顆粒污泥形成及特性優(yōu)化的水力促進(jìn)技術(shù)

辛中華，陳昌仁，賈 蔚

（1.蘇美達(dá)股份有限公司，南京 210018；2.江蘇省水利廳；3.南京市規(guī)劃局，南京 210029）

顆粒污泥是水處理反應(yīng)器中微生物通過自凝聚作用相互聚合形成的一種沉降性能良好的微生物聚集體，也是微生物固定化的有效方式之一[1-2]。它的形成和出現(xiàn)能極大地增加反應(yīng)器中的微生物濃度，改善污泥沉降性能，促進(jìn)傳質(zhì)過程，提高反應(yīng)器的負(fù)荷率，從而減少反應(yīng)器的容積，優(yōu)化泥水分離過程，提高處理效率，同時(shí)有利于去除反應(yīng)器中老化的生物膜與剩余污泥，因而在水處理領(lǐng)域得到了越來越多的運(yùn)用。研究表明，在厭氧條件下形成的顆粒污泥，直徑可達(dá)0.14～5.00 mm，沉降速度為18～100 m/h，VSS/TSS為70%～90%；而好氧條件下，顆粒污泥直徑為0.5～4.6 mm，沉降速度為18～35 m/h，沉降指數(shù)（SVI）為12.6～64.5 mg/L，好氧速率（OURw）為1.27 mg/（g·min）[3-7]。與傳統(tǒng)的活性污泥（SVI為100～150 mg/L，OURw為0.8 mg/（g·min）左右）相比，其在污泥的沉降性能、生物量和生物活性等各項(xiàng)指標(biāo)上都具有明顯的優(yōu)勢。

顆粒污泥的形成和特性受到多種因素的制約，其中水力作用起著十分重要的作用。本文從水力作用對顆粒污泥形成及特性影響的規(guī)律出發(fā)，提出了改善水力條件、促進(jìn)顆粒污泥形成和特性優(yōu)化的技術(shù)措施，為提高系統(tǒng)運(yùn)行效率提供有益的參考和借鑒。

1 顆粒污泥形成和特性優(yōu)化的水力促進(jìn)技術(shù)

目前，利用水力條件促進(jìn)顆粒污泥形成和特性優(yōu)化的技術(shù)主要有三種。

1.1 反應(yīng)器型式和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

反應(yīng)器的型式和結(jié)構(gòu)決定了反應(yīng)器內(nèi)部的流型，影響到流體和微生物聚集體相互作用的方式。顆?；磻?yīng)器型式和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠改善反應(yīng)器內(nèi)的水流特性，創(chuàng)造適合顆粒污泥聚集的環(huán)境，促進(jìn)顆粒污泥的形成和特性優(yōu)化。研究表明，在反應(yīng)器型式上和構(gòu)造上，柱狀反應(yīng)器中氣水的上向流動能產(chǎn)生沿反應(yīng)器高度方向相對均勻的環(huán)流，促進(jìn)生物絮體的吸附和微生物的聚集，形成表面自由能最小的規(guī)則性顆粒；而完全混合反應(yīng)器中會產(chǎn)生各個方向的分散流動，微生物聚集和碰撞的隨機(jī)性也更強(qiáng)，只能產(chǎn)生不規(guī)則的絮體（絮狀污泥）[8]。較大的高徑比（H/D）能夠確保更長的環(huán)流軌道，為顆粒污泥的產(chǎn)生創(chuàng)造更有利的水力條件。正是基于這樣的原因，目前幾乎所有的顆?；磻?yīng)器（如UASB、EGSB、IC、USBR等）大多都是這種大高徑比（H/D）的柱狀反應(yīng)器。

