好氧顆粒污泥的連續化研究進展

聞香蘭，但昭和

（1 江蘇瑞鼎環境工程有限公司，江蘇 宜興 214266；2 江蘇津宜水工業裝備有限公司，江蘇 宜興 214266）

好氧顆粒污泥是微生物在特定的環境下自發凝聚、增殖而形成的顆粒狀生物聚合體，具有許多普通活性污泥難以比擬的優點[1]，如規則的形狀、致密的結構、良好的沉降性能、高生物停留時間、多重生物功效（有機物降解、同步脫氮除磷等）、高耐毒性、相對較低的剩余污泥產量、耐沖擊負荷等。得益于這些優點，好氧顆粒污泥已成為廢水處理領域的研究熱點，并被認為是極具發展前景的廢水生物處理技術。雖然好氧顆粒污泥首先在連續流反應器（好氧上流式污泥床，AUSB）中被發現[2]，但后續研究[3-5]表明，序批式活性污泥工藝（SBR）更加適合好氧顆粒污泥的形成及特性保持。截止到目前為止，好氧顆粒污泥的絕大部分研究成果都來自于SBR。而事實也證明，序批式好氧顆粒污泥反應器（AGSBR）內理想的推流環境、可調控的污泥篩選機制、較大的水力剪切力等都為好氧顆粒污泥的形成創造了必要條件[6-7]。相比之下，連續流反應器內較低的傳質推動力、較弱的污泥篩選機制等不僅難以形成好氧顆粒污泥，亦對好氧顆粒污泥的穩定性構成了威脅，這也是為什么運行了百年之久的傳統活性污泥法中從未發現有好氧顆粒污泥的原因。

通常，SBR 比較適合于小水量廢水的處理，也不易與其他連續運行構筑物串聯，因而極大地限制了該類技術的應用與推廣。相比之下，連續流反應器是污水處理領域中廣泛采用的形式，具有靈活、運行簡便、設備利用率高等優點。因此，好氧顆粒污泥的連續化一直是許多科研工作者不斷追求的目標。為推進技術的發展，陸續出現了一些連續流好氧顆粒污泥反應器（CFAGR）的報道[8-31]，它們的出現豐富了好氧顆粒污泥反應器的形式，對于技術的發展具有一定積極意義。然而，由于所取得的研究成果極其有限，這些反應器的可靠性尚需經歷長期穩定運行的檢驗。畢竟，SBR 中的大量研究[4-5]表明，長期運行的好氧顆粒污泥容易失穩，甚至出現解體現象，這也是好氧顆粒污泥大規模工程化應用遇到的最大瓶頸。針對這一窘境，本文通過總結現有的CFAGR 的研究進展，分析這些反應器的特點與不足，為好氧顆粒污泥反應器的連續化運行提供理論支持。

1 CFAGR 的形式

由于好氧顆?；臋C理仍不明了，缺乏理論指導下的各種CFAGR 的構型千差萬別。但無論何種構型的CFAGR，都涉及到泥水分離問題。AGSBR利用靜態沉淀過程可對不同沉降性能的污泥進行篩選，而沉降時間被認為是促進好氧顆粒污泥形成最重要的選擇壓[6-7]。然而，CFAGR 并不存在這一過程，要實現泥水分離及選擇性排泥只能依靠泥水分離器。因此，下文以泥水分離機制為分類標準，對現有CFAGR 進行總結。

1.1 沉淀區重力沉降分離

這類反應器有的設置了單獨的二沉池，利用污泥沉降性能的差異實現選擇性排泥，并有污泥回流系統。張巖等[8]研究了泳動床/好氧顆粒污泥系統[圖1(a)]對實際生活污水的處理效果，泳動床/好氧顆粒污泥反應器及沉淀池有效體積分別為55.6L 及60L，泳動床內填充了Biofringe 生物載體，從生物載體上脫落的生物膜作為好氧顆粒污泥形成的誘導核，但這種依靠載體而形成的生物膜能否歸類為好氧顆粒污泥值得商榷。魯文娟等[9]研究了連續流傳統活性污泥系統[圖1(b)]中好氧顆粒污泥的培養，曝氣池及沉淀池有效容積分別為18L 及4.5L。另外，也有只設置了沉降區或污泥排放管的連續流完全混合反應器（無污泥回流裝置，CSTR）[10-14]。李媛等[10]所用的合建式CSTR 反應器[圖1(c)]曝氣區與沉淀區的有效容積分別為1.7L 和0.6L，曝氣區與沉淀區之間設有可調污泥回流縫，以便根據需要調節和控制污泥回流量。而Morales 等[14]設計的CSTR[圖1(d)，有效容積為6L]采用排泥管進行污泥篩選，該排泥管一半淹沒在水中，管中上升流速控制為10m/h。雖然采用二沉池來進行泥水分離簡便易行，但好氧顆粒污泥的沉降速度（一般在25～70m/h 之間）要明顯大于活性污泥（通常小于10m/h），設計者們是如何控制表面水力負荷及剩余污泥的排放量來實現污泥篩選尚不得而知。但可以肯定的是，若直接引用活性污泥工藝中二沉池的設計參數顯然欠妥。因此，究竟多大的表面水力負荷適用于好氧顆粒污泥的篩選與穩定性維持尚需系統論證。

