高規格粉狀活性炭生產廠家好氧顆粒污泥+膜生物反應器處理城市生活污水：污泥形成、污染物去除效果

　　高規格粉狀活性炭廠家好氧顆粒污泥+膜生物反應器處理城市生活污水：污泥形成、污染物去除效果。研究背景：2015年城鎮生活污水排放量占全年污水排放量的71.4%，并以6%的年增速發展，這部分污水水量大且穩定，經過適當的處理后回用，可以大大緩解我國水資源污染及短缺的狀況。現階段，我國城市污水處理工藝主要是以活性污泥為基礎工藝，如AO、A2/O、SBR以及氧化溝等，但均有占地面積大、水力停留時間長、剩余污泥產量大、氮磷高效去除效果低等問題，且出水水質均難以穩定達到GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級A排放標準。因此，如何研發一種靈活的城市生活污水處理新工藝，如何利用微生物生理作用提高生物脫氮除磷效果是本研究要解決的問題。

　　好氧顆粒污泥(aerobic granular sludge，AGS)與普通活性污泥相比，具有微生物活性高、沉降性能好、較強的抗沖擊能力，并且同步脫氮除磷等優點。膜生物反應器(membrane bioreactor,MBR)是將膜分離技術與生化處理技術相結合的一種新型污水處理技術。AGS-MBR組合工藝，具有水力停留時間短，節省基建面積，又能發揮AGS高效同步脫氮除磷和MBR出水水質優良且穩定的優勢。

　　摘 要

　　為解決城市生活污水處理工藝存在水力停留時間較長、占地面積較大、脫氮除磷效果較差等問題，研究開發一套處理城市生活污水的AGS-MBR新工藝。以20%的實際生活污水和80%的人工配水混合為原水，基于逐步增加有機負荷和縮短沉淀時間的啟動方式，連續運行AGS-MBR工藝100 d，考察AGS的污泥特性變化，并監測進、出水中COD、NH4+-N、TN、TP的去除效果。結果表明：在40 d時，SBR內培養出粒徑達到2 mm的好氧顆粒污泥，比耗氧速率為46.5 mg/(g·h)，微生物代謝活性較高。工藝穩定運行期間，出水ρ(COD)、ρ(NH4+-N)、ρ(TN)、ρ(TP)平均值分別為22，0.07，9.5，0.43mg/L，達到GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》的一級A標準。

　　01

　　實驗部分

　　1.實驗流程與裝置

　　實驗污水處理工藝流程如圖1所示。將人工配制的模擬城市生活污水加入2個相同規格和操作條件的SBR反應器(R1、R2)。在進水—曝氣—靜置—排水的循環模式下，通過在SBR反應器內進行AGS的快速培養。R1和R2出水流入1個調節池，調節池的上清液進入MBR，膜出水即為AGS-MBR工藝出水。

　　1—進水槽;2—SBR反應器;3—空氣泵;4—氣體轉子流量計;5—沙芯曝氣頭;6—調節池;7—MBR反應器;8—納米曝氣盤;9—中空纖維膜;10—出水槽;11—時間繼電器。

　　圖1 AGS-MBR系統處理城市生活污水流程

　　SBR反應器(圖1)為有機玻璃制成，有效容積為2.826 L，內徑為6 cm，有效高度為100 cm。

　　MBR反應器采用一體式MBR(圖1)，由有機玻璃制成，長18 cm,寬8 cm，高25 cm，有效容積為2.88 L。

　　2.原水與接種污泥

　　實驗采用20%的實際生活污水和80%的人工配水混合模擬生活污水。配制出原水水質：ρ(COD)為300~400mg/L，ρ(NH4+-N)為18～24 mg/L，ρ(PO43--N)為3～4 mg/L。人工配水水質如表1所示。

　　表1 人工配水組成

　　接種污泥來自深圳市南山污水處理廠二沉池，ρ(MLSS)約為7440 mg/L，SVI為62 mL/g，含水率為99.2%。

　　3.工藝運行參數

　　采用逐步提升進水有機負荷和縮短沉降時間的方法進行培養和啟動運行。SBR啟動期為40 d，穩定運行期為60 d。MBR和SBR反應器(R1、R2)同時啟動。

　　表2為SBR各階段的運行時間。第Ⅰ階段為污泥馴化期。第Ⅱ階段為顆粒出現期。研究表明，選擇更短的靜置時間可使沉降性能較差的污泥隨出水排出反應器，加快好氧顆粒污泥的顆粒化進程。第Ⅲ階段，顆粒成熟期，進一步優選成熟的好氧顆粒污泥。

