基于顆粒污泥活性再生的生物造粒流化床污水處理系統(tǒng)

靳兆強(qiáng)，金鵬康，張金花，王曉昌

眾所周知，以傳統(tǒng)活性污泥法進(jìn)行污水處理流程較長(zhǎng)，其主要的構(gòu)筑物包括預(yù)處理的初沉池，容積大的生物池，以及進(jìn)行固液分離的二沉池，污泥脫水間，如果考慮脫氮除磷，生物池又分為好氧池、缺氧池和厭氧池，占地面積大，設(shè)施費(fèi)用高。造粒流化床(fluidized pellet bed)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新工藝，它以其高效的固液分離特性在諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，見(jiàn)文獻(xiàn)［1］～［5］。在此基礎(chǔ)上，王曉昌教授進(jìn)一步將其引入污水處理領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)了生物造粒流化床技術(shù)(fluidized pellet bed bioreactor)(見(jiàn)文獻(xiàn)［6］～［9］)，引起了國(guó)內(nèi)外水處理界的關(guān)注。由于其能在一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)完成混凝造粒、生物降解、固液分離，而且全過(guò)程只需幾十分鐘，這樣就比傳統(tǒng)污水處理工藝具有明顯的優(yōu)勢(shì)。但近幾年發(fā)展的生物造粒流化床過(guò)于強(qiáng)調(diào)固液分離的性能，而對(duì)顆粒污泥的活性再生考慮不足，由此近些年發(fā)展的生物流化床雖然有很好的固液分離性能，但對(duì)NH+4-N、TN等的去除率不高且顆粒污泥的持久性不好，筆者所在的課題組就解決這些問(wèn)題推出了新一代生物造粒流化床——基于顆粒污泥活性再生的生物造粒流化床污水處理系統(tǒng)。

1 工藝與方法

1.1 工藝流程

圖1是基于顆粒污泥活性再生的生物造粒流化床污水處理系統(tǒng)。該反應(yīng)器分內(nèi)外兩筒(圖2)，外筒的直徑D是2.8 m，容積約13 m3;內(nèi)筒的直徑 d是1.5 m，容積約5.8 m3。污水先由原水水箱進(jìn)入反應(yīng)器的外筒，然后對(duì)流出外筒的活性污泥投加混凝劑聚合氯化鋁(PAC)，并通過(guò)管式混合器快速混合形成微小絮體，在流入內(nèi)筒底部前投加助凝劑聚丙烯酰胺(PAM)，內(nèi)筒的原理和作用與用于固液分離的流化床工藝相同，具有高效的固液分離能力和混凝吸附能力。在內(nèi)筒中下部形成密實(shí)的顆粒污泥層，上清液經(jīng)上部經(jīng)溢流堰出水［10-11］。

內(nèi)筒設(shè)有螺帶式攪拌槳，在攪拌槳的上側(cè)的內(nèi)壁有一開(kāi)口，與污泥筒相連(見(jiàn)圖1)。設(shè)置污泥筒的作用:一是回流顆粒污泥，以維持外筒的污泥量和對(duì)內(nèi)筒的污泥進(jìn)行再生，二是排放剩余污泥。對(duì)比以往的生物造粒流化床，該工藝具有一個(gè)體積為內(nèi)筒2倍的曝氣外筒，外筒的一周布置著6個(gè)曝氣盤(pán)，能提供足夠的溶解氧。這樣大的外筒容積非常有利于內(nèi)筒顆粒污泥的活性再生，同時(shí)外筒對(duì)進(jìn)水有一定的降解作用，可以稀釋進(jìn)水，利于PAC與PAM投加量的穩(wěn)定，而不受原水水質(zhì)波動(dòng)的影響，因此該工藝對(duì)水質(zhì)、水量的波動(dòng)具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力。此外，由于處理流程中不設(shè)初沉池，排水管網(wǎng)中的細(xì)菌能夠不斷地補(bǔ)充到反應(yīng)器內(nèi)，不斷更新反應(yīng)器內(nèi)微生物，并保持一定濃度的生物量，因此污泥具有較高的活性并節(jié)省了占地的費(fèi)用。

