我國(guó)南方地區(qū)由于雨水和管網(wǎng)等因素導(dǎo)致城市污水的低碳源以及碳氮磷比例失調(diào)等問(wèn)題，一直困擾著許多城鎮(zhèn)污水廠的正常運(yùn)行，由于工藝系統(tǒng)長(zhǎng)期在低有機(jī)負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行，無(wú)法為微生物提供足夠的養(yǎng)分，降低微生物活性，加劇了氮磷同時(shí)高效穩(wěn)定去除的難度，易造成出水水質(zhì)不達(dá)標(biāo)和能源的浪費(fèi)。如何合理地利用廢水中的有機(jī)碳源是解決生物脫氮除磷工藝處理低濃度廢水的關(guān)鍵所在。傳統(tǒng)生物除氮脫磷工藝多為單一污泥(single sludge)懸浮生長(zhǎng)系統(tǒng)，即利用同一混合微生物種群完成有機(jī)物氧化、硝化、反硝化和生物除磷。其多種處理功能的高度關(guān)聯(lián)性增大了運(yùn)行控制的難度，在實(shí)際應(yīng)用中限制了其處理效能。近年來(lái)，利用2 種污泥系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱“雙泥”) 進(jìn)行廢水的脫氮除磷的研究取得了很大進(jìn)展，這些工藝的共同特點(diǎn)都是把不同種群的微生物在不同的反應(yīng)器中分別培養(yǎng)，創(chuàng)造各自適宜生長(zhǎng)條件，盡量降低不同種群微生物由于新陳代謝習(xí)性的不同所產(chǎn)生的競(jìng)爭(zhēng)抑制關(guān)系，并通過(guò)一碳兩用等途徑達(dá)到較好的脫氮除磷效果，如Dephanox 工藝、A2NSBR工藝、A2N 工藝、PASF 工藝等。無(wú)論是雙泥工藝和傳統(tǒng)的單一污泥系統(tǒng)，其污泥回流均在各自流程系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)，在多組并聯(lián)系統(tǒng)之間的污泥轉(zhuǎn)移利用鮮有報(bào)道。污泥轉(zhuǎn)移技術(shù)是以傳統(tǒng)SBR工藝為基礎(chǔ)，通過(guò)在不同SBR池之間進(jìn)行活性污泥的部分轉(zhuǎn)移，提高系統(tǒng)的除污性能，并減輕后續(xù)沉淀工序的負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)對(duì)活性污泥利用的最大化。為解決現(xiàn)行工藝缺陷提出了一種新思路。以某低濃度城市污水為水源，進(jìn)行了污泥轉(zhuǎn)移與新工藝除污性能以及SBR容積利用率的實(shí)驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1．1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置由前置厭氧反應(yīng)器、3 個(gè)序批式(SBR) 反應(yīng)器兩部分構(gòu)成(見(jiàn)圖1)，每個(gè)SBR中設(shè)有泥斗。其單體有效容積分別為10 m3和33 m3 (單個(gè)SBR泥斗容積約3. 6 m3) 。SBR池內(nèi)設(shè)進(jìn)水管、微孔曝氣裝置和潷氺器，選擇器內(nèi)設(shè)攪拌裝置。進(jìn)水、污泥回流通過(guò)兩臺(tái)泵控制。由電磁閥和空氣閥分別控制SBR的進(jìn)水、污泥回流(轉(zhuǎn)移)、出水和曝氣，所有閥門(mén)和水泵的啟閉均采用PLC 自動(dòng)控制。

污水與回流(轉(zhuǎn)移) 污泥一起首先進(jìn)入?yún)捬踹x擇器攪拌混合充分釋磷后進(jìn)入SBR池，厭氧選擇器借助高負(fù)荷梯度產(chǎn)生的“選擇壓力”篩選出絮凝性細(xì)菌，以保證污泥具有良好的沉降性能，同時(shí)始終保持厭氧攪拌，為聚磷菌提供釋磷環(huán)境。3 個(gè)SBR池依次按進(jìn)水、曝氣、沉淀和潷水過(guò)程進(jìn)行循環(huán)，用于實(shí)現(xiàn)去除COD、反硝化和攝磷等功能，沉淀后清水排放。污泥轉(zhuǎn)移的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)污泥回流泵將處于沉淀撇水階段SBR池泥斗中污泥回流至另一進(jìn)水階段的SBR池，因此文中的用污泥回流比表征污泥的轉(zhuǎn)移量。

