旋流器分流比对剩余污泥的释碳性能影响

陈唐维，潘志成，陈滢，刘敏，陈婷婷，钟亚萍

（1 四川大学建筑与环境学院，四川成都610065； 2 海天集团-国家级博士后科研工作站，四川成都610041；3 四川省城镇污水处理技术工程实验室，四川成都610041）

引 言

城镇污水处理厂中活性污泥法是应用最广泛的方法之一[1]。活性污泥法产生的剩余污泥产量虽然只占处理水量的1%左右，但其处理和处置费却占总运行成本的25%～65%[2]。因此妥善地处理和处置剩余污泥是污水处理厂迫切需要解决的问题之一[3]。进水中C/N 比较低，是我国很多城市污水处理厂存在的共同问题之一。碳源低，导致采用生物脱氮工艺的污水处理厂的反硝化率低[4]。许多污水厂需要利用外加碳源提高脱氮效果，常用的碳源主要是甲醇、乙醇[5]、葡萄糖和乙酸钠[6]等有机物，但外加碳源存在着成本太高、产生剩余污泥和增加运行成本等问题[7]。如何充分利用污水厂中原有碳源，减少外碳源的添加，是目前研究热点之一。

污泥中细胞外聚合物(EPS)是可利用的内碳源物质之一，EPS是活性污泥絮凝体的重要组成部分，由蛋白质(PN)、多糖(PS)和核酸等组成，可以通过污泥破碎获取污泥中的内碳源物质，进而重新被微生物所利用[8]。目前，污泥破碎方法包括热处理[3,9-10]、化学处理(臭氧、过氧化氢或碱处理)[11-15]、机械破碎(超声、微波辐射或流体力学)[16-20]、生物水解方法[21-22]以及上述方法的组合[3,10]。其中，机械破碎法中旋流技术内部流场产生的离心力和剪切力，可将污泥内部EPS 和内孔分泌物解吸，提高微生物活性[16]，释放污泥内部有机质并实现污泥资源化和污泥减量化[23]。同时，旋流技术作为一种典型物理分离技术[24]，具有成本效益高、管理简单、不影响出水水质和不产生二次污染等优点。在工业应用方面，旋流技术可分离活性污泥无机细颗粒和悬浮物提高污泥生化性[25]，还可以用于好氧池以去除悬浮物提高污泥耗氧速率[26]，或用于膜池以减轻膜污染[27]。已有文献[16-18,23,28-29]证实了旋流技术可以促进污泥内部碳源释放和提高污泥生化性能。Liu 等[30]将旋流技术用于炼油污水厂生化系统内回流工艺中，总氮(TN)去除率提高约10%。分流比(F)为旋流器溢流流量与进口流量的比值，是影响旋流器压力分布和分离性能的重要因素[31-32]。合适的分流比对旋流器处理后优良污泥的形成和性能的提高具有重要作用[23]。目前，有关旋流技术应用于城市污水厂剩余污泥处理研究的报道甚少，实际生产中旋流处理对污泥性能的影响、分流比的选取、碳源的释放程度以及其是否可用于反硝化等都有待研究。

本文将旋流器应用于四川省某城市污水厂污泥强化处理，研究了旋流器不同分流比对污泥沉降性能、污泥浓度及成分、污泥内碳源释放等的影响，并对旋流器最佳分流比进行了探讨。在旋流器最佳分流比条件下，研究了旋流器进出口污泥的反硝化性能变化，探究了污泥利用旋流释放碳源的反硝化性能，比较了污泥旋流释放碳源与不同外碳源的反硝化性能差异，为污泥旋流释放碳源的工业化运用提供技术支持。

1 材料和方法

1.1 实验装置

处理量200 m3/h 的旋流器安装在设计规模为7.5 万吨/天的四川省某城市污水处理厂。该厂主体工艺为厌氧-缺氧-好氧和膜生物反应器，旋流器现场装置见图1(a)。厌氧池、缺氧池和好氧池的体积比为1∶4∶4，生化池污泥停留时间为3 d，水力停留时间为9 h。剩余污泥经提升泵进入旋流器，污泥经旋流器分选后，底流污泥回流至生化系统，溢流污泥外排至储泥池，旋流器处理污泥工艺流程见图1(b)。

图1 旋流器处理污泥工艺流程及现场照片Fig.1 Sludge treatment process and scene drawing of hydrocyclone