圖1 利用沉淀區進行泥水分離的CFAGR[8-14]

1.2 三相分離器分離

利用三相分離器來進行氣、液、固分離是目前采用較多的形式。這類反應器通常采用柱狀結構，在反應器的上部設有三相分離器。三相分離器的構型雖各有差異，但幾乎都借鑒了UASB 三相分離器的設計思想。田永生等[15-16]研究了上流式好氧顆粒污泥床反應器[圖2(a)]中好氧顆粒污泥的培養及對實際廢水的處理效果，該反應器為圓柱形，包括曝氣區（總容積13.7L）和沉淀區（總容積2.6L）。周丹丹等[17-22]在連續流氣提式流化床[圖2(b)，有效容積5.6L、8.4L]中開展了好氧顆粒污泥的培養、脫氮、處理實際廢水等研究，該反應器包括3 個部分，即升流區、降流區及三相分離器。在結構相似的反應器中，Jemaat 等[23-24]研究了連續流氣升式反應器[圖2(c)]中好氧顆粒污泥對硝基酚、甲酚的去除效果，而Wan 等[25]研究了HRT 對短程硝化效果的影響，他們所用反應器的有效體積分別為2.6L 及2.3L。Jin 等[26]利用無機碳源基質[碳源和氮源分別為NaHCO3及(NH4)2SO4]在連續流氣升式反應器內進行硝化顆粒污泥的培養，并研究了反應器在高進水氨氮下（70～1100mg/L）的硝化性能，該反應器[圖2(d)，有效容積9.2L]包括4 個部分，即上升管、下降管、空氣分離器及沉淀區，采用堰式出水。一體化三相分離器無疑是最高效、簡便的泥水分離方式，但卻會增大設計難度。Long 等[27]研究了循環式好氧顆粒污泥反應器[圖2(e)]對有機負荷的耐受力，該系統包括兩根相同的單體反應器（單柱有效體積12.1L），運行方式類似于雙池型LUCASS 工藝，采用“斜管+擋板沉淀池”進行泥水分離。其中，擋板沉淀池內設有可升降的擋流板，通過控制擋板的插深可創造不同的水力選擇壓，這種新穎的設計為高效三相分離器的設計提供了一種新思路。雖然UASB 的三相分離器為其他分離器的設計提供了一些理論基礎，但好氧顆粒污泥反應器內劇烈的氣流擾動及選擇性排泥對傳統三相分離器提出了更高的要求。究竟何種形式的三相分離器能滿足好氧顆粒污泥的形成及穩定性維持要求尚需系統論證。

圖2 利用三相分離器進行泥水分離的CFAGR[15-27]

1.3 篩網過濾分離

這類反應器通過濾網來進行污泥篩選，大于該孔徑的顆粒被截留并返回主反應區，而透過的絮體則排出反應器。Liu 等[28]研究了連續流自生動態膜反應器[圖3(a)，CGSFDMBR]中好氧顆粒污泥的穩定性，該反應器由4 個部分組成，即SBAR 池（有效容積28.8L）、沉淀池（有效容積6L）、動態膜生物池（有效容積24L）及污泥選擇池（有效容積10L）。其中，污泥選擇池中濾網孔徑為0.6 mm，每天只對部分混合液進行一次篩泥。另外，Liu 等[29]還嘗試了在傳統好氧顆粒污泥反應器[圖3(b)]內進行好氧顆粒污泥的培養，該系統包括一根柱狀反應器（有效容積7.5L）及一個污泥選擇池，根據好氧顆?；倪M程，污泥選擇池中的篩網孔徑由0.1mm 增大至1.0mm，截留顆粒污泥由污泥泵連續回流至柱狀反應器內。這種泥水分離方式具有較高的篩分效率， 但運行、控制非常繁瑣，且極易堵塞。

圖3 利用篩網進行泥水分離的CFAGR[28-29]

1.4 膜分離

這類反應器均采用膜組件進行泥水分離，膜組件的類型有聚偏氟乙烯（PVDF）中空纖維膜（膜孔徑0.4μm）、聚乙烯中空纖維膜（膜孔徑0.4μm）、聚丙烯膜（膜孔徑0.1μm）等，反應器的運行方式類似于膜生物反應器（MBR），但根據膜組件的安裝方式可分為合建式及分建式（生化反應區與膜組件隔開）。為延緩膜污染，膜組件下方均設有可提供高強度曝氣量的曝氣管。邱光磊等[30]研究了MBR中好氧顆粒污泥形成的機制，所使用的MBR[圖4(a)]有效容積60L，其間由穿孔板分為主反應區和膜分離區，主反應區和膜分離區體積比為4∶1。而劉愛萍等[31]使用的MBR[圖4(b)]被隔板分成了膜區（27L）和導流區（17L），導流區內設有導流筒，結構類似于SBAR。Juang 等[32]研究了長期運行的MBR 中好氧顆粒污泥的穩定性，該MBR 為柱狀型（高120cm，直徑6cm）、膜組件安裝在空氣擴散器上。由于膜組件的良好截留效果，這些MBR 運行過程中幾乎沒有污泥排放，理論上污泥的SRT 可以無限延長，這種沒有污泥篩選過程即可形成好氧顆粒污泥的現象明顯不同于其他幾類CFAGR，具體的形成機理尚缺乏有力的論據支撐。另外，不斷老化的污泥能否維持好氧顆粒污泥長期穩定性亦值得深思。

