剩余污泥回流至水解池對(duì)污泥減量效果及其機(jī)理的研究

＊蔣建勇 張虎

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

近年來(lái)關(guān)于污泥減量的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了很多方面的研究。目前對(duì)于污泥減量化技術(shù)主要是從以下幾個(gè)機(jī)理開(kāi)展的：生物捕食理論、隱性生長(zhǎng)理論以及能量解耦聯(lián)理論[1]。而基于各種機(jī)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(zhǎng)理論的超聲波技術(shù)[2]和臭氧氧化技術(shù)；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(shí)驗(yàn)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(shì)，將水解反硝化工藝調(diào)節(jié)成OSA工藝的相近模式，在實(shí)現(xiàn)良好的脫氮除磷效果的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)污泥減量。

1.材料與方法

(1)實(shí)驗(yàn)水質(zhì)

本實(shí)驗(yàn)中進(jìn)水取自南方某市水處理廠沉砂池出口處，進(jìn)水流量為5m3·h-1，整體看來(lái)不同的時(shí)間段進(jìn)水水質(zhì)不同，進(jìn)水波動(dòng)比較大，進(jìn)水水質(zhì)如表1所示。

表1 進(jìn)水水質(zhì)表

(2)測(cè)試方法

實(shí)驗(yàn)中對(duì)顆粒污泥特性、微生物相的具體測(cè)定方法及測(cè)定儀器如表2所示。

表2 測(cè)試方法

(3)實(shí)驗(yàn)工藝流程

有污泥回流和無(wú)污泥回流的系統(tǒng)工藝流程圖分別如圖1，廢水首先進(jìn)入進(jìn)水箱，進(jìn)水流量為5m3·h-1，經(jīng)過(guò)篩網(wǎng)過(guò)濾后去除出廢水中比較大的懸浮物，然后在進(jìn)水泵的作用下通過(guò)水解池底部的布水器均勻進(jìn)入水解酸化池中，然后依次流入氧化溝內(nèi)溝、外溝，經(jīng)過(guò)厭氧釋磷好氧吸磷、好氧硝化等過(guò)程后，進(jìn)入二沉池進(jìn)行泥水分離，廢水經(jīng)過(guò)一系列處理后進(jìn)行外排。本次實(shí)驗(yàn)中包含三個(gè)回流系統(tǒng)，一是剩余污泥回流到氧化溝內(nèi)溝（即厭氧區(qū)），污泥回流比為100%，用來(lái)補(bǔ)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(yīng)池中，硝化液回流比為150%，進(jìn)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(jìn)水混合后一起進(jìn)入水解池。

圖1 系統(tǒng)工藝流程圖

(4)實(shí)驗(yàn)方法

①對(duì)污泥減量效果的研究

對(duì)有污泥回流和無(wú)污泥回流兩水解酸化反應(yīng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后兩個(gè)月的污泥減量效果進(jìn)行測(cè)定對(duì)比。兩系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)均為進(jìn)水5m3·h-1，平均排泥體積200L。穩(wěn)定運(yùn)行兩個(gè)月后，兩系統(tǒng)的排泥情況如表3和表4所示。在本實(shí)驗(yàn)中采用污泥表觀產(chǎn)率來(lái)表征水解池中有無(wú)污泥回流工況下對(duì)污泥減量效果的差異。

表3 無(wú)污泥回流時(shí)系統(tǒng)排泥數(shù)據(jù)

表4 有污泥回流時(shí)系統(tǒng)排泥數(shù)據(jù)

②對(duì)污泥減量機(jī)理的研究

水解池采用的是改造的上流式污泥床反應(yīng)器。根據(jù)水解、產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷細(xì)菌的生長(zhǎng)速度不同，水解酸化工藝其實(shí)是通過(guò)控制系統(tǒng)的水力停留時(shí)間，來(lái)淘汰水解酸化池中的產(chǎn)甲烷細(xì)菌。培養(yǎng)成熟的水解池污泥為外觀為黑色，結(jié)構(gòu)密實(shí)的厭氧顆粒污泥。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)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(zhì)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(kāi)，沉降30min，之后測(cè)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(dāng)污泥回流后，水解池中污泥顆粒變小，同時(shí)在水解池的中層出現(xiàn)顆粒污泥。

實(shí)驗(yàn)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(zhì)量比、顆粒污泥的表觀特征對(duì)比、顆粒污泥粒徑分布的對(duì)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(jié)果。

2.結(jié)果與討論

(1)污泥表觀產(chǎn)率對(duì)比

在本實(shí)驗(yàn)中采用污泥表觀產(chǎn)率來(lái)表征水解池中有無(wú)污泥回流工況下對(duì)污泥減量效果的差異。其中污泥表觀產(chǎn)率的計(jì)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(jìn)出水平均COD值（mg·L-1）；Qd為系統(tǒng)進(jìn)水水量（2m3·h-1、t·d-1）；Td為系統(tǒng)每天總共持續(xù)進(jìn)水時(shí)間（24h）。

