污泥转移SBR工艺

我国南方地区由于雨水和管网等因素导致城市污水的低碳源以及碳氮磷比例失调等问题，一直困扰着许多城镇污水厂的正常运行，由于工艺系统长期在低有机负荷状态下运行，无法为微生物提供足够的养分，降低微生物活性，加剧了氮磷同时高效稳定去除的难度，易造成出水水质不达标和能源的浪费。如何合理地利用废水中的有机碳源是解决生物脱氮除磷工艺处理低浓度废水的关键所在。传统生物除氮脱磷工艺多为单一污泥(single sludge)悬浮生长系统，即利用同一混合微生物种群完成有机物氧化、硝化、反硝化和生物除磷。其多种处理功能的高度关联性增大了运行控制的难度，在实际应用中限制了其处理效能。近年来，利用2 种污泥系统(简称“双泥”) 进行废水的脱氮除磷的研究取得了很大进展，这些工艺的共同特点都是把不同种群的微生物在不同的反应器中分别培养，创造各自适宜生长条件，尽量降低不同种群微生物由于新陈代谢习性的不同所产生的竞争抑制关系，并通过一碳两用等途径达到较好的脱氮除磷效果，如Dephanox 工艺、A2NSBR工艺、A2N 工艺、PASF 工艺等。无论是双泥工艺和传统的单一污泥系统，其污泥回流均在各自流程系统内循环，在多组并联系统之间的污泥转移利用鲜有报道。污泥转移技术是以传统SBR工艺为基础，通过在不同SBR池之间进行活性污泥的部分转移，提高系统的除污性能，并减轻后续沉淀工序的负荷，实现对活性污泥利用的最大化。为解决现行工艺缺陷提出了一种新思路。以某低浓度城市污水为水源，进行了污泥转移与新工艺除污性能以及SBR容积利用率的实验研究。
1 实验材料与方法
1．1 实验装置
实验装置由前置厌氧反应器、3 个序批式(SBR) 反应器两部分构成(见图1)，每个SBR中设有泥斗。其单体有效容积分别为10 m3和33 m3 (单个SBR泥斗容积约3. 6 m3) 。SBR池内设进水管、微孔曝气装置和滗氺器，选择器内设搅拌装置。进水、污泥回流通过两台泵控制。由电磁阀和空气阀分别控制SBR的进水、污泥回流(转移)、出水和曝气，所有阀门和水泵的启闭均采用PLC 自动控制。
污水与回流(转移) 污泥一起首先进入厌氧选择器搅拌混合充分释磷后进入SBR池，厌氧选择器借助高负荷梯度产生的“选择压力”筛选出絮凝性细菌，以保证污泥具有良好的沉降性能，同时始终保持厌氧搅拌，为聚磷菌提供释磷环境。3 个SBR池依次按进水、曝气、沉淀和滗水过程进行循环，用于实现去除COD、反硝化和摄磷等功能，沉淀后清水排放。污泥转移的实现是通过污泥回流泵将处于沉淀撇水阶段SBR池泥斗中污泥回流至另一进水阶段的SBR池，因此文中的用污泥回流比表征污泥的转移量。

图1 工艺实验装置运行系统示意图
Fig．1 Schematic of experimental apparatus
1．2 实验方法
活性污泥取自某城市污水处理厂氧化沟工艺的好氧段; 实验用水来自苏州某医院的生活污水，该医院生活污水污染物含量较低。实验期间的原水水质如下: BOD5 38～86 mg /L，COD 80～244 mg /L，PO43-0. 6～1. 8 mg /L，NH4+-N 9. 8～18. 4 mg /L，pH6. 5～8. 5。由于进水各项污染物浓度偏低，故SBR运行周期设为3 h，运行模式见表1，考察污泥回流比对系统充水比、污泥沉降性能以及除污效能的影响。
1. 3 实验分析测定方法
主要水质分析项目及测定方法为: COD (重铬酸钾法)、NH4+-N (纳氏试剂分光光度法)、TP(过硫酸钾消解-钼锑抗分光光度法)、NO3--N(高锰酸钾氧化-酚二磺酸分光光度法)、TN(过硫酸钾消解-紫外分光光度法) ; MLSS(Myratek 污泥浓度测定仪)、DO 和pH(WTW Ph /Oxi 340i 便携快速测定仪) 。其他参数测定方法均参见文献。
2 实验结果与讨论
2．1 不同污泥转移量(R污)下COD 的去除
不同污泥转移量下系统对COD 的去除效果见图2。在低浓度城市污水条件下，有污泥转移的SBR对COD 的去除效率低于传统SBR工艺，随着污泥转移量的增加，进水负荷明显增加。污泥转移SBR工艺出水COD 浓度能够达到国家《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002) 一级排放标准。污泥回流比为30% 时，进水COD 容积负荷范围为0. 35～0. 68 kg COD/(m3•d) 。平均去除率为65%; 污泥回流比为15% 时，进水COD 容积负荷范围为0. 39～0. 66 kg COD/(m3•d) 。平均去除率为70%; 污泥回流比为0% 时，进水COD 容积负荷范围为0. 19～0. 58 kg COD/(m3•d)，平均去除率为75%。

