基于LSP装置对造纸废水污泥减量的试验分析

陈奇，张柏鸿,，李红，佟敏英，李俊峰，王坤鹏，王志成

（1. 鞍钢贝克吉利尼水处理有限公司，辽宁 鞍山 114000； 2. 鞍钢股份有限公司，辽宁 鞍山 114000）

活性污泥法作为一种工艺简单、基建投资少、处理效果好的废水处理工艺，广泛应用于造纸、食品、养殖等领域的废水处理中。但它一直存在一个较大的弊端，即在运营过程中会产生大量的剩余污泥。随着我国环保理念的提升和环保制度的完善，剩余污泥的环保化处理变得越发困难[1]。传统的弃置法、农业利用法、填埋法成本逐渐提高，甚至被环保部门禁止，剩余污泥成为企业生产经营的重大负担。现有的污泥减量研究方向主要有通过物理、化学及生物方法将细胞壁和细胞膜破坏，释放出胞内物质作为微生物代谢底物的溶胞-隐性生长减量技术、投加化学解偶联剂的污泥减量技术以及投加微生物制剂进行污泥减量等技术。但在实际应用中，由于投资及运行成本高、投加的药剂对污水处理系统远期的影响、微生物制剂或菌种的稳定局限性等不确定因素，现有技术暂时还都缺乏足够的大规模应用。

本试验以微型动物捕食污泥技术为主要原理，从源头上减少剩余污泥的产生，降低企业剩余污泥的处置费用，提高企业效益。以LSP污泥减量集成系统为试验装置（已申请发明专利），在山东省某造纸厂污水处理厂与现场活性污泥法工艺并联运行，对比LSP装置与普通活性污泥法工艺的处理效果，验证LSP装置的处理性能，分析LSP装置的污泥减量效果。

1 实验部分

1.1 试验装置

1.1.1 工艺原理

LSP污泥减量装置生物处理反应槽中填充专用生物填料，在填料上繁殖微生物，并通过微孔曝气盘给池中的微生物提供溶解氧。利用微生物降解废水中的有机物，达到污泥减量的功效[3]。创新的多级式设计使得原水中的溶解性有机物首先被前段反应槽中的细菌及低等原生生物消耗，之后又被后段的后生生物捕食消耗。众所周知，由于低效的生物转换，能量在从低营养级向高营养级的传递过程中会发生损失，食物链越长，能量损失越大，用来合成生物体的能量就越少。LSP装置通过形成复杂的微生物食物链，消耗剩余污泥量，实现对污泥的减量化处理。

1.1.2 工艺流程及特点

LSP污泥减量集成装置工艺流程如图1。

图1 LSP装置工艺流程图

为了便于运输将该实验装置集成于集装箱中。此次实验工艺流程为调节槽→12级反应槽→集水槽，反应槽有效容积为3.5 m³。反应槽内置超高卷曲率的纤维状特殊生物载体，内部构造原理如图2。

图2 生物载体、内部构造原理图

该生物载体能够使得微生物高度栖息，与一般接触氧化处理相比，LSP装置创新性地增加了生物区反应槽数量至12级，为微生物由原生生物进化至后生生物提供了良好的外界环境。

本集成试验装置总有效容积为4.75 m3，根据水力停留时间的不同，可进行日处理污水1～7.5 m3规模的试验。

1.2 试验用污泥

本试验采用该造纸厂污水处理厂 IC塔厌氧处理后的出水为试验装置进水，该进水水质主要指标如表1所示。

表1 试验用进水的主要指标

试验接种污泥取自该污水处理厂好氧曝气池，直接选用好氧池曝气混合液，接种量为LSP有效容积的 5%，随后低负荷进水驯化。该好氧活性污泥生物镜检生物活性一般，但可见少许钟虫，污泥浓度为 6 000～7 000 mg/L。

1.3 试验方法

1.3.1 现场工艺流程

该造纸厂废水处理主体工艺为沉淀预处理→IC塔厌氧处理→好氧处理→芬顿深度处理，目前污水厂日排放含水率45%的污泥70 t，由三部分组成，分别为一沉池纤维性污泥、好氧池活性污泥、芬顿产生的化学污泥，三种污泥分别占总污泥产量的60%、30%、10%。在实际运行过程中，好氧系统排泥量较大。

此次实验采用LSP装置与污水厂现有好氧处理工艺（普通活性污泥法）并联对比，试验严格按照实际运行的好氧系统的水力停留时间进行控制，原水与好氧系统一致，活性污泥取自好氧系统，通过LSP工艺的自身驯化和调整，验证两种工艺的处理性能及LSP装置的污泥减量效果。

