剩余污泥回流至水解池對污泥減量效果及其機理的研究

＊蔣建勇 張虎

（1.北京市海淀區(qū)環(huán)境監(jiān)測站 北京 100089 2.北京市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心 北京 100048）

近年來關于污泥減量的問題，國內外學者已經做了很多方面的研究。目前對于污泥減量化技術主要是從以下幾個機理開展的：生物捕食理論、隱性生長理論以及能量解耦聯(lián)理論[1]。而基于各種機理的代表工藝也有很多，比如基于生物捕食理論的蚯蚓生物濾池；基于隱性生長理論的超聲波技術[2]和臭氧氧化技術；基于能量解偶聯(lián)理論的投加解偶聯(lián)劑[3]和OSA工藝[4]。而本次實驗研究中提出的水解酸化-微孔曝氣氧化溝組合工藝正是借鑒OSA在污泥減量方面的優(yōu)勢，將水解反硝化工藝調節(jié)成OSA工藝的相近模式，在實現(xiàn)良好的脫氮除磷效果的同時，實現(xiàn)污泥減量。

1.材料與方法

(1)實驗水質

本實驗中進水取自南方某市水處理廠沉砂池出口處，進水流量為5m3·h-1，整體看來不同的時間段進水水質不同，進水波動比較大，進水水質如表1所示。

表1 進水水質表

(2)測試方法

實驗中對顆粒污泥特性、微生物相的具體測定方法及測定儀器如表2所示。

表2 測試方法

(3)實驗工藝流程

有污泥回流和無污泥回流的系統(tǒng)工藝流程圖分別如圖1，廢水首先進入進水箱，進水流量為5m3·h-1，經過篩網(wǎng)過濾后去除出廢水中比較大的懸浮物，然后在進水泵的作用下通過水解池底部的布水器均勻進入水解酸化池中，然后依次流入氧化溝內溝、外溝，經過厭氧釋磷好氧吸磷、好氧硝化等過程后，進入二沉池進行泥水分離，廢水經過一系列處理后進行外排。本次實驗中包含三個回流系統(tǒng)，一是剩余污泥回流到氧化溝內溝（即厭氧區(qū)），污泥回流比為100%，用來補充由氧化溝混合液帶走的活性污泥；二是將部分硝化液即二沉池出水回流至水解反應池中，硝化液回流比為150%，進行水解反硝化脫氮；三是新增加的剩余污泥回流系統(tǒng)，回流比為5%，即將剩余污泥回流至水解酸化池前端，與進水混合后一起進入水解池。

圖1 系統(tǒng)工藝流程圖

(4)實驗方法

①對污泥減量效果的研究

對有污泥回流和無污泥回流兩水解酸化反應系統(tǒng)穩(wěn)定運行后兩個月的污泥減量效果進行測定對比。兩系統(tǒng)的運行參數(shù)均為進水5m3·h-1，平均排泥體積200L。穩(wěn)定運行兩個月后，兩系統(tǒng)的排泥情況如表3和表4所示。在本實驗中采用污泥表觀產率來表征水解池中有無污泥回流工況下對污泥減量效果的差異。

表3 無污泥回流時系統(tǒng)排泥數(shù)據(jù)

表4 有污泥回流時系統(tǒng)排泥數(shù)據(jù)

②對污泥減量機理的研究

水解池采用的是改造的上流式污泥床反應器。根據(jù)水解、產酸菌和產甲烷細菌的生長速度不同，水解酸化工藝其實是通過控制系統(tǒng)的水力停留時間，來淘汰水解酸化池中的產甲烷細菌。培養(yǎng)成熟的水解池污泥為外觀為黑色，結構密實的厭氧顆粒污泥。從實驗數(shù)據(jù)和實驗現(xiàn)象中我們可以看出，將一部分剩余污泥回流到水解池前后，水解池中污泥的外觀形態(tài)和性質是有所不同的。

從水解池中取2000ml的顆粒污泥，洗泥，將顆粒污泥和絮狀污泥分開，沉降30min，之后測定沉降體積、污泥濃度。污泥回流前，水解池中污泥顆粒較大，并且只沉積在水解池的下層；而當污泥回流后，水解池中污泥顆粒變小，同時在水解池的中層出現(xiàn)顆粒污泥。

