基于顆粒污泥活性再生的生物造粒流化床污水處理系統

靳兆強，金鵬康，張金花，王曉昌

眾所周知，以傳統活性污泥法進行污水處理流程較長，其主要的構筑物包括預處理的初沉池，容積大的生物池，以及進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，設施費用高。造粒流化床(fluidized pellet bed)是近年來發展起來的一項新工藝，它以其高效的固液分離特性在諸多領域得到了廣泛的應用，見文獻［1］～［5］。在此基礎上，王曉昌教授進一步將其引入污水處理領域，開發了生物造粒流化床技術(fluidized pellet bed bioreactor)(見文獻［6］～［9］)，引起了國內外水處理界的關注。由于其能在一個反應器內完成混凝造粒、生物降解、固液分離，而且全過程只需幾十分鐘，這樣就比傳統污水處理工藝具有明顯的優勢。但近幾年發展的生物造粒流化床過于強調固液分離的性能，而對顆粒污泥的活性再生考慮不足，由此近些年發展的生物流化床雖然有很好的固液分離性能，但對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。

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。該反應器分內外兩筒(圖2)，外筒的直徑D是2.8 m，容積約13 m3;內筒的直徑 d是1.5 m，容積約5.8 m3。污水先由原水水箱進入反應器的外筒，然后對流出外筒的活性污泥投加混凝劑聚合氯化鋁(PAC)，并通過管式混合器快速混合形成微小絮體，在流入內筒底部前投加助凝劑聚丙烯酰胺(PAM)，內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。在內筒中下部形成密實的顆粒污泥層，上清液經上部經溢流堰出水［10-11］。

內筒設有螺帶式攪拌槳，在攪拌槳的上側的內壁有一開口，與污泥筒相連(見圖1)。設置污泥筒的作用:一是回流顆粒污泥，以維持外筒的污泥量和對內筒的污泥進行再生，二是排放剩余污泥。對比以往的生物造粒流化床，該工藝具有一個體積為內筒2倍的曝氣外筒，外筒的一周布置著6個曝氣盤，能提供足夠的溶解氧。這樣大的外筒容積非常有利于內筒顆粒污泥的活性再生，同時外筒對進水有一定的降解作用，可以稀釋進水，利于PAC與PAM投加量的穩定，而不受原水水質波動的影響，因此該工藝對水質、水量的波動具有很強的適應能力。此外，由于處理流程中不設初沉池，排水管網中的細菌能夠不斷地補充到反應器內，不斷更新反應器內微生物，并保持一定濃度的生物量，因此污泥具有較高的活性并節省了占地的費用。

圖1 生物造粒流化床系統

圖2 生物造粒流化床俯視圖

1.2 原水水質

中試系統進水為西安思源學院的生活污水，主要就是學院的學生與教師教學和生活中產生的污水，因此學生和教師的用水情況對污水水質和水量的影響很大。由于思源學院處于白鹿原大學城，在白鹿原上分布了很多民辦院校，各學校輪流放假，思源學院的休息日是周日與周一，這兩天用水量最小。根據長期的監測情況，各項污水指標的平均值見表1。

表1 原水水質

1.3 運行條件

流化床進水量 5 m3/h，外筒水力停留時間HRT1=2.6 h，內筒水力停留時間HRT2=1.16 h，總水力停留時間HRT=3.76 h。外筒好氧區的污泥濃度為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，因此外筒的硝化進程很高，氨氮的去除率高達 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%。內筒主要是混凝造粒區，攪拌槳選擇上，放棄以往的槳板式，采用螺旋式槳葉，連續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，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。最佳投藥量根據混凝燒杯試驗并結合實際過程的調整來確定，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1 200萬的陽離子型，穩定運行其投藥量在7 mg/L左右。投藥設備選用的是Miton Roy的電磁驅動隔膜計量泵與GM系列的機械隔膜計量泵。

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 處理效果評價

2.1 COD的去除

對生物造粒流化床的進出水進行長期觀察與測定，圖3是進出水COD的含量比較。可以看出，COD的去除效果很好，達到了出水一級A標準，基本都在20 mg/L左右，最大值為25 mg/L，可見生物造粒流化床對懸浮物有很好的混凝吸附作用，同時外筒的曝氣又使其能對溶解性有機物和吸附的有機物有良好降解作用。

圖3 進出水COD的含量比較

2.2 TP的去除

圖4是進出水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，能達到出水一級A標準。PAC中金屬Al3+形成的低溶解性金屬羥基絡合物，可通過化學沉淀將磷去除;另外一部分磷可能被聚磷菌攝取［9］。