圖4 利用膜組件進行泥水分離的CFAGR[30-31]

2 現有研究的不足

2.1 缺乏對污泥篩選效果的系統研究

好氧顆粒污泥的形成及穩定性維持是一個解體與顆?；膭討B平衡過程，涉及到污泥的篩選與淘汰?？墒?，目前還極少有研究定性或定量地探索了泥水分離裝置對不同粒徑或不同沉降性能的污泥的截留或透過效果。Long 等[27]將粒徑大于0.3mm 的生物體視為好氧顆粒污泥，通過批次試驗研究了不同工況下（擋板插深、HRT 及曝氣量組合）三相分離器對污泥的篩分效果，發現正常工況下反應器對好氧顆粒污泥的截留效率可保持在98.6%以上，表明絕大多數的好氧顆粒污泥可被截留在反應器內。然而，對于目前繁多的三相分離器形式，設計者們很少會介紹它們的設計依據、計算過程，對于泥水分離效果，如總截留效率、分級截留效率等甚至只字不提，因而難以評價這些泥水分離器的可靠性。

2.2 缺乏對反應器內水力學流態的研究

反應器內的水力學流態不僅會影響微生物的聚集形態，亦會影響傳質效果及生化反應。研究表 明[6-7]，AGSBR 中時間上的推流及空間上的完全混合流態不僅有利于微生物之間的相互凝聚，亦可有效抑制絲狀菌的過度生長。雖然連續流反應器中亦有推流式反應器，但受長寬比限制，難以提供好氧顆粒污泥形成所需的高剪切力。大量研究表明，推流式反應器似乎更適合好氧顆粒污泥的形成及穩定性維持，而完全混合反應器內較低的傳質推動力極易造成絲狀菌過度生長而導致好氧顆粒污泥失 穩[33]。需要指出的是，通過無機碳源培養出的硝化顆粒污泥在連續流反應器內往往可以表現出較好的穩定性，這些反應器通常采用較長的HRT，內部近似呈完全混合流態。因此，究竟何種流態反應器更適合好氧顆粒污泥的形成及穩定運行尚需系統研究。然而，目前極少有研究探索了不同工況下CFAGR 中的水力學流態以及流態對好氧顆?；昂醚躅w粒污泥穩定性的影響。

2.3 缺乏長期穩定運行的數據支撐

在大量實驗的基礎上，好氧顆粒污泥已在培養、顆粒特性、生物相、污染物去除等方面積累了大量積極成果[1-5]。另外，國外的一些科研機構已將好氧顆粒污泥實現了小范圍的工程化應用（運行數據至今未公開），但這些反應器無一例外地都采用了類似于SBR 的間歇式運行模式。相比之下，好氧顆粒污泥連續化的研究成果還極其有限，且反應器構型相差極大，不僅缺乏系統論證，亦不利于試驗結果的重復。大部分研究者們都傾向于證明好氧顆粒污泥能在他們的連續流反應器內形成并具有較好的污染物去除效果，或在較短的時期內可以維持穩定，但卻常常缺少運行過程中好氧顆粒污泥各項理化特性的數據支撐。另外，由于目前尚沒有公認的評價好氧顆粒污泥培養成功的定量標準，許多CFAGR 中好氧顆粒污泥能否占絕對優勢仍值得商榷。畢竟，研究表明好氧顆粒污泥的形成及穩定運行需要較高的水力選擇壓，否則好氧顆粒污泥難以占據絕對 優勢[34]。

3 結語與建議

由于研究成果極其有限，好氧顆粒污泥的連續化還有許多問題需要解決。究竟何種形式的連續流反應器形式適合于好氧顆粒污泥的培養及穩定運行仍需不斷探索與論證，對于CFAGR 的研發提出以下建議。

（1）好氧顆粒污泥的連續化應立足于AGSBR中已取得的研究成果，如好氧顆粒污泥形成的影響因素、顆?；瘷C理等，在系統分析兩類反應器的差異的基礎上，積極創造適合好氧顆粒污泥存在的反應器形式。

（2）SBR 的變形工藝中已有成熟的并應用于實踐的半連續流及連續流反應器，如 CASS、LUCASS、UNITANK 等，它們的運行方式可為CFAGR 的設計開辟一條新的思路，另外，可大量吸收現有成熟污水處理工藝的經驗與教訓，如工程上廣泛采用的抑制絲狀菌過度生長的生物選擇器、可降低能耗的淺池曝氣等。

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