1.2 反應(yīng)器運(yùn)行方式的優(yōu)化調(diào)整

紊動程度較高的進(jìn)出水和運(yùn)行方式能促進(jìn)顆粒污泥的形成和特性優(yōu)化[9-12]。間歇式的進(jìn)水、回流和攪拌方式能夠提高反應(yīng)器內(nèi)水流的紊動強(qiáng)度，利用升流速度和沉淀時(shí)間的調(diào)控在反應(yīng)器中獲得顆粒污泥，并改善污泥的沉降和脫水性能。脈沖式的進(jìn)水和回流方式能提供更好的紊動條件，有利于顆粒污泥的形成和特性優(yōu)化，使反應(yīng)器中顆粒污泥空隙率更高，泥水混合更均勻，從而增加污泥床的比表面積，促進(jìn)微生物的生長。Peng等人利用SBR在低溶解氧、間歇運(yùn)行的條件下培養(yǎng)出了沉降性能良好、生物活性高的好氧顆粒污泥[13]；Franco等人也發(fā)現(xiàn)，采用脈沖式進(jìn)水和回流后，UASB中污泥負(fù)荷由連續(xù)式運(yùn)轉(zhuǎn)的6 kg COD/（m3·d）增加到 12 kg COD/（m3·d）時(shí)，COD的去除率從85%提高到95%[14]。此外，能迫使反應(yīng)器中的顆粒污泥向底部的反應(yīng)器入流裝置運(yùn)動，也能優(yōu)化反應(yīng)器流態(tài)，改善流體的紊動水平，有助于UASB反應(yīng)器中生物絮體的積聚和顆粒污泥的形成，提高反應(yīng)器中揮發(fā)性污泥（VSS）的濃度[15]。

1.3 反應(yīng)器中剪力的優(yōu)化控制

顆粒污泥的形成和特性的變化與水環(huán)境中的能量消耗關(guān)系密切，而剪切力的大小是反應(yīng)器中能量消耗的直接體現(xiàn)[16]。作為顆粒污泥形成的必要條件，過低的剪切力會使顆粒化過程無法進(jìn)行，而適度地增加剪切力，能加速顆?；M(jìn)程，明顯縮短顆粒污泥形成的期限，增加顆粒污泥的密實(shí)度和濃度，提高污泥的活性，優(yōu)化顆粒污泥的特性[17-19]。反應(yīng)器中的剪切力主要來源于其內(nèi)部流速的不均勻分布以及好氧條件下的曝氣或厭氧過程中的產(chǎn)沼過程，剪切力的大小和柱狀反應(yīng)器中的液流、氣流表觀上升流速成正比，故對剪切力的優(yōu)化控制多以表觀上升速度為指標(biāo)，利用進(jìn)水和曝氣量的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)。

Noyola等人在SBR的研究中曾利用增加反應(yīng)器的表觀上升流速來降低顆粒污泥的沉降指數(shù)（SVI）[17]。孟春等人在UASB反應(yīng)器中將表觀上升流速從6.77 cm/h提高到20.84 cm/h，使顆粒污泥的出現(xiàn)時(shí)間從30 d減少到12 d，污泥成熟期從50 d減少到30 d，污泥的SVI從63 mg/L下降至29 mg/L[20]。在好氧顆粒污泥的培養(yǎng)中也曾有類似現(xiàn)象，Tay等人將SBR中表觀上升流速從0.3 cm/s提高到3.6 cm/s，使污泥的SVI從180 mg/L下降到了40 mg/L，污泥濃度從1.4 g MLSS/L增加到6.9 g MLSS/L，耗氧速率（OURw）也從17.9 mg O2/（mg·h）增加到24.8 mg O2/（mg·h），顆粒污泥的各項(xiàng)指標(biāo)都有較大幅度的改善[21]。

2 顆粒污泥形成和特性優(yōu)化的水力促進(jìn)技術(shù)理論分析

好氧污泥顆粒化是生物膜生長的一種特殊形式，受到多種因素的影響[19]。水力作用對顆粒污泥形成和特性的影響主要表現(xiàn)在兩個方面：一方面，反應(yīng)器中良好的水流形態(tài)和紊動特征能促進(jìn)反應(yīng)器中的泥水混合，加快生物絮體和污染物之間的傳質(zhì)過程，為微生物的聚集生長提供足夠的原料，同時(shí)促進(jìn)小絮體間的碰撞，加速污泥顆?；倪^程；另一方面，反應(yīng)器中流速分布不均勻和曝氣及生物產(chǎn)氣過程引起的剪切力，也會在反應(yīng)器中形成不同的選擇環(huán)境，影響顆粒污泥的形成和動力學(xué)特性。