圖1 工藝實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行系統(tǒng)示意圖
Fig．1 Schematic of experimental apparatus

1．2 實(shí)驗(yàn)方法

活性污泥取自某城市污水處理廠氧化溝工藝的好氧段; 實(shí)驗(yàn)用水來(lái)自蘇州某醫(yī)院的生活污水，該醫(yī)院生活污水污染物含量較低。實(shí)驗(yàn)期間的原水水質(zhì)如下: BOD5 38～86 mg /L，COD 80～244 mg /L，PO43-0. 6～1. 8 mg /L，NH4+-N 9. 8～18. 4 mg /L，pH6. 5～8. 5。由于進(jìn)水各項(xiàng)污染物濃度偏低，故SBR運(yùn)行周期設(shè)為3 h，運(yùn)行模式見(jiàn)表1，考察污泥回流比對(duì)系統(tǒng)充水比、污泥沉降性能以及除污效能的影響。

1. 3 實(shí)驗(yàn)分析測(cè)定方法

主要水質(zhì)分析項(xiàng)目及測(cè)定方法為: COD (重鉻酸鉀法)、NH4+-N (納氏試劑分光光度法)、TP(過(guò)硫酸鉀消解-鉬銻抗分光光度法)、NO3--N(高錳酸鉀氧化-酚二磺酸分光光度法)、TN(過(guò)硫酸鉀消解-紫外分光光度法) ; MLSS(Myratek 污泥濃度測(cè)定儀)、DO 和pH(WTW Ph /Oxi 340i 便攜快速測(cè)定儀) 。其他參數(shù)測(cè)定方法均參見(jiàn)文獻(xiàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2．1 不同污泥轉(zhuǎn)移量(R污)下COD 的去除

不同污泥轉(zhuǎn)移量下系統(tǒng)對(duì)COD 的去除效果見(jiàn)圖2。在低濃度城市污水條件下，有污泥轉(zhuǎn)移的SBR對(duì)COD 的去除效率低于傳統(tǒng)SBR工藝，隨著污泥轉(zhuǎn)移量的增加，進(jìn)水負(fù)荷明顯增加。污泥轉(zhuǎn)移SBR工藝出水COD 濃度能夠達(dá)到國(guó)家《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002) 一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。污泥回流比為30% 時(shí)，進(jìn)水COD 容積負(fù)荷范圍為0. 35～0. 68 kg COD/(m3?d) 。平均去除率為65%; 污泥回流比為15% 時(shí)，進(jìn)水COD 容積負(fù)荷范圍為0. 39～0. 66 kg COD/(m3?d) 。平均去除率為70%; 污泥回流比為0% 時(shí)，進(jìn)水COD 容積負(fù)荷范圍為0. 19～0. 58 kg COD/(m3?d)，平均去除率為75%。

圖2 不同污泥轉(zhuǎn)移量下COD 的去除
Fig. 2 COD removal under different volumes of sludge transfer