　　表2 SBR各階段的運行時間

　　02

　　結果與討論

　　1.SBR反應器內好氧顆粒污泥的形成

　　1)污泥物理宏觀形態變化特性。

　　培養過程中SBR反應器內好氧顆粒污泥的照片如圖2所示。可知：開始接種的活性污泥為絮狀，至第20天，SBR反應器內污泥顏色變成棕黃色，并且有細小顆粒出現，形狀不規則，且表面有較多的絲狀菌生成。第30天，肉眼能明顯觀察到顆粒污泥橢球形輪廓。第40天，成熟的好氧顆粒污泥粒徑達到2 mm，形狀為球形或橢球形，顏色呈淡黃色，結構清晰。

　　圖2 SBR反應器內好氧顆粒污泥形態特征

　　2)污泥微觀形態SEM觀察。

　　利用SEM對培養成功的AGS的微觀形貌進行分析，圖3a、b、c、d分別為好氧顆粒污泥外部、內部的掃描電鏡照片。觀察發現，顆粒表面凹凸不平，有各種褶皺和通道，有利于營養物質的輸送及代謝廢物的排出。而顆粒內部較密實，微生物聚集，以球菌和短桿菌為主。

　　圖3 好氧顆粒污泥結構

　　3)好氧顆粒污泥的粒徑分布。

　　好氧顆粒污泥的粒徑分布如圖4所示。在啟動期間，好氧顆粒污泥粒徑分布的整體趨勢是顆粒的比例隨著時間延長逐漸增大，絮狀污泥的比例逐漸減少。至第40天反應器內顆粒成熟，0.5～1.0 mm的顆粒含量上升顯著，最終成為優勢區間，占TSS的32%;其次為粒徑在1～1.5 mm的顆粒，占比為21%;粒徑>1 mm的顆粒占比為41%。

　　圖4 好氧顆粒污泥的粒徑分布

　　4)好氧顆粒污泥的密度、含水率、污泥比重和沉降速度。

　　通常活性污泥絮體的密度為1.002～1.006 g/cm3。SBR內培養成熟的好氧顆粒污泥的密度為1.0137 g/cm3，含水率為96.5%，沉降速度為11.70～32.56 m/h。培養成熟的好氧顆粒污泥比耗氧速率為46.5 mg/(g·h)，微生物代謝活性較高。

　　5)污泥濃度及SVI變化。

　　污泥濃度和SVI值均用來表征污泥的生物量濃度和污泥結構的緊密程度，沉降性能是否良好的重要指標。啟動期間，SBR反應器中污泥濃度及沉降性能變化如圖5、圖6所示。

　　圖5 SBR反應器內好氧顆粒污泥MLSS及SVI的變化

　　圖6 SBR反應器內好氧顆粒污泥SV30、SV5及SV30/SV5的變化

　　由圖5可知：在剛接種的前5 d，由于沉降時間較短，沉降性能不好的污泥絮體大量流失。之后，隨著顆粒化的進行，MLSS呈現穩定增長趨勢，至第20天，污泥量已經穩步增長到3270 mg/L,同時SVI值也逐漸下降至74 mL/g。本實驗中SBR反應器內好氧顆粒污泥SV30、SV5及SV30/SV5的變化與Liu等報道的相似，成熟AGS的SV30與SV5的偏差<10%。至第40天顆粒化完成，SV30/SV5為0.95，可以在出水中明顯看到顆粒狀的沉降性較差的污泥。

　　2.AGS-MBR系統對污染物的去除效果

　　2.1 SBR反應器對污染物的去除效果

　　1)對有機物的去除效果。

　　SBR反應器在啟動及穩定運行過程中對有機物指標COD的去除特性如圖7所示。進水ρ(COD)在300～400 mg/L，第Ⅰ階段，啟動運行1周內，由于接種污泥大量流失，污泥濃度大幅下降，對COD處理效果較差。隨著接種污泥對進水條件的適應，MLSS開始上升，出水COD逐漸呈現下降趨勢。至第Ⅱ階段，在反應器內已經能夠看到明顯的黃色小顆粒，此階段出水的COD濃度先平緩后逐漸下降，保持<50 mg/L。運行至第Ⅲ階段，隨著好氧顆粒污泥的成熟，COD去除率高達90.1%，出水ρ(COD)在35.1～39.5 mg/L內穩定變化。

