颗粒污泥形成及特性优化的水力促进技术

辛中华，陈昌仁，贾 蔚

（1.苏美达股份有限公司，南京 210018；2.江苏省水利厅；3.南京市规划局，南京 210029）

颗粒污泥是水处理反应器中微生物通过自凝聚作用相互聚合形成的一种沉降性能良好的微生物聚集体，也是微生物固定化的有效方式之一[1-2]。它的形成和出现能极大地增加反应器中的微生物浓度，改善污泥沉降性能，促进传质过程，提高反应器的负荷率，从而减少反应器的容积，优化泥水分离过程，提高处理效率，同时有利于去除反应器中老化的生物膜与剩余污泥，因而在水处理领域得到了越来越多的运用。研究表明，在厌氧条件下形成的颗粒污泥，直径可达0.14～5.00 mm，沉降速度为18～100 m/h，VSS/TSS为70%～90%；而好氧条件下，颗粒污泥直径为0.5～4.6 mm，沉降速度为18～35 m/h，沉降指数（SVI）为12.6～64.5 mg/L，好氧速率（OURw）为1.27 mg/（g·min）[3-7]。与传统的活性污泥（SVI为100～150 mg/L，OURw为0.8 mg/（g·min）左右）相比，其在污泥的沉降性能、生物量和生物活性等各项指标上都具有明显的优势。

颗粒污泥的形成和特性受到多种因素的制约，其中水力作用起着十分重要的作用。本文从水力作用对颗粒污泥形成及特性影响的规律出发，提出了改善水力条件、促进颗粒污泥形成和特性优化的技术措施，为提高系统运行效率提供有益的参考和借鉴。

1 颗粒污泥形成和特性优化的水力促进技术

目前，利用水力条件促进颗粒污泥形成和特性优化的技术主要有三种。

1.1 反应器型式和结构的优化设计

反应器的型式和结构决定了反应器内部的流型，影响到流体和微生物聚集体相互作用的方式。颗粒化反应器型式和内部结构的优化设计能够改善反应器内的水流特性，创造适合颗粒污泥聚集的环境，促进颗粒污泥的形成和特性优化。研究表明，在反应器型式上和构造上，柱状反应器中气水的上向流动能产生沿反应器高度方向相对均匀的环流，促进生物絮体的吸附和微生物的聚集，形成表面自由能最小的规则性颗粒；而完全混合反应器中会产生各个方向的分散流动，微生物聚集和碰撞的随机性也更强，只能产生不规则的絮体（絮状污泥）[8]。较大的高径比（H/D）能够确保更长的环流轨道，为颗粒污泥的产生创造更有利的水力条件。正是基于这样的原因，目前几乎所有的颗粒化反应器（如UASB、EGSB、IC、USBR等）大多都是这种大高径比（H/D）的柱状反应器。

1.2 反应器运行方式的优化调整

紊动程度较高的进出水和运行方式能促进颗粒污泥的形成和特性优化[9-12]。间歇式的进水、回流和搅拌方式能够提高反应器内水流的紊动强度，利用升流速度和沉淀时间的调控在反应器中获得颗粒污泥，并改善污泥的沉降和脱水性能。脉冲式的进水和回流方式能提供更好的紊动条件，有利于颗粒污泥的形成和特性优化，使反应器中颗粒污泥空隙率更高，泥水混合更均匀，从而增加污泥床的比表面积，促进微生物的生长。Peng等人利用SBR在低溶解氧、间歇运行的条件下培养出了沉降性能良好、生物活性高的好氧颗粒污泥[13]；Franco等人也发现，采用脉冲式进水和回流后，UASB中污泥负荷由连续式运转的6 kg COD/（m3·d）增加到 12 kg COD/（m3·d）时，COD的去除率从85%提高到95%[14]。此外，能迫使反应器中的颗粒污泥向底部的反应器入流装置运动，也能优化反应器流态，改善流体的紊动水平，有助于UASB反应器中生物絮体的积聚和颗粒污泥的形成，提高反应器中挥发性污泥（VSS）的浓度[15]。

1.3 反应器中剪力的优化控制

颗粒污泥的形成和特性的变化与水环境中的能量消耗关系密切，而剪切力的大小是反应器中能量消耗的直接体现[16]。作为颗粒污泥形成的必要条件，过低的剪切力会使颗粒化过程无法进行，而适度地增加剪切力，能加速颗粒化进程，明显缩短颗粒污泥形成的期限，增加颗粒污泥的密实度和浓度，提高污泥的活性，优化颗粒污泥的特性[17-19]。反应器中的剪切力主要来源于其内部流速的不均匀分布以及好氧条件下的曝气或厌氧过程中的产沼过程，剪切力的大小和柱状反应器中的液流、气流表观上升流速成正比，故对剪切力的优化控制多以表观上升速度为指标，利用进水和曝气量的调整来实现。