圖2 表現(xiàn)出相同污泥轉(zhuǎn)移量下系統(tǒng)COD 去除率隨進(jìn)水負(fù)荷的增加而提高，是由于系統(tǒng)的進(jìn)水污染物濃度明顯低于傳統(tǒng)生活污水，系統(tǒng)對(duì)有機(jī)物的去除能力還有富余，運(yùn)行的負(fù)荷還沒(méi)有超出系統(tǒng)可承受的范圍，因而呈現(xiàn)出系統(tǒng)對(duì)COD 的去除效率隨負(fù)荷增加而增加。而在相同COD 負(fù)荷下，系統(tǒng)COD去除效果隨污泥轉(zhuǎn)移量的增加而降低，可以解釋為對(duì)于沒(méi)有進(jìn)行污泥轉(zhuǎn)移的傳統(tǒng)SBR，進(jìn)水COD 負(fù)荷的提高主要是由于進(jìn)水中有機(jī)物濃度的增加(污染物濃度更加接近于典型城市污水的水質(zhì))，因而保持了更高的去除效率; 而進(jìn)行污泥轉(zhuǎn)移的SBR中COD 負(fù)荷的提高主要是由于處理水量(充水比) 增加所致，而相應(yīng)的水力停留時(shí)間從10. 2 h(R污= 0)縮短為7. 4 h(R污= 30%)，同時(shí)由于低負(fù)荷、長(zhǎng)泥齡下異養(yǎng)菌的內(nèi)源代謝產(chǎn)物及胞外分泌物(ECP) 在系統(tǒng)中累積導(dǎo)致了出水COD 濃度相應(yīng)增加，去除效率有所降低。

2. 2 不同污泥轉(zhuǎn)移量(R污)下TP 的去除

不同污泥回流比對(duì)TP 的去除如圖3 所示，30%的污泥污泥轉(zhuǎn)移量下系統(tǒng)對(duì)TP 的去除優(yōu)于15% 和0%兩種工況。對(duì)TP 的平均去除率達(dá)85%，出水TP 含量低于0. 3 mg /L，優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002) 一級(jí)A 排放標(biāo)準(zhǔn)。15%的污泥轉(zhuǎn)移量下系統(tǒng)對(duì)TP 平均去除率約為61%，出水TP 濃度為0. 4 mg /L 左右; 在無(wú)污泥轉(zhuǎn)移下(R污= 0) 系統(tǒng)對(duì)TP 的去除率約為46%，出水TP濃度為0. 6 mg /L 左右。

圖3 不同污泥轉(zhuǎn)移量下TP 的去除
Fig．3 TP removal under different volumes of sludge transfer

在較高污泥轉(zhuǎn)移量下取得了顯著的除磷效果，分析認(rèn)為主要是在30% 的污泥轉(zhuǎn)移量下能夠保持更多的活性污泥(聚磷菌) 經(jīng)過(guò)厭氧生物選擇器進(jìn)行厭氧釋磷，然后在好氧環(huán)境中才能夠過(guò)量吸磷，并通過(guò)排泥實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)磷的凈去除，而該結(jié)論正是體現(xiàn)了聚磷菌強(qiáng)化除磷的基本原理。在傳統(tǒng)城市污水處理中磷的去處絕大部分為聚磷菌除磷，而同化除磷占少部分，但由于本系統(tǒng)中進(jìn)水TP 濃度低，有必要對(duì)系統(tǒng)中磷的去除途徑進(jìn)行分析。廢水生物除磷有兩條途徑: 同化脫磷和聚磷菌(PAOs 或DPB) 強(qiáng)化除磷。同化脫磷量公式根據(jù)細(xì)胞分子式C60 H87O23 N12 P可計(jì)算出磷占細(xì)胞質(zhì)量的百分比為0．023，折算成廢水中的濃度(CP) 為:

式中: YT為產(chǎn)率系數(shù)，取值0. 5; Kd為自身氧化系數(shù)(d-1)，取值0. 1; S0、Se為進(jìn)、出水BODu濃度(mg /L) ; fd為活性微生物衰減中被氧化降解系數(shù)，取值0. 8; θc為泥齡(d) 為15 d，選取了3 種工況穩(wěn)態(tài)階段的九組平行水樣，按式(1) 計(jì)算得出的同化脫磷百分比量，其TP 去除率及同化除磷率見(jiàn)圖4。在污泥轉(zhuǎn)移量分別為30%、15% 和0% 工況下的平均同化除磷率分別為44%、43%和44%，而TP 去除率平均為85%、61%和46%。說(shuō)明在有污泥轉(zhuǎn)移的工況下，系統(tǒng)磷的去除由同化作用和聚磷菌強(qiáng)化除磷共同完成; 而在無(wú)污泥轉(zhuǎn)移量工況下系統(tǒng)中磷的去除主要為同化作用; 15% 工況下由于進(jìn)入?yún)捬跎镞x擇器污泥量較少，沒(méi)有足夠的聚磷菌進(jìn)行厭氧釋磷，后期好氧過(guò)程中吸磷不充分而導(dǎo)致除磷效率降低。

