工艺在乡镇生活污水中的实际应用。以北方寒区规模为3000 m3/d的乡镇生活污水处理厂为例,在低温、水质水量连续波动条件下,考察VBRs对脱氮除磷效能的影响,结果表明,VBRs能全年稳定运行,出水水质远优于GB18918-2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》中一级A排放标准,与此同时,VBRs复合回流系统及好氧区曝气量大引起的污泥内源消耗是剩余污泥量较低的主要原因。 本研究构建的竖流式生物反应器能够有效处理寒区低温条件下的生活污水,在连续流反应器中培养好氧颗粒污泥,同时克服传统生物处理工艺低温处理效果差的困境,研究结果对我国北方寒区不稳定生活污水进水的处理厂（站）具有广泛推广应用前景。``