图2 不同污泥转移量下COD 的去除
Fig. 2 COD removal under different volumes of sludge transfer
图2 表现出相同污泥转移量下系统COD 去除率随进水负荷的增加而提高，是由于系统的进水污染物浓度明显低于传统生活污水，系统对有机物的去除能力还有富余，运行的负荷还没有超出系统可承受的范围，因而呈现出系统对COD 的去除效率随负荷增加而增加。而在相同COD 负荷下，系统COD去除效果随污泥转移量的增加而降低，可以解释为对于没有进行污泥转移的传统SBR，进水COD 负荷的提高主要是由于进水中有机物浓度的增加(污染物浓度更加接近于典型城市污水的水质)，因而保持了更高的去除效率; 而进行污泥转移的SBR中COD 负荷的提高主要是由于处理水量(充水比) 增加所致，而相应的水力停留时间从10. 2 h(R污= 0)缩短为7. 4 h(R污= 30%)，同时由于低负荷、长泥龄下异养菌的内源代谢产物及胞外分泌物(ECP) 在系统中累积导致了出水COD 浓度相应增加，去除效率有所降低。
2. 2 不同污泥转移量(R污)下TP 的去除
不同污泥回流比对TP 的去除如图3 所示，30%的污泥污泥转移量下系统对TP 的去除优于15% 和0%两种工况。对TP 的平均去除率达85%，出水TP 含量低于0. 3 mg /L，优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002) 一级A 排放标准。15%的污泥转移量下系统对TP 平均去除率约为61%，出水TP 浓度为0. 4 mg /L 左右; 在无污泥转移下(R污= 0) 系统对TP 的去除率约为46%，出水TP浓度为0. 6 mg /L 左右。

图3 不同污泥转移量下TP 的去除
Fig．3 TP removal under different volumes of sludge transfer
在较高污泥转移量下取得了显著的除磷效果，分析认为主要是在30% 的污泥转移量下能够保持更多的活性污泥(聚磷菌) 经过厌氧生物选择器进行厌氧释磷，然后在好氧环境中才能够过量吸磷，并通过排泥实现系统对磷的净去除，而该结论正是体现了聚磷菌强化除磷的基本原理。在传统城市污水处理中磷的去处绝大部分为聚磷菌除磷，而同化除磷占少部分，但由于本系统中进水TP 浓度低，有必要对系统中磷的去除途径进行分析。废水生物除磷有两条途径: 同化脱磷和聚磷菌(PAOs 或DPB) 强化除磷。同化脱磷量公式根据细胞分子式C60 H87O23 N12 P可计算出磷占细胞质量的百分比为0．023，折算成废水中的浓度(CP) 为:
式中: YT为产率系数，取值0. 5; Kd为自身氧化系数(d-1)，取值0. 1; S0、Se为进、出水BODu浓度(mg /L) ; fd为活性微生物衰减中被氧化降解系数，取值0. 8; θc为泥龄(d) 为15 d，选取了3 种工况稳态阶段的九组平行水样，按式(1) 计算得出的同化脱磷百分比量，其TP 去除率及同化除磷率见图4。在污泥转移量分别为30%、15% 和0% 工况下的平均同化除磷率分别为44%、43%和44%，而TP 去除率平均为85%、61%和46%。说明在有污泥转移的工况下，系统磷的去除由同化作用和聚磷菌强化除磷共同完成; 而在无污泥转移量工况下系统中磷的去除主要为同化作用; 15% 工况下由于进入厌氧生物选择器污泥量较少，没有足够的聚磷菌进行厌氧释磷，后期好氧过程中吸磷不充分而导致除磷效率降低。

图4 不同污泥转移量下同化除磷效率分析
Fig．4 Assimilation of phosphorus removal under different volume of sludge transfer
2．3 不同污泥转移量(R污)下氮的去除
不同污泥转移量下氨氮和总氮去除效果如图5和图6 所示。结果表明，污泥转移对系统氨氮及总氮去除率影响较明显。污泥转移量(R污) 分别控制为30%、15% 和0%，系统对氨氮的平均去除率为71%、80% 和92%; 对总氮的平均去除率为65%、54% 和45%。氨氮和总氮去除效率随进水氮负荷的增加而降低，出水氨氮浓度随进水负荷的增加而升高; 30%污泥转移工况下的出水总氮效果明显优于15%和0%工况。
从系统氨氮去除效率分析，无污泥转移硝化效率高于具污泥转移的SBR工艺，因为污泥转移功能使活性污泥经历厌氧/好氧交替过程，而在传统SBR工艺中的活性污泥长期处于好氧状态，更有利于硝化细菌的生长繁殖。再加上由于污泥转移的实施，进水负荷随充水比的增加而增加，导致水力停留时间缩短，系统的硝化功能被削弱。