圖4 不同污泥轉(zhuǎn)移量下同化除磷效率分析
Fig．4 Assimilation of phosphorus removal under different volume of sludge transfer

2．3 不同污泥轉(zhuǎn)移量(R污)下氮的去除

不同污泥轉(zhuǎn)移量下氨氮和總氮去除效果如圖5和圖6 所示。結(jié)果表明，污泥轉(zhuǎn)移對(duì)系統(tǒng)氨氮及總氮去除率影響較明顯。污泥轉(zhuǎn)移量(R污) 分別控制為30%、15% 和0%，系統(tǒng)對(duì)氨氮的平均去除率為71%、80% 和92%; 對(duì)總氮的平均去除率為65%、54% 和45%。氨氮和總氮去除效率隨進(jìn)水氮負(fù)荷的增加而降低，出水氨氮濃度隨進(jìn)水負(fù)荷的增加而升高; 30%污泥轉(zhuǎn)移工況下的出水總氮效果明顯優(yōu)于15%和0%工況。

從系統(tǒng)氨氮去除效率分析，無(wú)污泥轉(zhuǎn)移硝化效率高于具污泥轉(zhuǎn)移的SBR工藝，因?yàn)槲勰噢D(zhuǎn)移功能使活性污泥經(jīng)歷厭氧/好氧交替過(guò)程，而在傳統(tǒng)SBR工藝中的活性污泥長(zhǎng)期處于好氧狀態(tài)，更有利于硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)繁殖。再加上由于污泥轉(zhuǎn)移的實(shí)施，進(jìn)水負(fù)荷隨充水比的增加而增加，導(dǎo)致水力停留時(shí)間縮短，系統(tǒng)的硝化功能被削弱。

圖5 不同污泥轉(zhuǎn)移量下氨氮的去除
Fig．5 Ammonia removal under different volume of sludge transfer

圖6 不同污泥轉(zhuǎn)移量下總氮的去除
Fig．6 Total nitrogen removal under different volumes of sludge transfer

污泥轉(zhuǎn)移使系統(tǒng)氨氮去除率下降而總氮去除效率增加，隨著污泥轉(zhuǎn)移量的增加系統(tǒng)對(duì)總氮的去除效率而得到加強(qiáng)。根據(jù)生物脫氮基本理論及出水水質(zhì)組分可以看出污泥轉(zhuǎn)移使系統(tǒng)的反硝化功能得到強(qiáng)化。分析其原因首先是厭氧生物選擇器的設(shè)置為部分硝酸鹽的反硝化提供了場(chǎng)所，污泥轉(zhuǎn)移過(guò)程中也攜帶部分硝酸鹽進(jìn)入?yún)捬跎镞x擇器，利用進(jìn)水中的易降解有機(jī)物完成反硝化。此外在厭氧選擇器進(jìn)行了快速吸附有機(jī)物的活性污泥進(jìn)入SBR，這部分活性污泥碳源的釋放也為SBR池中反硝化過(guò)程提供了條件。

系統(tǒng)中進(jìn)水氮濃度低，有必要對(duì)系統(tǒng)中氮的去除途徑進(jìn)行分析。生物脫氮分同化脫氮和異化脫氮兩種，假設(shè)微生物僅在好氧條件下獲得增殖，運(yùn)行時(shí)的泥齡為θc，微生物細(xì)胞采用C60H87O23N12P來(lái)表示，設(shè)系統(tǒng)每天增殖的污泥量為ΔX，由泥齡的定義可計(jì)算出氮占細(xì)胞質(zhì)量的百分比為0. 122，則每天由于同化作用而去除的氮總量為0. 122ΔX。根據(jù)各工況穩(wěn)態(tài)階段水樣計(jì)算得出同化脫氮率平均為18%左右，說(shuō)明系統(tǒng)大部分氮仍是通過(guò)異化脫氮途徑得以去除。

