基于颗粒污泥活性再生的生物造粒流化床污水处理系统

时间：2024-07-28

靳兆强，金鹏康，张金花，王晓昌

众所周知，以传统活性污泥法进行污水处理流程较长，其主要的构筑物包括预处理的初沉池，容积大的生物池，以及进行固液分离的二沉池，污泥脱水间，如果考虑脱氮除磷，生物池又分为好氧池、缺氧池和厌氧池，占地面积大，设施费用高。造粒流化床(fluidized pellet bed)是近年来发展起来的一项新工艺，它以其高效的固液分离特性在诸多领域得到了广泛的应用，见文献［1］～［5］。在此基础上，王晓昌教授进一步将其引入污水处理领域，开发了生物造粒流化床技术(fluidized pellet bed bioreactor)(见文献［6］～［9］)，引起了国内外水处理界的关注。由于其能在一个反应器内完成混凝造粒、生物降解、固液分离，而且全过程只需几十分钟，这样就比传统污水处理工艺具有明显的优势。但近几年发展的生物造粒流化床过于强调固液分离的性能，而对颗粒污泥的活性再生考虑不足，由此近些年发展的生物流化床虽然有很好的固液分离性能，但对NH+4-N、TN等的去除率不高且颗粒污泥的持久性不好，笔者所在的课题组就解决这些问题推出了新一代生物造粒流化床——基于颗粒污泥活性再生的生物造粒流化床污水处理系统。

1 工艺与方法

1.1 工艺流程

图1是基于颗粒污泥活性再生的生物造粒流化床污水处理系统。该反应器分内外两筒(图2)，外筒的直径D是2.8 m，容积约13 m3;内筒的直径 d是1.5 m，容积约5.8 m3。污水先由原水水箱进入反应器的外筒，然后对流出外筒的活性污泥投加混凝剂聚合氯化铝(PAC)，并通过管式混合器快速混合形成微小絮体，在流入内筒底部前投加助凝剂聚丙烯酰胺(PAM)，内筒的原理和作用与用于固液分离的流化床工艺相同，具有高效的固液分离能力和混凝吸附能力。在内筒中下部形成密实的颗粒污泥层，上清液经上部经溢流堰出水［10-11］。

内筒设有螺带式搅拌桨，在搅拌桨的上侧的内壁有一开口，与污泥筒相连(见图1)。设置污泥筒的作用:一是回流颗粒污泥，以维持外筒的污泥量和对内筒的污泥进行再生，二是排放剩余污泥。对比以往的生物造粒流化床，该工艺具有一个体积为内筒2倍的曝气外筒，外筒的一周布置着6个曝气盘，能提供足够的溶解氧。这样大的外筒容积非常有利于内筒颗粒污泥的活性再生，同时外筒对进水有一定的降解作用，可以稀释进水，利于PAC与PAM投加量的稳定，而不受原水水质波动的影响，因此该工艺对水质、水量的波动具有很强的适应能力。此外，由于处理流程中不设初沉池，排水管网中的细菌能够不断地补充到反应器内，不断更新反应器内微生物，并保持一定浓度的生物量，因此污泥具有较高的活性并节省了占地的费用。

图1 生物造粒流化床系统

图2 生物造粒流化床俯视图

1.2 原水水质

中试系统进水为西安思源学院的生活污水，主要就是学院的学生与教师教学和生活中产生的污水，因此学生和教师的用水情况对污水水质和水量的影响很大。由于思源学院处于白鹿原大学城，在白鹿原上分布了很多民办院校，各学校轮流放假，思源学院的休息日是周日与周一，这两天用水量最小。根据长期的监测情况，各项污水指标的平均值见表1。

表1 原水水质

1.3 运行条件

流化床进水量 5 m3/h，外筒水力停留时间HRT1=2.6 h，内筒水力停留时间HRT2=1.16 h，总水力停留时间HRT=3.76 h。外筒好氧区的污泥浓度为3 000～5 000 mg/L，曝气量为50～70 m3/h，水气比为1∶10～1∶14，溶解氧为7～7.5 mg/L，基本接近饱和状态，因此外筒的硝化进程很高，氨氮的去除率高达 90%以上。污泥筒的回流量在1.5～2.0 m3/h，即回流比控制在30%～40%。内筒主要是混凝造粒区，搅拌桨选择上，放弃以往的桨板式，采用螺旋式桨叶，连续的桨叶有很好的搅拌与造粒作用，搅拌速度4 r/min，溶解氧0.8 mg/L左右，处于缺氧状态，为反硝化提供了适宜的条件，脱氮效果较好。

