好氧顆粒污泥反應器的研究進展

劉孟媛

（包頭市環境在線監控中心 內蒙古包頭 014060）

引言

好氧顆粒污泥的形成是在好氧條件下微生物細胞發生自固定化的結果。好氧顆粒污泥工藝是一項具有較廣闊應用前景的污水生物處理技術，截止目前只有短短二十年的發展經歷。關于好氧顆粒污泥的研究報道多是在序批式活性污泥反應器SBR及其變形工藝中開展的[1-4]，近些年有學者開始嘗試好氧顆粒污泥連續流工藝。

1 好氧顆粒污泥反應器的結構、性質和應用

1.1 間歇式好氧顆粒污泥反應器

序批式反應器（sequencing batch reactors,SBR）中獨特的運行方式為好氧顆粒污泥的形成創造了有利條件[1,5-7]。SBR工藝（如圖1）的循環操作過程包括進水、曝氣、沉淀和排水4個階段。其中，曝氣起到供氧和促進泥水混合的作用。在曝氣階段，營養底物將出現從豐富到匱乏的變化過程，而微生物則先后經歷對數增長期和穩定增長期。在SBR反應器中，通過調整氧氣供應量和貧-富營養交替的時間能夠增加形成顆粒的數量、尺寸和穩定性能，這種變化不利于絲狀菌生長繁殖，可以有效的抑制絲狀菌型污泥膨脹。通過控制較短的沉降時間，可使懸浮絮體和絲狀菌將被洗出，沉降性好的絮體顆粒被保留在裝置中，增進好氧顆粒顆粒化進程。

Beun等人[8]在SBAR中成功培養出好氧顆粒并保證該裝置穩定運行。SBAR（sequencing batch airlift reactor）反應器（見圖 2）屬于SBR反應器的改良工藝，它是在SBR的生物反應區設置了氣提筒，以使內外筒間形成循環流動。較高的液體循環流速既增大流體剪切力，又增強氣、液相的傳質作用。其研究證實：利用污水廠活性污泥極易快速啟動運行SBAR工藝，顆粒在接種后一周內即可快速形成，一個月后達到穩態。通過觀察顆粒表面光滑，平均粒徑在2.5 mm，營養基質可以深入到顆粒表面以下500 μm處，最大生物質濃度達到60 g VSS·L-1，裝置穩定運行約140天。可見，SBAR具備優異的傳質能力和一定抗擾動能力，顆粒形成速度快。

雖然大量研究證實在序批式反應器中好氧顆粒污泥可以進行成功培育，但是需要通過改變SBR反應器的運行條件促進顆粒形成，例如：選擇壓、循環時間、污染物濃度變化周期和剪切力等。除此之外，間歇式污水處理工藝需要設置自控系統，不但操作復雜，而且成本較高。與SBR及其變形工藝相比，穩態連續流反應器具有安裝成本低，易于操作、維護和控制等優點，是目前一種較為理想的污水生物處理工藝，關于連續流污泥顆粒化可行性的研究還在繼續中。

1.2 連續流好氧顆粒污泥反應器

圖1 SBR裝置圖

圖2 SBAR裝置圖

關于實現好氧顆粒污泥連續流工藝運行的報道，最早可以追溯到發現好氧顆粒污泥的時期。Shin等人[9]對好氧顆粒污泥的升流式污泥床反應器（aerobic upflow sludge bed,AUSB）裝置工藝性能和顆粒自固定化過程進行具體探討。AUSB（如圖3）主要由固、液兩相的生物反應器和單獨外接純氧曝氣裝置兩部分構成，待處理和回流的污水在曝氣裝置中與純氧進行充分混合后，富含飽和溶解氧的污水經水泵進入升流式污泥床中，由形成的顆粒污泥進行生物降解。生物反應器中設有攪拌裝置以促進污泥流化床中的泥水完全混合并提供一定的剪切作用促進顆粒快速形成。研究結果表明：在適宜的攪拌速度下，AUSB裝置啟動運行5天后出現顆粒，平均粒徑達到0.5~2.5 mm，高剪切力條件下生成的顆粒更平滑，污水COD處理效率和生物量更優異。AUSB作為第一代連續流裝置，真正實現了持續進水，充足的氧氣、較高的剪切力可以抑制絲狀菌過度生長，同時進水和曝氣兩相分離有效避免污泥流失問題。但是由于其工藝至少需要兩個單體同時運行，并且需要純氧供給保證，存在建設、運行成本較高等缺陷。