旋流器成套装置由20 根Φ100 mm 的微旋流芯管平分为两列并联组成[33]，为Z-Z 型并联配置旋流器[34-35]。旋流器装置底流和溢流总出口分别安装了流量计测量污泥量，进泥、底流和溢流汇管处分别安装了压力表测量压力变化情况。

1.2 实验污水及污泥

该厂处理城市生活污水，典型水质见表1。旋流器处理的剩余污泥来自该污水处理厂的污泥回流渠，污泥沉降比(SV30)为80%～96%，混合液悬浮固体浓度(MLSS)为8000～15000 mg/L，污泥体积指数(SVI)为70～150 ml/g，混合液挥发性悬浮固体浓度(MLVSS)为4600～8400 mg/L，污泥上清液中化学需氧量(COD)和溶解性化学需氧量(SCOD)分别为30～90 mg/L和20～65 mg/L。

表1 污水处理厂进水水质情况Table 1 Influent quality of wastewater treatment plant

1.3 实验方案

1.3.1 中试实验方案 通过调节旋流器装置底流和溢流阀门控制分流比，旋流器分流比分别设置为10%、15%、20%、30%、40%、50%、60%，对应压降分别为0.09、0.12、0.13、0.14、0.15、0.15、0.15 MPa。其中，压降为旋流器进口和溢流压力（MPa）的差值，与分离效率和能耗成正比。在不同分流比条件下，分别测定旋流器进口、底流和溢流污泥水相中COD、SCOD，污泥固相中蛋白质、多糖、EPS、SV30、MLSS、MLVSS 和SVI。观察旋流器进口、底流和溢流污泥的外观形貌和微观结构。

1.3.2 小试实验方案 污泥反硝化性能测定的装置采用有效体积为500 ml 小型缺氧反应器，配有取样管、pH探头、ORP探头和温度探头。实验时，加入500 ml 新鲜污泥，常温下控制搅拌速度为180 r/min使泥水充分混合，每隔一定时间记录一次pH 和ORP 数值，同时取一定混合液通过0.45 μm 滤膜过滤后测定滤液中NO-3-N 浓度。小试实验分为以下三个阶段进行：（1）优化分流比条件下旋流器底流和溢流污泥的反硝化性能；（2）仅利用污泥旋流释放有机质作为反硝化碳源的研究，污泥初始NO-3-N浓度控制在14、23、35 和45 mg/L；（3）不同反硝化碳源的比较：比较污泥旋流释放碳源、分析级乙酸钠、污水厂常用工业级乙酸钠（含量58%～60%）和微生物复合碳源的污泥反硝化性能。污泥初始NO-3-N浓度为30 mg/L，碳源的COD及用量相同。

反硝化速率由式(1)求得[28,36]。

其中，ρNO-3-N为反硝化速率，mg/(g·h)；C(- N)为- N 浓度，mg/L；MLVSS 为混合液挥发性悬浮固体浓度，g/L；t为反应时间，h。

1.4 分析测试方法

本研究中COD、SCOD、NO-3-N、SV30、MLSS、MLVSS 和SVI 常规指标，采用国家标准方法测得[37]。其中，SVI 利用SV30和MLSS 进行计算。SCOD 测定用0.45 μm 滤膜过滤[38]测定，采用WTW 多参数测定仪(Multi3420 型，德国)测量pH 和ORP 值。EPS 的提取采用热提取法[39]，蛋白质和多糖含量分别采用硫酸-蒽酮法和Lowry-Folin 法测定，以蛋白质和多糖的总和作为EPS 含量的近似值[23,28]。所有实验重复三次取平均值。污泥外观形貌镜检采用荧光显微镜(OLYMPUS BX51 型，日本)，并通过电子扫描显微镜(SEM)观察污泥的微观结构(SU3500 型，日本)，X射线能谱仪(EDS)分析污泥表面成分(Aztec X-MAX 20 型，美国)[38,40]，其中SEM 和EDS 分析是由四川大学分析测试中心完成。污泥金属铁元素的总量消解参照《土壤和沉积物 金属元素总量的消解 微波消解法》(HJ 832—2017)，铁含量测定采用火焰原子吸收分光光度计(GGX-600型，北京)测定。