圖1 生物造粒流化床系統(tǒng)

圖2 生物造粒流化床俯視圖

1.2 原水水質(zhì)

中試系統(tǒng)進(jìn)水為西安思源學(xué)院的生活污水，主要就是學(xué)院的學(xué)生與教師教學(xué)和生活中產(chǎn)生的污水，因此學(xué)生和教師的用水情況對(duì)污水水質(zhì)和水量的影響很大。由于思源學(xué)院處于白鹿原大學(xué)城，在白鹿原上分布了很多民辦院校，各學(xué)校輪流放假，思源學(xué)院的休息日是周日與周一，這兩天用水量最小。根據(jù)長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)情況，各項(xiàng)污水指標(biāo)的平均值見(jiàn)表1。

表1 原水水質(zhì)

1.3 運(yùn)行條件

流化床進(jìn)水量 5 m3/h，外筒水力停留時(shí)間HRT1=2.6 h，內(nèi)筒水力停留時(shí)間HRT2=1.16 h，總水力停留時(shí)間HRT=3.76 h。外筒好氧區(qū)的污泥濃度為3 000～5 000 mg/L，曝氣量為50～70 m3/h，水氣比為1∶10～1∶14，溶解氧為7～7.5 mg/L，基本接近飽和狀態(tài)，因此外筒的硝化進(jìn)程很高，氨氮的去除率高達(dá) 90%以上。污泥筒的回流量在1.5～2.0 m3/h，即回流比控制在30%～40%。內(nèi)筒主要是混凝造粒區(qū)，攪拌槳選擇上，放棄以往的槳板式，采用螺旋式槳葉，連續(xù)的槳葉有很好的攪拌與造粒作用，攪拌速度4 r/min，溶解氧0.8 mg/L左右，處于缺氧狀態(tài)，為反硝化提供了適宜的條件，脫氮效果較好。

1.4 混凝及助凝劑的配比與投加

PAC與PAM作為生物造粒流化床的混凝劑與助凝劑。最佳投藥量根據(jù)混凝燒杯試驗(yàn)并結(jié)合實(shí)際過(guò)程的調(diào)整來(lái)確定，聚合氯化鋁(PAC)投加量平均在50～70 mg/L，聚丙烯酰胺(PAM)選擇的是1 200萬(wàn)的陽(yáng)離子型，穩(wěn)定運(yùn)行其投藥量在7 mg/L左右。投藥設(shè)備選用的是Miton Roy的電磁驅(qū)動(dòng)隔膜計(jì)量泵與GM系列的機(jī)械隔膜計(jì)量泵。

1.5 分析方法

COD:重鉻酸鉀法;NH+4-N:納氏試劑光度法; TP:鉬銻抗分光光度法;TN:過(guò)硫酸鉀氧化紫外分光光度法;濁度:Lovibond濁度儀;pH:玻璃電極法。

2 處理效果評(píng)價(jià)

2.1 COD的去除

對(duì)生物造粒流化床的進(jìn)出水進(jìn)行長(zhǎng)期觀察與測(cè)定，圖3是進(jìn)出水COD的含量比較?？梢钥闯?，COD的去除效果很好，達(dá)到了出水一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，基本都在20 mg/L左右，最大值為25 mg/L，可見(jiàn)生物造粒流化床對(duì)懸浮物有很好的混凝吸附作用，同時(shí)外筒的曝氣又使其能對(duì)溶解性有機(jī)物和吸附的有機(jī)物有良好降解作用。

圖3 進(jìn)出水COD的含量比較

2.2 TP的去除

圖4是進(jìn)出水TP的含量比較。出水的TP基本都在0.5 mg/L以下，去除率在90%以上，能達(dá)到出水一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。PAC中金屬Al3+形成的低溶解性金屬羥基絡(luò)合物，可通過(guò)化學(xué)沉淀將磷去除;另外一部分磷可能被聚磷菌攝?。?］。