圖3 AUSB裝置圖

圖4 改進型連續流好氧顆粒污泥工藝裝置圖

圖5 CAFB裝置圖

2010年，Juang等人[10]通過將SBR培養形成的好氧顆粒污泥作為種泥接入到一個底部安裝聚乙烯纖維膜的連續流裝置中，實現了好氧顆粒污泥工藝的連續流長期穩態運行。在200多天的運行中，該連續流好氧顆粒膜生物生物反應器（the aerobic granule membrane bioreactor，AGMBR）能夠長期維持顆粒穩定性，保持較高的生物濃度和較好的COD降解效率，但是該裝置能否在接種活性絮狀污泥的情況下形成好氧顆粒污泥并保持穩定運行尚未得到證實。

Zhou等人[11]在SBR工藝基礎上進行改良，分離出三個單體確保裝置連續流運行，最終實現好氧污泥顆粒化（4）。該裝置依次連通的三個完全相同的圓柱中只有中間柱持續曝氣，剩余兩個交替曝氣和沉降反應，省去污泥回流步驟并保證工藝連續進水、連續出水。裝置運行40天后，形成了平均粒徑大于1 mm顆粒，雖然顆粒結構疏松，表面不光滑，具有易于沉降、污水處理效率高等優勢。在該連續流裝置中依然可以通過改變貧-富營養期、顆粒破碎、剪切力和選擇壓等參數實現控制。但是，由于工藝需要設置多個單體交替運行，操控和流程復雜，不適用于工程實際。此外，由于反應器過低的氣速和高徑比致使反應裝置剪切作用不顯著、循環作用減弱和部分區域渦流作用占主導，最終出現顆粒破碎、污泥膨脹。

隨后，周丹丹等人[12]發明新型連續流氣提式好氧顆粒污泥流化床（continuous airlift fluidized bed，CAFB）（圖 5），短期內快速培育出好氧顆粒，且對于高有機負荷的廢水處理效率較好。CAFB在接入活性污泥運行4~5天后，即出現大量好氧顆粒污泥，平均粒徑為800~1000μm。當有機負荷達到8 kg COD/(m3·d)和13 kg COD/(m3·d)時，COD去除效率仍能達到93%~97%。究其原因，CAFB裝置內設氣提區，由于密度差作用做規則內循環流動，從而產生持續的液相剪切力強化顆粒聚集，強化氣、液、固傳質作用，促進了蛋白質和多糖等物質的分泌，增加疏水性，促進好氧顆粒污泥的形成。加之，特有的三相分離區有效避免污泥流失。該裝置為連續流完全混合式反應器，其特殊的工況條件基本忽略選擇壓、污染物濃度變化周期和循環時間等要素對污泥聚集的影響，有利于顆粒污泥快速形成且對于高濃度廢水處理效率更佳。

結語

目前，連續流處理廢水工藝仍是我國絕大多數污水處理工藝所選擇的運行方式。這是因為與SBR及其變形工藝相比，連續流處理工藝具有安裝成本低、運行方式靈活、易于操控維護等優點，無需SBR高昂的自控裝置費用。近年來，雖然開始出現部分研究探討了連續流好氧顆粒污泥反應器的設計運行，仍存在結構運行復雜、污泥流失、污泥膨脹等突出問題，想要應用實際工程還需要進一步探索。