图5 不同污泥转移量下氨氮的去除
Fig．5 Ammonia removal under different volume of sludge transfer

图6 不同污泥转移量下总氮的去除
Fig．6 Total nitrogen removal under different volumes of sludge transfer
污泥转移使系统氨氮去除率下降而总氮去除效率增加，随着污泥转移量的增加系统对总氮的去除效率而得到加强。根据生物脱氮基本理论及出水水质组分可以看出污泥转移使系统的反硝化功能得到强化。分析其原因首先是厌氧生物选择器的设置为部分硝酸盐的反硝化提供了场所，污泥转移过程中也携带部分硝酸盐进入厌氧生物选择器，利用进水中的易降解有机物完成反硝化。此外在厌氧选择器进行了快速吸附有机物的活性污泥进入SBR，这部分活性污泥碳源的释放也为SBR池中反硝化过程提供了条件。
系统中进水氮浓度低，有必要对系统中氮的去除途径进行分析。生物脱氮分同化脱氮和异化脱氮两种，假设微生物仅在好氧条件下获得增殖，运行时的泥龄为θc，微生物细胞采用C60H87O23N12P来表示，设系统每天增殖的污泥量为ΔX，由泥龄的定义可计算出氮占细胞质量的百分比为0. 122，则每天由于同化作用而去除的氮总量为0. 122ΔX。根据各工况稳态阶段水样计算得出同化脱氮率平均为18%左右，说明系统大部分氮仍是通过异化脱氮途径得以去除。
2．4 污泥转移对系统处理能力及稳定性的影响
在进水过程中，污泥从沉淀出水阶段的SBR池转移到另一进水阶段的SBR池，被转移的污泥首先经过厌氧生物选择器，不同污泥回流比下系统总污泥经过生物选择器的筛选频率如表2 所示。
表2 不同污泥回流比下生物选择器的筛选频率
Table 2 Screening frequency of biological selector under different sludge recycle ratios

污泥在生物选择器的停留时间随污泥回流比增加而减小，系统总的污泥每天经过生物选择器的次数随污泥回流比增加而增加; 30% 污泥回流比条件下所有污泥每天经过生物选择器筛选次数为5. 4次，15%工况下为2. 7 次。污泥回流比越大，系统所有污泥经过生物选择器进行絮凝性筛选次数就越多，从而保证了污泥良好的絮凝性能; 并且SBR中通过污泥转移，使得各个反应池中污泥性状相同，从而污泥转移可以提高系统运行的稳定性。
在连续流反应器中，容积利用率定义为反应器实际发挥反应功能的容积占总池容的比值。序批式反应器中容积利用率定义为周期内参与反应的时间与相应可利用的容积乘积(T反应× V可利用) 占总时间与总容积乘积(T总× V总) 的比值。从表3 可看出，容积利用率随充水比的增加而增加，系统在污泥回流比为30%时，容积利用率为53．7%; 而没有污泥回流时，即按SBR工艺运行，容积利用率为44．3%。污水处理系统的体积一定时，容积负荷的提高有利于增加系统的处理量; 当污水处理量一定时，容积负荷的提高有利于减少污水处理系统的体积，从而降低基建费用。
表3 不同污泥回流比下的处理能力
Table 3 Handling capacity of the system under different sludge recycle ratios

污泥转移SBR工艺最显著特点是污泥能够在各个SBR池反应池中转移，实现了系统反应除污阶段污泥浓度达到极大值，有利于提高污染物去除效果; 而在沉淀出水阶段污泥浓度达到极小值，有利于提高系统充水比及处理能力。污泥转移量的增加，则通过厌氧生物选择器高污泥浓度梯度筛选出絮凝性微生物种群越多，进而提高了系统中污泥的沉降性能，使充水比(容积利用率) 增加成为可能。
3 结论
污泥转移SBR工艺处理低浓度生活污水的研究表明，污泥转移强化了系统的脱氮除磷性能。污泥转移量的大小对系统污染物去除效果影响显著，当污泥转移量为(进水流量) 的30%，总氮及除磷的平均去除效率分别从45% 和46% 提升至65% 和85%，出水COD、氨氮、TN 和TP 浓度达到GB18918-2002 一级A 标准。与传统SBR工艺相比，采用30%的污泥转移量可将处理能力提高近1 /2。