1.4 混凝及助凝剂的配比与投加

PAC与PAM作为生物造粒流化床的混凝剂与助凝剂。最佳投药量根据混凝烧杯试验并结合实际过程的调整来确定，聚合氯化铝(PAC)投加量平均在50～70 mg/L，聚丙烯酰胺(PAM)选择的是1 200万的阳离子型，稳定运行其投药量在7 mg/L左右。投药设备选用的是Miton Roy的电磁驱动隔膜计量泵与GM系列的机械隔膜计量泵。

1.5 分析方法

COD:重铬酸钾法;NH+4-N:纳氏试剂光度法; TP:钼锑抗分光光度法;TN:过硫酸钾氧化紫外分光光度法;浊度:Lovibond浊度仪;pH:玻璃电极法。

2 处理效果评价

2.1 COD的去除

对生物造粒流化床的进出水进行长期观察与测定，图3是进出水COD的含量比较。可以看出，COD的去除效果很好，达到了出水一级A标准，基本都在20 mg/L左右，最大值为25 mg/L，可见生物造粒流化床对悬浮物有很好的混凝吸附作用，同时外筒的曝气又使其能对溶解性有机物和吸附的有机物有良好降解作用。

图3 进出水COD的含量比较

2.2 TP的去除

图4是进出水TP的含量比较。出水的TP基本都在0.5 mg/L以下，去除率在90%以上，能达到出水一级A标准。PAC中金属Al3+形成的低溶解性金属羟基络合物，可通过化学沉淀将磷去除;另外一部分磷可能被聚磷菌摄取［9］。

图4 进出水TP的含量比较

2.3 NH+4-N和TN的去除

图5与图6是进出水氨氮与总氮的含量比较。由图5可以看到，氨氮的去除率能达90%以上，硝化进程很高，这得益于外筒的曝气作用以及内筒的混凝吸附。这是以往的流化床所没有达到的一个程度。图6是TN的去除情况，出水的 TN基本在20 mg/L以下，能达到出水一级B标准。由于外筒的高硝化程度，在内筒缺氧的条件下促进了反硝化的进程，使其具有较高的脱氮效果。

图5 进出水NH+4-N的含量比较

图6 进出水TN的含量比较

2.4 出水水质评价

根据上述监测的数据，除了TN未达到城镇污水处理厂污染物排放一级A标准，其余各项指标均已达标，符合中水回用的标准，且出水TN也能达到一级B标准。可见，生物造粒流化床污水处理装置有很好的处理效果，如果对TN的要求不高的话，完全可以作为中水进行回用。

表2 出水水质与城镇污水处理厂污染物排放标准

2.5 经济分析

本中试装置处理的污水量是5 m3/h，规模小，主要的消耗是电费和药剂费，电费是0.42元/m3，药剂费是0.36元/m3，总运行费用共计0.78元/m3;由于该工艺省去了初沉池和二沉池，这样一种集成化的处理装置占地面积小，基建费用也很少;另一方面，因为其本身排放的剩余污泥就是经过混凝脱水的，所以无需设污泥脱水装置，节约大量开支。按照污水处理厂的运行规律来说，规模越小，单位污水的处理费用就越高，因此如果将此装置规模化，那么在降低中小型污水处理厂运行费用上应该会有较强的优势［13-14］。对于比较分散的中小城市(镇)、广大农村及偏远地区，常规的污水处理工艺和集中式污水处理技术明显不合适，而生物造粒流化床工艺可以将混凝、造粒、生物降解、固液分离集中在反应器内短时间完成，相比其它工艺具有占地面积小，投资低和运行灵活方便，操作简单，对操作人员素质与设备要求低的特点，非常适合用于分散式污水处理［15-16］。