實驗中主要研究了污泥回流前后水解池中顆粒污泥和絮狀污泥的體積比、質量比、顆粒污泥的表觀特征對比、顆粒污泥粒徑分布的對比、回流前后水解池中污泥的MLVSS/MLSS比值以及顆粒污泥形態(tài)和鏡檢結果。

2.結果與討論

(1)污泥表觀產率對比

在本實驗中采用污泥表觀產率來表征水解池中有無污泥回流工況下對污泥減量效果的差異。其中污泥表觀產率的計算公式如下：

其中，MLSS為系統(tǒng)排泥的污泥濃度（mg·L-1）；Va為系統(tǒng)排泥的污泥體積（L·d-1）；CODi、CODe分別為系統(tǒng)進出水平均COD值（mg·L-1）；Qd為系統(tǒng)進水水量（2m3·h-1、t·d-1）；Td為系統(tǒng)每天總共持續(xù)進水時間（24h）。

由表3和表4可以看出無污泥回流的系統(tǒng)，穩(wěn)定運行的兩個月內二沉池總的排泥量：m回流前=3975.84 g·d-1×30d+3558.62g·d-1×30d=226033.8g；有污泥回流的系統(tǒng)，穩(wěn)定運行的兩個月內二沉池總的排泥量：m回流后=2034.05g·d-1×30d+2552.85g·d-1×30d=137620.5g。

根據(jù)計算，水解池無污泥回流的系統(tǒng)，兩個月穩(wěn)定運行中排泥總量為226.03kg（干重），表觀污泥產率Yobs1為0.306gMLSS/gCOD；水解池有污泥回流的系統(tǒng)，兩個月穩(wěn)定運行中排泥總量為137.6kg（干重），表觀污泥產率Yobs2為0.186gMLSS/gCOD。因此水解池中有污泥回流的系統(tǒng)中污泥減量效果要好于沒有污泥回流的情況。同時，經計算可得，有污泥回流的系統(tǒng)污泥較無污泥回流的系統(tǒng)可實現(xiàn)39%的減量率。

(2)污泥回流前后水解池中顆粒污泥的性質

①污泥回流前后水解池中顆粒污泥和絮狀污泥的體積比

②污泥回流前后水解池中顆粒污泥和絮狀污泥的質量比

表5、表6中很明顯可以看出，回流之后水解池中顆粒污泥的質量和體積都有所增加，可以證明回流剩余污泥到水解池中，促進了水解池中顆粒污泥的生長。

表5 污泥回流前后水解池中污泥的體積比

表6 污泥回流前水解池中污泥的質量比

(3)污泥回流前后顆粒污泥的表觀特征對比

圖2為污泥回流前后顆粒污泥的外觀形態(tài)的照片。中可以看出污泥回流前后顆粒污泥的大小和顏色都有改變。對于污泥回流之前水解池中顆粒污泥的顏色呈亮黑色，回流之后的顆粒污泥呈灰棕色，兩種顆粒污泥的形狀基本相同，但回流之后的顆粒污泥的平均粒徑要比回流之前小。

圖2 污泥回流前、后顆粒污泥

(4)污泥回流前后顆粒污泥粒徑分布的對比

在本次研究中采用濕示篩分法來對污泥回流至水解池前后顆粒污泥粒徑分布情況進行測定，濕式篩分法是最常用的粒徑測定方法[11]。

由圖3可以看出，在剩余污泥回流至水解酸化池之前，水解池中的顆粒污泥各級粒徑從小到大分別占總質量的1.21%、3.45%、14.6%、60%、20.74%；在剩余污泥回流至水解酸化池之后，水解池中顆粒污泥各級粒徑從小到大分別占總質量的2.9%、20.23%、55.07%、16.64%、5.16%。回流前水解池中顆粒污泥分布在2～3mm區(qū)間的最多，占總的顆粒的55.07%左右，回流后水解池中顆粒污泥分布在1～2mm區(qū)間的最多，占總顆粒60%左右。由此可見，污泥回流至水解酸化池之前的顆粒污泥的平均粒徑大于回流之后的顆粒污泥。