2 结果与讨论

2.1 旋流器分流比对污泥性能的影响

2.1.1 污泥形貌分析 污泥絮体由大量的菌胶团聚集组成，从光学显微镜中观察到，污泥经过旋流器处理后，污泥絮体结构发生变化，底流污泥中大部分絮凝体的粒径相对较小，溢流污泥中絮凝体的粒径相对较大，与其他学者观察到的现象一致[36,38]。旋流器处理前后污泥的SEM 结构如图2 所示，旋流器处理后，底流絮凝体表面相对平坦，结构较为密实；溢流污泥有明显空洞，结构较为松散。底流这种紧凑结构会使得污泥沉降性能改善[16-17]。

2.1.2 污泥沉降性 旋流器处理对污泥沉降性能有很大影响[28]，不同分流比处理对污泥沉降性影响显著。图3(a)为旋流器不同分流比处理后污泥SVI。在不同分流比条件下，底流污泥SVI较进口均降低，而溢流污泥在F＜30%时SVI 增大，在F≥30%时SVI降低。当分流比由10%增至20%时，底流污泥SVI较进口的降低幅度从1%迅速增至10%；分流比进一步增加至60%，底流污泥SVI 较进口的降低幅度稳定在10%左右。由图2 和图3 都可以看出，污泥经过旋流器产生的剪切力作用后，污泥在底流中沉降性能变好，底流污泥絮体结构更为致密[23,29]，SVI更低。

图2 旋流器处理前后污泥SEM图Fig.2 SEM images of sludge before and after hydrocyclone treatment

EPS 是细菌细胞分泌的胞外聚合物黏性物质，EPS中PN/PS增大有利于维持活性污泥稳定结构[41]。图3(b)为旋流器不同分流比处理后污泥PN/PS 值，当分流比从10%增至60%时，旋流器处理后底流和溢流污泥的PN/PS值较进口污泥增大。许多研究结果表明，PN/PS 增加有利于提高细胞静电结合力，使污泥表面的疏水性增大[42]，有利于细胞间的吸附，使细胞的絮凝性提高，从而有利于维持污泥的致密结构，形成具有稳定结构的污泥[43-44]。 此外，Rusanowska 等[45]证实了PN 存在于絮凝体的内层，而PS 存在于絮凝体的外层及细菌细胞壁。因此，污泥经过旋流器分选后EPS 中处于絮凝体外层的PS 较絮凝体内层的PN更易脱附使得污泥内PN/PS增大。

图3 不同分流比条件下处理污泥SVI和PN/PS值变化Fig.3 Changes of SVI and PN/PS values of sludge treated with different split ratio

2.1.3 污泥浓度及成分变化 污泥经旋流器分选后，底流和溢流污泥浓度及成分有了较大变化。如图4 所示，当F＜60%时，旋流器底流污泥MLSS 大于溢流污泥，当分流比从10%增至50%时，底流污泥MLSS 较溢流污泥增幅从12%降低至7%；当F=60%时，旋流器底流污泥MLSS 小于溢流污泥，原因是由于旋流器内部压力大，富集于旋流器壁的无机质优先从底流口排出，而大部分有机质来不及排出而沿中心轴旋转向上从溢流口排出，使得溢流污泥MLSS 增加，这也进一步解释了F=60%时，底流污泥SVI小于溢流污泥的原因。

图4 不同分流比条件下处理污泥MLVSS/MLSS值变化与污泥铁含量分析Fig.4 Changes of MLVSS/MLSS values of sludge treated with different split ratio and analysis of iron content in sludge

同时，可以通过污泥的f=MLVSS/MLSS 比值来判断污泥中有机和无机成分的变化。仅对本研究中现场旋流器的运行情况，剩余污泥经过旋流器处理后，当F＜60%时，与进口污泥的f值相比，底流污泥的f值降低，溢流污泥的f值增高。说明，底流污泥中无机成分增加，而溢流污泥中有机成分增加，该厂的f值基本在0.5～0.6之间，污泥无机成分偏高。

利用EDS 对分流比为30%的旋流器进出口污泥表面元素进行分析，除了碳和氧，主要元素有铁、铝和硅等元素，其中铁元素含量最高。定量测定了铁元素浓度，发现较多的铁元素都进入了底流，底流污泥铁含量占65%高于溢流污泥占35%的铁含量。由于无机质易于下沉，底流较溢流污泥含有较多无机质，这就进一步解释了底流污泥f值降低的原因。从进口、底流和溢流污泥中成分分析看出污泥中无机成分进入底流，使得底流污泥沉降性变好。