　　圖7 SBR反應器內進、出水COD的變化

　　2)對NH4+-N、TN的去除效果。

　　SBR在啟動及穩定運行過程中對NH4+-N的去除如圖8所示。至第Ⅲ階段，去除率從開始的91.2%上升至98%，出水濃度一直在5 mg/L以下，去除效果較好。

　　圖8 SBR反應器內進、出水NH4+-N的變化

　　TN去除效果如圖9所示。可知：第Ⅰ階段，在SBR運行1周后，TN去除率僅為40%，之后繼續運行，其去除效果逐漸提高;至第Ⅱ階段，TN的平均去除率上升至63%左右，出水ρ(TN)平均值為13.5 mg/L 左右，表明顆粒污泥粒徑增大的同時，在內部形成了缺氧區，為反硝化過程提供了條件。此后，第Ⅲ階段，隨著好氧顆粒污泥的成熟，顆粒粒徑的增大，TN得到進一步去除，出水ρ(TN)穩定在9.8～13.2 mg/L。

　　圖9 SBR內進、出水TN的變化

　　3)對TP的去除效果。

　　SBR反應器在100 d的啟動及穩定運行過程中，進、出水TP濃度變化如圖10所示。進水ρ(TP)為3～4 mg/L，隨著好氧顆粒污泥的形成，其去除率有升高的趨勢。第1～8天，出水ρ(TP)出現輕微的上升，可能是由于接種污泥大量流出反應器，聚磷菌不能成為優勢菌種造成的。第Ⅱ階段，隨著好氧顆粒污泥的形成，顆粒內部的厭氧區為聚磷釋磷的微生物提供良好的生長環境，出水中ρ(TP)由1.2 mg/L降至0.82 mg/L。第Ⅲ階段，粒徑>1 mm的AGS占比達到41%，除磷能力得到進一步提升，出水ρ(TP)為0.62 mg/L左右，平均去除率為83.2%左右。

　　圖10 SBR反應器內進、出水TP的變化

　　2.2 MBR反應器的出水效果

　　SBR(R1/R2)出水進入MBR，MBR的膜出水即為AGS-MBR工藝出水。如圖11所示為MBR出水主要污染物濃度的變化情況。可知：MBR出水TN、TP的濃度整體均呈下降趨勢，在運行第6天，出水ρ(COD)已經降至50 mg/L以下，達到GB 18918—2002一級A標準。系統對COD的去除效果優良。

　　圖11 MBR反應器出水主要污染物濃度變化

　　前置的SBR內好氧顆粒污泥完成了對原水N主要去除，經MBR內微生物好氧硝化作用，出水NH4+-N、TN濃度從第1天開始已經達到GB 18918—2002的一級A標準。

　　MBR反應器對TP的去除主要通過排泥，SBR內好氧顆粒污泥具有好氧區-缺氧區-厭氧區的分區特性，磷得到較好的去除，進入MBR的ρ(TP)已低于1 mg/L。

　　3.綜合處理效果分析

　　表3為穩定運行期間，SBR和MBR對原水的處理效果分析。可知：AGS-MBR工藝對原水的處理效果較好，MBR反應器進一步去除原水中有機物、強化脫氮除磷，保證出水水質穩定達到GB 18918—2002一級A標準。

　　表3 穩定運行期除污效果分析

　　03

　　結 論

　　1)以20%的實際生活污水和80%的人工配制進水為原水，通過逐漸提高進水有機負荷和逐漸縮短沉降時間的方式進行反應器的啟動。在該條件下，經過40 d的培養，在SBR反應器內形成粒徑為2 mm的好氧顆粒污泥，含水率為96.5%，沉降速度為11.70～32.56 m/h。比耗氧速率(SOUR)為46.5 mg/(g·h)，說明培養出的AGS結構緊湊，物理沉降性能好，且微生物代謝活性高。

　　2)工藝啟動的前1周，SBR內污泥大量流失，出水水質波動較大。但工藝出水COD、NH4+-N、TN濃度已穩定達到GB 18918—2002一級A標準要求。

　　3)AGS-MBR工藝日處理水量為22.4 L，在穩定運行期間，出水COD、NH4+-N、TN和TP的平均質量濃度為22，0.07，9.5，0.43 mg/L，平均去除率分別為94.4%、99.5%、71%、86.3%。

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