由表3和表4可以看出無(wú)污泥回流的系統(tǒng)，穩(wěn)定運(yùn)行的兩個(gè)月內(nèi)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(yùn)行的兩個(gè)月內(nèi)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(jì)算，水解池?zé)o污泥回流的系統(tǒng)，兩個(gè)月穩(wěn)定運(yùn)行中排泥總量為226.03kg（干重），表觀污泥產(chǎn)率Yobs1為0.306gMLSS/gCOD；水解池有污泥回流的系統(tǒng)，兩個(gè)月穩(wěn)定運(yùn)行中排泥總量為137.6kg（干重），表觀污泥產(chǎn)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(méi)有污泥回流的情況。同時(shí)，經(jīng)計(jì)算可得，有污泥回流的系統(tǒng)污泥較無(wú)污泥回流的系統(tǒng)可實(shí)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(zhì)

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(zhì)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(zhì)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(jìn)了水解池中顆粒污泥的生長(zhǎng)。

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(zhì)量比

(3)污泥回流前后顆粒污泥的表觀特征對(duì)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(duì)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(duì)比

在本次研究中采用濕示篩分法來(lái)對(duì)污泥回流至水解池前后顆粒污泥粒徑分布情況進(jìn)行測(cè)定，濕式篩分法是最常用的粒徑測(cè)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(jí)粒徑從小到大分別占總質(zhì)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(jí)粒徑從小到大分別占總質(zhì)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(jiàn)，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(xí)慣用MLVSS來(lái)表示污泥中有機(jī)物質(zhì)的含量，而用MLVSS/MLSS的值來(lái)反應(yīng)污泥中微生物含量所占的比重，進(jìn)而對(duì)污泥的生物處理能力進(jìn)行衡量，從而反應(yīng)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(shuō)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(wú)機(jī)鹽類就較多，又受傳質(zhì)作用的限制[12]，導(dǎo)致顆粒污泥內(nèi)部細(xì)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(jié)果

用光學(xué)顯微鏡對(duì)水解池中顆粒總體形態(tài)和生物相進(jìn)行觀察（40倍），如圖5所示。

圖5 顆粒污泥鏡檢結(jié)果

從圖中可以看出，左圖為污泥的外部結(jié)構(gòu)，顆粒污泥呈球形；右圖為污泥內(nèi)部結(jié)構(gòu)，空隙較大，可用于為有機(jī)物的吸附和降解。顆粒污泥絮體內(nèi)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(jié)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(kāi)始出現(xiàn)長(zhǎng)桿菌和絲狀菌。同時(shí)對(duì)顆粒污泥進(jìn)行鏡檢，結(jié)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(jié)果

3.結(jié)論

（1）水解酸化-微孔曝氣氧化溝組合工藝增設(shè)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(shí)現(xiàn)39%的污泥減量效果。

（2）同時(shí)對(duì)污泥回流前后水解池中污泥濃度進(jìn)行測(cè)量，可以看出兩系統(tǒng)各自穩(wěn)定運(yùn)行后，水解池中污泥平均濃度有所增加，但是相對(duì)于每日從二沉池回流的污泥量來(lái)說(shuō)水解池中污泥增加的量要小很多。總的來(lái)說(shuō)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(shí)現(xiàn)剩余污泥的減量化。

（3）對(duì)污泥回流前后的水解池中的顆粒污泥的特性進(jìn)行了研究，分析了兩系統(tǒng)中顆粒污泥的差異以及原因。結(jié)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(zhǎng)，表現(xiàn)在顆粒污泥的質(zhì)量和體積的增加。

②通過(guò)對(duì)回流前后的顆粒污泥的外觀形態(tài)和粒徑進(jìn)行分析測(cè)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w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(shí)驗(yàn)中測(cè)定了回流前后的水解池中顆粒污泥的MLVSS/MLSS的比值，來(lái)表征污泥的活性的變化。由實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)驗(yàn)中通過(guò)光學(xué)顯微鏡對(duì)顆粒污泥的微觀形態(tài)進(jìn)行了研究，從圖中可以看出，污泥的外部結(jié)構(gòu)，顆粒污泥呈球形；污泥內(nèi)部結(jié)構(gòu)，空隙較大，可用于為有機(jī)物的吸附和降解。顆粒污泥絮體內(nèi)部排列比較緊密。同時(shí)分別對(duì)水解池中上、中、下三層的污泥進(jìn)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(kāi)始出現(xiàn)長(zhǎng)桿菌和絲狀菌。