2.1.4 碳源释放 在旋流器中，由于流场的高速旋转和旋转所产生的离心力使污泥EPS破碎。旋流器处理前后污泥水相中COD 和SCOD 含量见图5，旋流器处理后底流污泥碳源释放量随分流比的变化可以分为两个阶段：开始时底流污泥中碳源较进口污泥未出现释放，随分流比的增加，底流污泥碳源释放量不断增加；继续增加分流比后，底流污泥碳源释放量逐渐减缓，开始降低。对于溢流污泥中碳源的释放，除在F=15%条件下溢流污泥中碳源较进口污泥有释放外，在其他分流比条件下未见明显释放。

图5 不同分流比条件下处理污泥水相COD、SCOD浓度变化Fig.5 Changes of COD and SCOD concentrations in the water phase with different split ratio

当F=10%和15%时，由于旋流器内部压力不足以使EPS 有效脱附，底流污泥水相中COD 和SCOD未见增加。随着分流比的增加，底流污泥水相中COD 和SCOD 较进口增加，当F≥20%时，底流污泥SCOD 释放量呈现出先增加后减少的趋势。当F=30%时，底流污泥水相中COD 和SCOD 较进口增加了36%和31%，COD 和SCOD 释放量分别为18 mg/L和11 mg/L 达到最大。由于分流比增加，旋流器流场内湍流幅度和速度梯度急剧增加，进而造成液流的剧烈湍动和高剪切强度[46-47]，促进污泥中EPS 的释放，使得细胞内多糖、核酸和蛋白质等有机质流出，污泥中EPS破碎，释放有机质到污泥上清液[16,18]，使得污泥上清液中COD 和SCOD 增加。研究表明，随着分流比的增大，分离效率明显提高[48]，达到一定程度后，分离效率略有下降[32]。逐步增加分流比，底流污泥碳源释放量逐渐减小。虽然在F=60%时污泥的高速旋转使底流污泥COD 释放量较大，但是生物易降解的SCOD 释放量较小。可以考虑利用底流污泥释放的碳源作为反硝化碳源，这样可以减少整个系统外加碳源的投加量，降低污水处理成本，同时充分利用了污泥内碳源，提高剩余污泥的资源化价值。

仅对本研究中现场旋流器实际运行情况，同时综合2.1 节对旋流器不同分流比对污泥性能影响的分析，选择最佳运行参数分流比为30%。

2.2 旋流器处理对污泥反硝化性能的影响

2.2.1 旋流器底流和溢流污泥反硝化性能 污泥经过旋流器处理后，絮凝体EPS脱附，使得碳源释放到上清液，旋流释放碳源作为内碳源回用可以有效补充反硝化碳源进一步强化脱氮。在优化分流比为30%的条件下（以下分流比选择相同），利用旋流器进口、底流和溢流污泥的内碳源，研究了旋流处理前后污泥反硝化性能。实验结果如图6 所示，分别取旋流器进口、底流和溢流污泥进行三次重复实验，水相中COD 分别为51、69和45 mg/L。随着反应的进行，污泥pH 缓缓升高后趋于稳定，污泥ORP 值逐渐降低后趋于稳定，符合污泥反硝化反应特征[49]。如图6 所示，前20 min，反硝化速率最快，计算得进口、底流和溢流污泥最大反硝化速率分别为1.94、2.07 和1.79 mg/(g·h)。当反硝化进行到100 min 时，底流污泥-N 基本已去除，N 去除率为97%，而此时进口和溢流污泥N 在0.6 mg/L 左右-N 去除率分别为89%和88%。经过2 h 反硝化反应，进口、底流和溢流污泥-N 去除率分别为94%、99%和95%。底流污泥的最大反硝化速率和-N 去除率较进口和溢流污泥高，说明旋流器处理后底流污泥反硝化性能更好。

图6 旋流器底流和溢流污泥反硝化性能Fig.6 Denitrification performance of hydrocyclone underflow and overflow sludge

2.2.2 仅利用污泥旋流释放有机质作为反硝化碳源研究 该厂处理市政污水，随季节不同，其进水浓度有较大波动。冬季TN 浓度最高达到37 mg/L，最低达到16 mg/L；夏季TN 浓度最高达到43 mg/L，最低达到9 mg/L；全年的进水TN 浓度在(30±5) mg/L，缺氧区水力停留时间为4 h。因此，本节继续考察了如果该厂不外加碳源，只用底流污泥释放碳源反硝化进行4 h 的情况。选择初始NO-3-N 浓度为14、23、35 和45 mg/L 代表进水TN 浓度随季节变化的典型情况，考察仅利用旋流器底流释放碳源对反硝化的影响，结果如图7 所示。当初始-N 浓度为35 mg/L 时，在不添加外碳源的情况下，污泥仅利用旋流器底流污泥释放的有机质反硝化反应4 h 后，-N 可降低51%，降低幅度最大。由此可见，污泥旋流释放有机质可为反硝化细菌提供额外的碳源进一步降低N浓度，减少外加碳源。