Noyola等人在SBR的研究中曾利用增加反应器的表观上升流速来降低颗粒污泥的沉降指数（SVI）[17]。孟春等人在UASB反应器中将表观上升流速从6.77 cm/h提高到20.84 cm/h，使颗粒污泥的出现时间从30 d减少到12 d，污泥成熟期从50 d减少到30 d，污泥的SVI从63 mg/L下降至29 mg/L[20]。在好氧颗粒污泥的培养中也曾有类似现象，Tay等人将SBR中表观上升流速从0.3 cm/s提高到3.6 cm/s，使污泥的SVI从180 mg/L下降到了40 mg/L，污泥浓度从1.4 g MLSS/L增加到6.9 g MLSS/L，耗氧速率（OURw）也从17.9 mg O2/（mg·h）增加到24.8 mg O2/（mg·h），颗粒污泥的各项指标都有较大幅度的改善[21]。

2 颗粒污泥形成和特性优化的水力促进技术理论分析

好氧污泥颗粒化是生物膜生长的一种特殊形式，受到多种因素的影响[19]。水力作用对颗粒污泥形成和特性的影响主要表现在两个方面：一方面，反应器中良好的水流形态和紊动特征能促进反应器中的泥水混合，加快生物絮体和污染物之间的传质过程，为微生物的聚集生长提供足够的原料，同时促进小絮体间的碰撞，加速污泥颗粒化的过程；另一方面，反应器中流速分布不均匀和曝气及生物产气过程引起的剪切力，也会在反应器中形成不同的选择环境，影响颗粒污泥的形成和动力学特性。

目前，颗粒污泥形成和特性优化的水力促进技术的理论基础主要是选择压理论和剪切力作用理论[22-24]。选择压是表面水力负荷与表面气体流速的总和，它表征了反应器内水力流态的优劣和剪切力的强弱[25]。当水力作用产生的选择压较低时，大量的悬浮絮体型微生物保留在反应器中并争夺营养物质，使颗粒污泥难以形成。若能通过水力条件的优化，适当地增加选择压，将促使微生物相互聚合，有助于通过物理、化学、生物的作用力筛选出沉降性能良好的污泥，淘汰结构松散、沉降性能差的悬浮絮体型污泥，促进污泥颗粒化的过程。而根据剪切力作用理论，颗粒化反应器中的上向流污水在沉降污泥的阻碍下流经污泥时形成绕流，对单位污泥表面产生摩擦力（剪切力）。与此同时，流速分布造成同一横截面上各点流速的差别，导致泥水接触点的冲量不同，使单位污泥产生微转动。这两种作用导致呈网络结构的絮状污泥自身缠绕凝聚，菌丝沿受力方向缠绕贴颗粒表面生长，最终促使颗粒状污泥形成。此外，在颗粒污泥形成过程中，其表面往往有较多的丝状菌缠绕，导致污泥结构松散，沉降性能变差，不利于颗粒化的继续进行和污泥特性的改善，适当的水流剪切力能使由真菌占主导地位的菌团表面产生的丝状菌脱落，表层的松散结构破碎，从而促使较密实颗粒污泥的形成。

3 结论

目前，利用水力条件的优化促进颗粒污泥形成和特性优化的主要方式有：使用大H/D的柱状反应器、采用间歇流或脉冲式进水和回流的运行方式和维持反应器中适当的剪切力。研究表明，这些水力条件的优化措施能够促进颗粒污泥的形成和特性优化，但总的来说，这方面的研究仍相对薄弱，在实践中也缺乏系统的理论来指导水力条件的优化。因此，今后的研究主要应从以下几方面着手：不同条件下好氧和厌氧颗粒化过程的最佳水力条件；颗粒化反应器的构造参数对水力流态及颗粒污泥动力学特性的影响；剪切力对颗粒污泥动力学特性的影响规律；水力作用影响颗粒污泥形成和特性的机制。

通过对上述各方向进行研究，人们要进一步了解水力作用对颗粒污泥的形成过程和特性演变的影响，为反应器的优化设计创造最佳水动力条件，促进颗粒污泥的形成和特性优化，提高反应器的运行效率。