圖3 顆粒粒徑/mm

(5)回流前后水解池中污泥的MLVSS/MLSS比值

目前，在廢水處理中習慣用MLVSS來表示污泥中有機物質的含量，而用MLVSS/MLSS的值來反應污泥中微生物含量所占的比重，進而對污泥的生物處理能力進行衡量，從而反應出污泥的活性的大小。由圖2～圖4中可以看出污泥回流之后，水解池中污泥的MLVSS/MLSS的值變大，由此可以說明回流之后污泥的活性增大。其主要原因可能是污泥粒徑較大，顆粒本身吸附無機鹽類就較多，又受傳質作用的限制[12]，導致顆粒污泥內部細菌活性和數(shù)量都有一定的減少，從而使得污泥的活性隨之降低。

圖4 污泥回流前后顆粒污泥MLVSS/MLSS比值

(6)顆粒污泥形態(tài)和鏡檢結果

用光學顯微鏡對水解池中顆?？傮w形態(tài)和生物相進行觀察（40倍），如圖5所示。

圖5 顆粒污泥鏡檢結果

從圖中可以看出，左圖為污泥的外部結構，顆粒污泥呈球形；右圖為污泥內部結構，空隙較大，可用于為有機物的吸附和降解。顆粒污泥絮體內部排列比較緊密。

圖6中分別為水解池中上、中、下層以及顆粒污泥的鏡檢結果。從圖中可以看出，水解池中有很多微生物絮體的存在，并且隨著水解池高度的不同，微生物的種類也不一樣。下層污泥中球菌和短桿菌比較多，并且污泥絮體排列緊。隨著水解池高度的增加，開始出現(xiàn)長桿菌和絲狀菌。同時對顆粒污泥進行鏡檢，結果可以看出顆粒污泥中微生物絮體的種類明顯比其他污泥要多。

圖6 水解池上、中、下污泥鏡檢結果

3.結論

（1）水解酸化-微孔曝氣氧化溝組合工藝增設剩余污泥回流至水解池后，得出污泥回流之后比污泥回流之前可實現(xiàn)39%的污泥減量效果。

（2）同時對污泥回流前后水解池中污泥濃度進行測量，可以看出兩系統(tǒng)各自穩(wěn)定運行后，水解池中污泥平均濃度有所增加，但是相對于每日從二沉池回流的污泥量來說水解池中污泥增加的量要小很多?？偟膩碚f回流的剩余污泥在水解池中得到了一定的水解，水解酸化-微孔曝氣氧化溝組合工藝可以有效的實現(xiàn)剩余污泥的減量化。

（3）對污泥回流前后的水解池中的顆粒污泥的特性進行了研究，分析了兩系統(tǒng)中顆粒污泥的差異以及原因。結果如下所示：

①將剩余污泥回流到水解池之后，水解池中的顆粒污泥的特性發(fā)生了變化。首先水解池中的顆粒污泥得到了生長，表現(xiàn)在顆粒污泥的質量和體積的增加。

②通過對回流前后的顆粒污泥的外觀形態(tài)和粒徑進行分析測定后，可以看出污泥回流后系統(tǒng)中顆粒污泥的顏色由回流前的黑色變?yōu)榛易厣?，而顆粒污泥的平均粒徑也比回流之前要小，回流前水解池中顆粒污泥分布在2～3mm區(qū)間的最多，而回流后水解池中顆粒污泥分布在1～2mm區(qū)間的最多。

③實驗中測定了回流前后的水解池中顆粒污泥的MLVSS/MLSS的比值，來表征污泥的活性的變化。由實驗結果可以得出污泥回流之后顆粒污泥的MLVSS/MLSS的值明顯變大，從而可以證明回流之后污泥的活性變大。

④實驗中通過光學顯微鏡對顆粒污泥的微觀形態(tài)進行了研究，從圖中可以看出，污泥的外部結構，顆粒污泥呈球形；污泥內部結構，空隙較大，可用于為有機物的吸附和降解。顆粒污泥絮體內部排列比較緊密。同時分別對水解池中上、中、下三層的污泥進行鏡檢，可以看出隨水解池高度的不同微生物的種類也有所不同，下層主要是球菌和短桿菌，隨高度的增加開始出現(xiàn)長桿菌和絲狀菌。