图7 仅利用污泥旋流释放有机质作为反硝化碳源研究Fig.7 Study on only using organic matter released from sludge treated by hydrocyclone as carbon source for denitrification

2.2.3 污泥旋流释放碳源与外碳源的反硝化性能比较 为考察污泥旋流释放碳源和其他外加碳源的反硝化效果，选取3 种外加碳源（分析级乙酸钠、工业级乙酸钠和微生物复合碳源）进行对比。如图8 所示，在200 min 时，分析级乙酸钠为碳源的污泥从初始NO-3-N 浓度约30 mg/L 降低至15 mg/L 左右后基本保持稳定，说明污泥里可供反硝化利用碳源已经基本反应完全，而此时污泥旋流释放碳源为碳源的污泥-N 浓度还在继续降低，至240 min 时，污泥旋流释放碳源、分析级乙酸钠、工业级乙酸钠和微生物复合碳源为碳源的污泥-N 去除率分别为57%、55%、45%和51%，污泥旋流释放碳源为碳源的污泥-N 去除率优于分析级乙酸钠。反硝化反应4 h 后，污泥旋流释放碳源和分析级乙酸钠的污泥反硝化速率分别为0.81 和0.82 mg/(g·h)，均高于工业级乙酸钠和微生物复合碳源[分别为0.64和0.66 mg/(g·h)]的反硝化速率。

图8 污泥旋流释放碳源与外碳源的反硝化性能比较Fig.8 Comparison of denitrification performance of carbon source from sludge treated by hydrocyclone and external carbon source

在本文研究中，投加污泥旋流释放碳源的污泥反硝化速率比污水厂常用的工业级乙酸钠和微生物复合碳源高，说明在分流比为30%工况下污泥旋流释放出31%易生物降解的SCOD 和7%的蛋白质较污水厂常用的外碳源更易被反硝化菌利用（图9），蛋白质可以比碳水化合物更有效地用作电子给体，以进行反硝化[4]，其他研究也表明活性污泥回收的碳源可以成功地作为生物反硝化的替代碳源[22,50]。此外，分析级乙酸钠和污泥旋流释放碳源为碳源的污泥反硝化速率接近，还说明了污泥旋流释放碳源物质的反硝化效果与乙酸钠碳源物质相似。污泥旋流释放碳源回用可以减少外碳源添加量，补充反硝化碳源。

图9 不同分流比条件下处理污泥固相蛋白质和多糖浓度变化Fig.9 Changes in polysaccharide and protein concentrations in the mud phase after hydrocyclone treatment with different split ratio

3 结 论

本文基于200 t/h 的旋流器处理剩余污泥，研究了旋流器不同分流比对污泥性能的影响，探究了污泥旋流释放物质作为反硝化碳源的可行性，通过分析得出以下结论。

（1）旋流器不同分流比对污泥性能影响显著。不同分流比条件下，底流和溢流污泥的PN/PS 值均增大，底流SVI较进口均降低，底流污泥沉降性得到改善。相较于溢流污泥，更多的无机成分进入底流污泥。

（2）污泥的释碳情况随分流比不同而有变化。仅对本研究中现场旋流器的运行情况，当F＞20%时，旋流器内部压力足以使污泥EPS有效脱附，使得底流污泥较进口污泥的COD、SCOD 增加，同时污泥固相蛋白质和多糖释放到水相。当F=30%时，底流污泥碳源释放量达到最大。同时，底流污泥反硝化速率较进口污泥和溢流污泥高，污泥旋流释放碳源可补充碳源提高反硝化性能。

（3）污泥旋流释放碳源可用于反硝化，从而减少外碳源投加量，节省运行费用。污泥旋流释放的SCOD 和蛋白质较碳水化合物更易被反硝化菌利用。同时，底流污泥旋流释放的碳源反硝化速率达到0.81 mg/(g·h)，与分析级乙酸钠碳源相当，高于污水厂常用的工业级乙酸钠和微生物复合碳源。旋流器处理剩余污泥资源化的同时可降低污水厂的运行成本，具有实际的经济价值。