好氧颗粒污泥反应器的研究进展

刘孟媛

（包头市环境在线监控中心 内蒙古包头 014060）

引言

好氧颗粒污泥的形成是在好氧条件下微生物细胞发生自固定化的结果。好氧颗粒污泥工艺是一项具有较广阔应用前景的污水生物处理技术，截止目前只有短短二十年的发展经历。关于好氧颗粒污泥的研究报道多是在序批式活性污泥反应器SBR及其变形工艺中开展的[1-4]，近些年有学者开始尝试好氧颗粒污泥连续流工艺。

1 好氧颗粒污泥反应器的结构、性质和应用

1.1 间歇式好氧颗粒污泥反应器

序批式反应器（sequencing batch reactors,SBR）中独特的运行方式为好氧颗粒污泥的形成创造了有利条件[1,5-7]。SBR工艺（如图1）的循环操作过程包括进水、曝气、沉淀和排水4个阶段。其中，曝气起到供氧和促进泥水混合的作用。在曝气阶段，营养底物将出现从丰富到匮乏的变化过程，而微生物则先后经历对数增长期和稳定增长期。在SBR反应器中，通过调整氧气供应量和贫-富营养交替的时间能够增加形成颗粒的数量、尺寸和稳定性能，这种变化不利于丝状菌生长繁殖，可以有效的抑制丝状菌型污泥膨胀。通过控制较短的沉降时间，可使悬浮絮体和丝状菌将被洗出，沉降性好的絮体颗粒被保留在装置中，增进好氧颗粒颗粒化进程。

Beun等人[8]在SBAR中成功培养出好氧颗粒并保证该装置稳定运行。SBAR（sequencing batch airlift reactor）反应器（见图 2）属于SBR反应器的改良工艺，它是在SBR的生物反应区设置了气提筒，以使内外筒间形成循环流动。较高的液体循环流速既增大流体剪切力，又增强气、液相的传质作用。其研究证实：利用污水厂活性污泥极易快速启动运行SBAR工艺，颗粒在接种后一周内即可快速形成，一个月后达到稳态。通过观察颗粒表面光滑，平均粒径在2.5 mm，营养基质可以深入到颗粒表面以下500 μm处，最大生物质浓度达到60 g VSS·L-1，装置稳定运行约140天。可见，SBAR具备优异的传质能力和一定抗扰动能力，颗粒形成速度快。

虽然大量研究证实在序批式反应器中好氧颗粒污泥可以进行成功培育，但是需要通过改变SBR反应器的运行条件促进颗粒形成，例如：选择压、循环时间、污染物浓度变化周期和剪切力等。除此之外，间歇式污水处理工艺需要设置自控系统，不但操作复杂，而且成本较高。与SBR及其变形工艺相比，稳态连续流反应器具有安装成本低，易于操作、维护和控制等优点，是目前一种较为理想的污水生物处理工艺，关于连续流污泥颗粒化可行性的研究还在继续中。

1.2 连续流好氧颗粒污泥反应器

图1 SBR装置图

图2 SBAR装置图

关于实现好氧颗粒污泥连续流工艺运行的报道，最早可以追溯到发现好氧颗粒污泥的时期。Shin等人[9]对好氧颗粒污泥的升流式污泥床反应器（aerobic upflow sludge bed,AUSB）装置工艺性能和颗粒自固定化过程进行具体探讨。AUSB（如图3）主要由固、液两相的生物反应器和单独外接纯氧曝气装置两部分构成，待处理和回流的污水在曝气装置中与纯氧进行充分混合后，富含饱和溶解氧的污水经水泵进入升流式污泥床中，由形成的颗粒污泥进行生物降解。生物反应器中设有搅拌装置以促进污泥流化床中的泥水完全混合并提供一定的剪切作用促进颗粒快速形成。研究结果表明：在适宜的搅拌速度下，AUSB装置启动运行5天后出现颗粒，平均粒径达到0.5~2.5 mm，高剪切力条件下生成的颗粒更平滑，污水COD处理效率和生物量更优异。AUSB作为第一代连续流装置，真正实现了持续进水，充足的氧气、较高的剪切力可以抑制丝状菌过度生长，同时进水和曝气两相分离有效避免污泥流失问题。但是由于其工艺至少需要两个单体同时运行，并且需要纯氧供给保证，存在建设、运行成本较高等缺陷。

图3 AUSB装置图

图4 改进型连续流好氧颗粒污泥工艺装置图

图5 CAFB装置图

2010年，Juang等人[10]通过将SBR培养形成的好氧颗粒污泥作为种泥接入到一个底部安装聚乙烯纤维膜的连续流装置中，实现了好氧颗粒污泥工艺的连续流长期稳态运行。在200多天的运行中，该连续流好氧颗粒膜生物生物反应器（the aerobic granule membrane bioreactor，AGMBR）能够长期维持颗粒稳定性，保持较高的生物浓度和较好的COD降解效率，但是该装置能否在接种活性絮状污泥的情况下形成好氧颗粒污泥并保持稳定运行尚未得到证实。

Zhou等人[11]在SBR工艺基础上进行改良，分离出三个单体确保装置连续流运行，最终实现好氧污泥颗粒化（4）。该装置依次连通的三个完全相同的圆柱中只有中间柱持续曝气，剩余两个交替曝气和沉降反应，省去污泥回流步骤并保证工艺连续进水、连续出水。装置运行40天后，形成了平均粒径大于1 mm颗粒，虽然颗粒结构疏松，表面不光滑，具有易于沉降、污水处理效率高等优势。在该连续流装置中依然可以通过改变贫-富营养期、颗粒破碎、剪切力和选择压等参数实现控制。但是，由于工艺需要设置多个单体交替运行，操控和流程复杂，不适用于工程实际。此外，由于反应器过低的气速和高径比致使反应装置剪切作用不显著、循环作用减弱和部分区域涡流作用占主导，最终出现颗粒破碎、污泥膨胀。

随后，周丹丹等人[12]发明新型连续流气提式好氧颗粒污泥流化床（continuous airlift fluidized bed，CAFB）（图 5），短期内快速培育出好氧颗粒，且对于高有机负荷的废水处理效率较好。CAFB在接入活性污泥运行4~5天后，即出现大量好氧颗粒污泥，平均粒径为800~1000μm。当有机负荷达到8 kg COD/(m3·d)和13 kg COD/(m3·d)时，COD去除效率仍能达到93%~97%。究其原因，CAFB装置内设气提区，由于密度差作用做规则内循环流动，从而产生持续的液相剪切力强化颗粒聚集，强化气、液、固传质作用，促进了蛋白质和多糖等物质的分泌，增加疏水性，促进好氧颗粒污泥的形成。加之，特有的三相分离区有效避免污泥流失。该装置为连续流完全混合式反应器，其特殊的工况条件基本忽略选择压、污染物浓度变化周期和循环时间等要素对污泥聚集的影响，有利于颗粒污泥快速形成且对于高浓度废水处理效率更佳。

结语

目前，连续流处理废水工艺仍是我国绝大多数污水处理工艺所选择的运行方式。这是因为与SBR及其变形工艺相比，连续流处理工艺具有安装成本低、运行方式灵活、易于操控维护等优点，无需SBR高昂的自控装置费用。近年来，虽然开始出现部分研究探讨了连续流好氧颗粒污泥反应器的设计运行，仍存在结构运行复杂、污泥流失、污泥膨胀等突出问题，想要应用实际工程还需要进一步探索。