2．4 污泥轉(zhuǎn)移對(duì)系統(tǒng)處理能力及穩(wěn)定性的影響

在進(jìn)水過(guò)程中，污泥從沉淀出水階段的SBR池轉(zhuǎn)移到另一進(jìn)水階段的SBR池，被轉(zhuǎn)移的污泥首先經(jīng)過(guò)厭氧生物選擇器，不同污泥回流比下系統(tǒng)總污泥經(jīng)過(guò)生物選擇器的篩選頻率如表2 所示。

表2 不同污泥回流比下生物選擇器的篩選頻率
Table 2 Screening frequency of biological selector under different sludge recycle ratios

污泥在生物選擇器的停留時(shí)間隨污泥回流比增加而減小，系統(tǒng)總的污泥每天經(jīng)過(guò)生物選擇器的次數(shù)隨污泥回流比增加而增加; 30% 污泥回流比條件下所有污泥每天經(jīng)過(guò)生物選擇器篩選次數(shù)為5. 4次，15%工況下為2. 7 次。污泥回流比越大，系統(tǒng)所有污泥經(jīng)過(guò)生物選擇器進(jìn)行絮凝性篩選次數(shù)就越多，從而保證了污泥良好的絮凝性能; 并且SBR中通過(guò)污泥轉(zhuǎn)移，使得各個(gè)反應(yīng)池中污泥性狀相同，從而污泥轉(zhuǎn)移可以提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

在連續(xù)流反應(yīng)器中，容積利用率定義為反應(yīng)器實(shí)際發(fā)揮反應(yīng)功能的容積占總池容的比值。序批式反應(yīng)器中容積利用率定義為周期內(nèi)參與反應(yīng)的時(shí)間與相應(yīng)可利用的容積乘積(T反應(yīng)× V可利用) 占總時(shí)間與總?cè)莘e乘積(T總× V總) 的比值。從表3 可看出，容積利用率隨充水比的增加而增加，系統(tǒng)在污泥回流比為30%時(shí)，容積利用率為53．7%; 而沒(méi)有污泥回流時(shí)，即按SBR工藝運(yùn)行，容積利用率為44．3%。污水處理系統(tǒng)的體積一定時(shí)，容積負(fù)荷的提高有利于增加系統(tǒng)的處理量; 當(dāng)污水處理量一定時(shí)，容積負(fù)荷的提高有利于減少污水處理系統(tǒng)的體積，從而降低基建費(fèi)用。

表3 不同污泥回流比下的處理能力
Table 3 Handling capacity of the system under different sludge recycle ratios

污泥轉(zhuǎn)移SBR工藝最顯著特點(diǎn)是污泥能夠在各個(gè)SBR池反應(yīng)池中轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)反應(yīng)除污階段污泥濃度達(dá)到極大值，有利于提高污染物去除效果; 而在沉淀出水階段污泥濃度達(dá)到極小值，有利于提高系統(tǒng)充水比及處理能力。污泥轉(zhuǎn)移量的增加，則通過(guò)厭氧生物選擇器高污泥濃度梯度篩選出絮凝性微生物種群越多，進(jìn)而提高了系統(tǒng)中污泥的沉降性能，使充水比(容積利用率) 增加成為可能。

3 結(jié)論

污泥轉(zhuǎn)移SBR工藝處理低濃度生活污水的研究表明，污泥轉(zhuǎn)移強(qiáng)化了系統(tǒng)的脫氮除磷性能。污泥轉(zhuǎn)移量的大小對(duì)系統(tǒng)污染物去除效果影響顯著，當(dāng)污泥轉(zhuǎn)移量為(進(jìn)水流量) 的30%，總氮及除磷的平均去除效率分別從45% 和46% 提升至65% 和85%，出水COD、氨氮、TN 和TP 濃度達(dá)到GB18918-2002 一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)。與傳統(tǒng)SBR工藝相比，采用30%的污泥轉(zhuǎn)移量可將處理能力提高近1 /2。