圖4 進(jìn)出水TP的含量比較

2.3 NH+4-N和TN的去除

圖5與圖6是進(jìn)出水氨氮與總氮的含量比較。由圖5可以看到，氨氮的去除率能達(dá)90%以上，硝化進(jìn)程很高，這得益于外筒的曝氣作用以及內(nèi)筒的混凝吸附。這是以往的流化床所沒(méi)有達(dá)到的一個(gè)程度。圖6是TN的去除情況，出水的 TN基本在20 mg/L以下，能達(dá)到出水一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。由于外筒的高硝化程度，在內(nèi)筒缺氧的條件下促進(jìn)了反硝化的進(jìn)程，使其具有較高的脫氮效果。

圖5 進(jìn)出水NH+4-N的含量比較

圖6 進(jìn)出水TN的含量比較

2.4 出水水質(zhì)評(píng)價(jià)

根據(jù)上述監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，除了TN未達(dá)到城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，其余各項(xiàng)指標(biāo)均已達(dá)標(biāo)，符合中水回用的標(biāo)準(zhǔn)，且出水TN也能達(dá)到一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。可見(jiàn)，生物造粒流化床污水處理裝置有很好的處理效果，如果對(duì)TN的要求不高的話，完全可以作為中水進(jìn)行回用。

表2 出水水質(zhì)與城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)

2.5 經(jīng)濟(jì)分析

本中試裝置處理的污水量是5 m3/h，規(guī)模小，主要的消耗是電費(fèi)和藥劑費(fèi)，電費(fèi)是0.42元/m3，藥劑費(fèi)是0.36元/m3，總運(yùn)行費(fèi)用共計(jì)0.78元/m3;由于該工藝省去了初沉池和二沉池，這樣一種集成化的處理裝置占地面積小，基建費(fèi)用也很少;另一方面，因?yàn)槠浔旧砼欧诺氖Ｓ辔勰嗑褪墙?jīng)過(guò)混凝脫水的，所以無(wú)需設(shè)污泥脫水裝置，節(jié)約大量開(kāi)支。按照污水處理廠的運(yùn)行規(guī)律來(lái)說(shuō)，規(guī)模越小，單位污水的處理費(fèi)用就越高，因此如果將此裝置規(guī)?；敲丛诮档椭行⌒臀鬯幚韽S運(yùn)行費(fèi)用上應(yīng)該會(huì)有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)［13-14］。對(duì)于比較分散的中小城市(鎮(zhèn))、廣大農(nóng)村及偏遠(yuǎn)地區(qū)，常規(guī)的污水處理工藝和集中式污水處理技術(shù)明顯不合適，而生物造粒流化床工藝可以將混凝、造粒、生物降解、固液分離集中在反應(yīng)器內(nèi)短時(shí)間完成，相比其它工藝具有占地面積小，投資低和運(yùn)行靈活方便，操作簡(jiǎn)單，對(duì)操作人員素質(zhì)與設(shè)備要求低的特點(diǎn)，非常適合用于分散式污水處理［15-16］。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)該生物造粒流化床在構(gòu)造上增加了一個(gè)外筒(曝氣筒)，具有很好的污染物降解和污泥的再生性能，而且還具有很好的抗水質(zhì)、水量波動(dòng)的能力。

(2)該生物造粒流化床對(duì)思源學(xué)院的生活污水中的COD、NH+4-N、TP具有很好的去除效果，能作為沖廁與綠化的回用水。TN去除效果也不錯(cuò)，能達(dá)到出水一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。

(3)該生物造粒流化床處理每立方水的運(yùn)行成本是0.78元，在規(guī)?；笤谥行⌒臀鬯幚眄?xiàng)目中具有較高的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)該工藝占地少，投資低，運(yùn)行靈活方便，操作簡(jiǎn)單，對(duì)操作人員素質(zhì)與設(shè)備要求低，特別適合于分散式污水處理。

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