目前，顆粒污泥形成和特性優(yōu)化的水力促進(jìn)技術(shù)的理論基礎(chǔ)主要是選擇壓理論和剪切力作用理論[22-24]。選擇壓是表面水力負(fù)荷與表面氣體流速的總和，它表征了反應(yīng)器內(nèi)水力流態(tài)的優(yōu)劣和剪切力的強(qiáng)弱[25]。當(dāng)水力作用產(chǎn)生的選擇壓較低時(shí)，大量的懸浮絮體型微生物保留在反應(yīng)器中并爭奪營養(yǎng)物質(zhì)，使顆粒污泥難以形成。若能通過水力條件的優(yōu)化，適當(dāng)?shù)卦黾舆x擇壓，將促使微生物相互聚合，有助于通過物理、化學(xué)、生物的作用力篩選出沉降性能良好的污泥，淘汰結(jié)構(gòu)松散、沉降性能差的懸浮絮體型污泥，促進(jìn)污泥顆?；倪^程。而根據(jù)剪切力作用理論，顆?；磻?yīng)器中的上向流污水在沉降污泥的阻礙下流經(jīng)污泥時(shí)形成繞流，對單位污泥表面產(chǎn)生摩擦力（剪切力）。與此同時(shí)，流速分布造成同一橫截面上各點(diǎn)流速的差別，導(dǎo)致泥水接觸點(diǎn)的沖量不同，使單位污泥產(chǎn)生微轉(zhuǎn)動。這兩種作用導(dǎo)致呈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的絮狀污泥自身纏繞凝聚，菌絲沿受力方向纏繞貼顆粒表面生長，最終促使顆粒狀污泥形成。此外，在顆粒污泥形成過程中，其表面往往有較多的絲狀菌纏繞，導(dǎo)致污泥結(jié)構(gòu)松散，沉降性能變差，不利于顆?；睦^續(xù)進(jìn)行和污泥特性的改善，適當(dāng)?shù)乃骷羟辛δ苁褂烧婢贾鲗?dǎo)地位的菌團(tuán)表面產(chǎn)生的絲狀菌脫落，表層的松散結(jié)構(gòu)破碎，從而促使較密實(shí)顆粒污泥的形成。

3 結(jié)論

目前，利用水力條件的優(yōu)化促進(jìn)顆粒污泥形成和特性優(yōu)化的主要方式有：使用大H/D的柱狀反應(yīng)器、采用間歇流或脈沖式進(jìn)水和回流的運(yùn)行方式和維持反應(yīng)器中適當(dāng)?shù)募羟辛ΑＱ芯勘砻?，這些水力條件的優(yōu)化措施能夠促進(jìn)顆粒污泥的形成和特性優(yōu)化，但總的來說，這方面的研究仍相對薄弱，在實(shí)踐中也缺乏系統(tǒng)的理論來指導(dǎo)水力條件的優(yōu)化。因此，今后的研究主要應(yīng)從以下幾方面著手：不同條件下好氧和厭氧顆粒化過程的最佳水力條件；顆?；磻?yīng)器的構(gòu)造參數(shù)對水力流態(tài)及顆粒污泥動力學(xué)特性的影響；剪切力對顆粒污泥動力學(xué)特性的影響規(guī)律；水力作用影響顆粒污泥形成和特性的機(jī)制。

通過對上述各方向進(jìn)行研究，人們要進(jìn)一步了解水力作用對顆粒污泥的形成過程和特性演變的影響，為反應(yīng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)創(chuàng)造最佳水動力條件，促進(jìn)顆粒污泥的形成和特性優(yōu)化，提高反應(yīng)器的運(yùn)行效率。