圖4 進出水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90%以上，硝化進程很高，這得益于外筒的曝氣作用以及內筒的混凝吸附。這是以往的流化床所沒有達到的一個程度。圖6是TN的去除情況，出水的 TN基本在20 mg/L以下，能達到出水一級B標準。由于外筒的高硝化程度，在內筒缺氧的條件下促進了反硝化的進程，使其具有較高的脫氮效果。

圖5 進出水NH+4-N的含量比較

圖6 進出水TN的含量比較

2.4 出水水質評價

根據上述監測的數據，除了TN未達到城鎮污水處理廠污染物排放一級A標準，其余各項指標均已達標，符合中水回用的標準，且出水TN也能達到一級B標準。可見，生物造粒流化床污水處理裝置有很好的處理效果，如果對TN的要求不高的話，完全可以作為中水進行回用。

表2 出水水質與城鎮污水處理廠污染物排放標準

2.5 經濟分析

本中試裝置處理的污水量是5 m3/h，規模小，主要的消耗是電費和藥劑費，電費是0.42元/m3，藥劑費是0.36元/m3，總運行費用共計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，基建費用也很少;另一方面，因為其本身排放的剩余污泥就是經過混凝脫水的，所以無需設污泥脫水裝置，節約大量開支。按照污水處理廠的運行規律來說，規模越小，單位污水的處理費用就越高，因此如果將此裝置規模化，那么在降低中小型污水處理廠運行費用上應該會有較強的優勢［13-14］。對于比較分散的中小城市(鎮)、廣大農村及偏遠地區，常規的污水處理工藝和集中式污水處理技術明顯不合適，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器內短時間完成，相比其它工藝具有占地面積小，投資低和運行靈活方便，操作簡單，對操作人員素質與設備要求低的特點，非常適合用于分散式污水處理［15-16］。

3 結語

(1)該生物造粒流化床在構造上增加了一個外筒(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、水量波動的能力。

(2)該生物造粒流化床對思源學院的生活污水中的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，能達到出水一級B標準。

(3)該生物造粒流化床處理每立方水的運行成本是0.78元，在規模化后在中小型污水處理項目中具有較高的優勢，同時該工藝占地少，投資低，運行靈活方便，操作簡單，對操作人員素質與設備要求低，特別適合于分散式污水處理。

［1］王曉昌.造粒型高效固液分離技術用于電廠廢水再生的試驗研究［J］.給水排水，2001，27(8):39-41.

［2］黃廷林，解岳，叢海兵，等.水廠生產廢水結團凝聚處理的中試試驗研究［J］.給水排水，2003，29(3):9-12.

［3］黃廷林，張剛，聶小寶，等.造粒流化床濃縮技術處理給水廠排泥水的中試研究［J］.給水排水，2005，31(11):10-14.

［4］黃廷林，張剛，聶小寶，等.造粒流化床濃縮技術處理給水廠排泥水的中試研究［J］.給水排水，2005，31(11):10-14.

［5］黃廷林，張剛，等.造粒流化床工藝在南山煤礦礦井水凈化處理工程中的應用［J］.給水排水，2010，36(7):62-66.

［6］袁宏林，劉永軍，王曉昌，等.物化/生化集成的生物造粒流化床處理污水技術［J］.中國給水排水，2008，24(12): 16-21.

［7］袁宏林，劉永軍，王曉昌，等.生物造粒流化床污水處理反應器中微生物生長比較分析［J］.環境科學學報，2007，27(6):973-978.

［8］劉永軍，袁宏林，王曉昌，等.生物造粒流化床污水處理反應器中微生物的分布特征［J］.生態科學，2007，26 (1):75-78.

［9］占天剛，王曉昌，袁宏林，等.生物造粒流化床脫氮除磷研究［J］.水處理技術，2007，33(3):20-21.

［10］王曉昌，丹保憲仁.絮凝體形態學和密度的探討(Ⅰ)——從絮凝體分形構造談起［J］.環境科學學報，2000，20(3):257-263.

［11］王曉昌，丹保憲仁.絮凝體形態學和密度的探討(Ⅱ)——致密型絮凝體形成操作模式［J］.環境科學學報，2000，20(4):385-390.

［12］WANG XC，LI ZH，WANG Z，et al.Effectiveness of fluidized pellet bed for removing soluble contaminants［J］.Environmental Science，2009，21:13-17.

［13］褚俊英，陳吉寧，等.城市污水廠的規模與效率研究［J］.中國給水排水，2004，20(5):35-38.

［14］劉杰，鄭西來，高超，等.城鎮污水處理廠用地、運行及建設費用研究［J］.環境工程學報，2010，4(11):22-26.

［15］賀墨梅，劉焱.污水集中式與分散式處理技術的比較研究［J］.西南給排水，2006，，28(4):20-23.

［16］全向春，楊志峰，等.生活污水分散處理技術的應用現狀［J］.中國給水排水，2005，21(4):24-27.