1.3.2 试验条件

依据同等试验条件的原则，本次试验原水、温度、溶解氧等外界条件与现场好氧处理工艺完全相同，且LSP装置生物接种也采用该污水处理厂曝气池中的活性污泥作为驯化菌种。经计算所得好氧处理工艺停留时间为24 h，LSP装置反应槽容积为3.5 m3，换算可得本次试验原水设定流量为2.4 L/min。

1.3.3 试验过程

（1）驯化阶段

完成试验前期准备工作后，自2016年8月11日开始正式启动LSP装置污泥减量试验，向LSP设备各级反应槽中投加曝气池污泥共计 160 L，启动水力负荷进水量为 0.73 L/min，连续曝气，保持大于3.0 mg/L的溶解氧值，并根据各级培菌镜检效果及LSP装置出水水质情况逐步增大水力负荷。20天后水力负荷达到本次实验设计原水流量2.4 L/min，水力停留时间为24 h，与该污水处理厂现有好氧系统一致。

经过30天的驯化培养，各级反应槽中生物填料载体均出现不同程度的挂膜情况，其中第1～4级显现黑褐色，泥层较厚，载体支架增重明显；5～12级滤料挂膜厚度依次递减，挂膜颜色逐渐呈现淡黄色。对生物填料载体上活性污泥进行镜检，1～4级可见大量草履虫、钟虫等原生生物群，生物活性较高，5～10级有少量轮虫和线虫等后生生物出现，11～12级由于水力负荷较低，只可见少量原生生物，生物活性较低。现场活性污泥镜检只可见大量丝状菌类及少量原生生物。LSP装置生物数量及活性远远高于现有活性污泥工艺[4]。LSP装置反应槽各级水质COD及氨氮数据见表2及表3。

表2 驯化阶段COD对比表 mg/L

表3 驯化阶段氨氮对比表 mg/L

从表2及表3可知，原水经各级反应槽后，COD及氨氮依次递减，LSP装置出水COD三日平均值为177 mg/L，去除率为88.47%，氨氮三日平均值为1.17 mg/L，去除率为96.43%；现场工艺二沉池出水COD三日平均值为224 mg/L，去除率为85.41%，氨氮三日平均值为1.07 mg/L，去除率为96.73%。数据显示经过30天的驯化培养，LSP污泥减量集成装置出水主要指标基本与污水厂现有好氧处理设施出水氨氮指标持平，COD低20.98%。

（2）强化阶段

完成驯化阶段的生物培养后，LSP装置运行趋于稳定，自9月11日起，维持LSP装置进水流量为2.4 L/min。至9月30日止，LSP装置各级反应槽中填料载体生物挂膜进一步增加，挂膜形成表层为好氧生物状态，向内逐渐转化为缺氧甚至是厌氧状态。对LSP装置填料载体生物进行镜检，1～4级可见大量草履虫、累枝虫、钟虫、轮虫等，生物数量剧增，生物活性非常好；5～10级可见大量轮虫、红斑顠体虫，偶见线虫；11～12级可见少量原生生物，轮虫、红斑顠体虫等，生物数量较第一阶段有明显提高[5]。镜检可见红斑顠体虫吞噬及排泄现象，根据生物能量转化定律可知，红斑顠体虫在消耗系统中的剩余污泥[6]。而现场工艺活性污泥镜检结果较驯化阶段几乎无任何变化。强化阶段LSP装置各级反应槽水质COD及氨氮数据见表4及表5。

表4 巩固阶段COD对比表 mg/L

表5 巩固阶段氨氮对比表 mg/L

从表4及表5可知LSP出水COD五日平均值为147.6 mg/L，去除率为90.36%，氨氮五日平均值为1.52 mg/L，去除率为95.4%；现场二沉池出水COD五日平均值为181.2 mg/L，去除率为88.16%，氨氮五日平均值为1.82 mg/L，去除率为94.49%。经过进一步的运转，LSP装置处理能力得到进一步的提升，出水水质能够满足该污水处理厂的好氧工艺日常运行出水条件COD≤200 mg/L，氨氮≤5 mg/L。且去除率较现场工艺持续稳定提升。红斑顠体虫的出现标志着LSP装置污泥减量生物链正式形成，污泥减量条件趋于成熟，可以开展进一步的试验数据对比工作[7]。

（3）验证阶段

由于LSP装置反应槽中已经建立起复杂完整的生物链，LSP装置的污泥减量功能已经启动。10月1日起对LSP装置出水及现场工艺二沉池出水进行为期7天的水质指标检测，对比LSP装置与该污水处理厂好氧处理工艺处理效果。为了增加试验数据的准确性和科学性，在原有的哈希快速测定仪DR1010检测数据基础上，增加了COD国标测定方法（GB11914-89）同时检测水质数据[8]，验证阶段COD及悬浮物数据见表6及表7。

表6 验证阶段COD对比表 mg/L

由表6中数据可知两种检测方法LSP装置出水COD 7日平均值为120.36 mg/L，现场工艺二沉池出水COD七日平均值为为134.86 mg/L。LSP装置出水COD去除率比现有活性污泥法工艺提高10.75%，可知LSP装置对于COD的去除效果明显好于现有工艺。

表7 验证阶段SS对比表 mg/L

由表7中数据可知，LSP污泥减量集成装置中第 10级反应槽上清液悬浮物 7日平均值为 71.57 mg/L，LSP装置第12级反应槽出水悬浮物7日平均值为63.71 mg/L，现场工艺二沉池出水悬浮物七日平均值为157.57 mg/L，而二沉池排放进行污泥脱水处理的污泥浓度七日均值为12 733 mg/L。

由于LSP工艺没有污泥回流设置，故第12级出水所带悬浮物并考虑日处理水量后可视为最终需要处理的污泥量；而与污水厂目前实际污泥处理量相比较，污泥减量效果明显。根据甲方提供的数据，计算得污泥减量效果在90%左右，真正从源头上实现了污泥减量。

另外，综合主要出水指标及SS的情况，LSP装置第 10级反应槽上清液处理效果已经明显好于现场工艺二沉池出水，LSP污泥减量装置单位时间的处理量有进一步提高的可能。

1.4 分析方法

试验 COD分析方法采用 《GB11914-1989》，氨氮分析方法采用《HJ535-2009》，悬浮物分析方法采用《GB11901-1989》。

2 结果与讨论

由该污水处理厂现场运营数据可知，好氧池日产含水率45%的剩余污泥为70×0.3=21 t。如采用 LSP工艺，则推算日产生同等性状污泥约为 21×0.1=2.1 t，日均少产剩余污泥18.9 t。按该厂现有剩余污泥焚烧装置吨处理费用270元计算，日均节省剩余污泥处理费用为18.9×270=5 103元，可知每年可为该厂节省剩余污泥处理费用达 150～200万元。

3 结 论

通过2个多月的现场试验，经实际运行观察并结合主要指标的检测数据可以证明LSP污泥减量生物处理技术在造纸废水污水处理中可以发挥积极、有效的作用。在同等运行条件下，LSP污泥减量生物处理技术较普通活性污泥法COD去除效果更好，污泥减量效果达90%以上。LSP污泥减量装置利用微生物的捕食活动，创新性地通过扩展微生物的食物链，很好地达到对造纸废水污泥减量的目标，且不需要添加其他药剂及营养剂，无二次污染。由于生物相丰富，抗冲击能力强，易于管理，将普通活性污泥系统改造成LSP污泥减量工艺不但能够降低企业污染物的排放，而且还可以最大程度地减少发生二次污染的可能。LSP装置污泥减量生物处理技术，在造纸废水的污泥减量领域具有较大的推广空间，在降低企业环保排放压力的同时，大幅度地节省了企业剩余污泥的处置费用，提升了企业的盈利能力。

[1]任南琪，丁杰，陈兆波.高浓度有机工业废水处理技术[M].北京:化学工业出版社,2012.

[2]陈晓飞.基于生物捕食的剩余活性污泥减量研究[D].武汉:武汉大学,2009-05-01;1-35

[3]周本省.工业水处理技术[M].北京:化学工业出版社,2002.

[4]张恒.微型后生动物污泥减量效果试验研究[D].重庆:重庆大学,2008.

[5]梁鹏，黄霞，钱易.利用红斑顠体虫减少剩余污泥产量的研究[J].中国给水排水,2004，20（1）:13-17.

[6]艾翠玲，蔡丽云.红斑顠体虫的污泥减量效果[J]. 环境工程学报,2012, 6 (6): 2082-2087.

[7]熊贞晟，王喜昌，黄梅生，等.红斑顠体虫对活性污泥性能的影响[J].环保科技，2007，27(1)：55-58．

[8]国家环境保护局.水质 化学需氧量的测定 重铬酸盐法:GB 11914-89[S].北京:中国标准出版社,2008.

[9]国家环境保护部.水质 氨氮的测定 纳氏试剂分光光度法：HJ 535-2009[S]. 北京:中国标准出版社,2013.

[10]国家环境保护局.水质 悬浮物的测定 重量法：GB 11901-89[S]. 北京:中国标准出版社,2008.