李欣，彭永臻，王建華，陳永志

(北京工業(yè)大學 北京市水質科學與水環(huán)境恢復重點實驗室，北京，100124)

我國大多數(shù)的城市生活污水都采用活性污泥法處理，活性污泥是污水活性污泥處理系統(tǒng)的反應工作主體，是由細菌、微型動物為主的微生物與懸浮物質、膠體物質混雜在一起所形成的絮狀體顆粒[1]，而活性污泥的泥水分離問題是活性污泥法工藝中經常遇到的非常棘手的問題之一。污泥與處理水得分離是通過沉淀方式完成的，因此，活性污泥沉降性能的好壞將直接影響活性污泥處理工藝的運行穩(wěn)定性及處理效果。引起污泥沉降問題的原因大概可概括為：污泥膨脹、泡沫和浮渣、污泥分散生長和污泥上浮，其中污泥膨脹是最棘手的問題[2]。造成污泥膨脹的原因可歸納為：廢水中碳源含量多、可溶性有機物多、低溫、低溶解氧、低負荷和沖擊負荷突變等[3?4]。污泥含磷量增高，則污泥密度也會增加，所以，污泥含磷量也直接影響污泥的沉降性。Andreasen等[5]調查了丹麥100個去除營養(yǎng)物質的污水處理廠的污泥沉降性能，發(fā)現(xiàn)除磷的污水處理廠的沉降性能最好。有研究表明[5?6]：聚磷菌密度大，有利于污泥的沉降。在對污泥絲狀膨脹研究后Wanner等[7]認為：012型菌和球衣菌在厭氧條件下幾乎不能水解胞內聚磷顆粒從而難以獲得能量，因此，生長會受到抑制[8]。對于菌膠團中的聚磷菌，它們可利用釋磷產生的能量來攝取有機物并加以貯存[9]。在后續(xù)的好氧階段，主體液相中基質濃度很低，絲狀菌無法獲得足夠碳源基質，造成生長緩慢，而菌膠團中聚磷菌則可以通過分解胞內PHB來獲得能量、進行生長繁殖，從而在系統(tǒng)占據優(yōu)勢。本文作者以實際生活污水為處理對象，考察 A2O-BAF工藝在處理易引起污泥膨脹的較高C/N比生活污水時的沉降性是否優(yōu)于普通A2O工藝，以便為解決運用活性污泥工藝的污水處理廠面臨的棘手的泥水分離問題提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置和運行參數(shù)

A2O-BAF工藝流程見圖1。包括進水水箱、A2O反應器、二沉池、中間水箱、曝氣生物濾池和出水水箱。其中A2O反應器由9個格室構成，總有效容積為30.5 L，厭氧區(qū)、缺氧區(qū)和好氧區(qū)的容積比為2:5:2，二沉池有效容積為21 L。A2O的進水流量是3.8 L/h，硝化液回流比為 300%，污泥回流比為 70%，溫度為18～22 ℃，DO控制在2 mg/L左右。BAF的容積為15 L，HRT為30 min。系統(tǒng)進水量、硝化液回流量、污泥回流量均由蠕動泵控制，BAF的進水量由高壓泵控制。BAF以陶粒為填料，形成了良好的生物膜。

普通A2O工藝流程見圖2，A2O反應器由9個格室構成，總有效容積為30.5 L，厭氧區(qū)、缺氧區(qū)和好氧區(qū)的容積比為2:3:4，二沉池有效容積為21 L。進水流量是3.8 L/h，硝化液回流比為300%，污泥回流比為70%，溫度為18～22 ℃，DO控制在2 mg/L左右。系統(tǒng)進水量、硝化液回流量和污泥回流量均由蠕動泵控制。

1.2 試驗水質與步驟

試驗采用北京工業(yè)大學家屬區(qū)排放的生活污水。原污水水質如表1所示。

通過投加乙酸鈉達到較高的C/N比，使COD在370～480 mg/L左右變化，主要考察A2O-BAF與A2O這2種工藝處理我國相對較高C/N比生活污水時的污泥沉降性的不同。整個試驗穩(wěn)定運行大約30 d。

1.3 檢測項目及方法

表2所示為分析項目與方法。

污泥含磷量按照趙慶祥的方法[10]測定。

圖1 A2O-BAF工藝流程圖Fig.1 Schematic diagram of A2O-BAF system

圖2 普通A2O工藝流程圖Fig.2 Schematic diagram of normal A2O system

表1 實際生活污水水質Table 1 Quality of actual domestic wastewater

表2 分析項目與方法Table 2 Analyses items and methods

2 結果與討論

2.1 2種工藝的污泥沉降性

SVI能夠反映活性污泥的凝聚、沉降性能，對于生活污水及城市污水，此值以介于 70～100為宜[11]。在上述水質條件下，穩(wěn)定運行30 d，2種工藝的SVI變化如圖3所示。從圖3可以看出：A2O-BAF工藝的SVI一直保持在80左右，而普通A2O工藝的SVI則達到了200，顯著高于前者。

2.2 導致2種工藝沉降性差別的因素

2.2.1 絲狀菌性膨脹

絲狀菌為好氧異養(yǎng)菌，A2O-BAF工藝相對普通A2O工藝好氧段短很多，供給絲狀菌生長的DO不足，所以絲狀菌生長慢很多。同時，A2O-BAF工藝形成的低氧小區(qū)域也少很多，一方面是因為其好氧段本身就短，另一方面是因為普通A2O的溶解氧多，那么回流污泥中的溶解氧也多，使前段難于保持理想的厭氧環(huán)境與缺氧環(huán)境，也形成了低氧環(huán)境。早在 1967年，Wo[12]指出絲狀菌與非絲狀菌的競爭基于比表面積，絲狀菌的比表面積大于非絲狀菌，競爭氧氣能力強[13]。低氧環(huán)境中絲狀菌占優(yōu)勢，引起污泥膨脹。圖4給出了2種工藝缺氧段出水COD的變化。從圖4可以看出：A2O-BAF工藝缺氧段出水COD低于普通A2O工藝，有機負荷都很低(小于0.1 kg/(kg·d))，絲狀菌的親和力強，低有機負荷有利于絲狀菌占優(yōu)勢[3,13]。污水在A2O-BAF工藝中經過缺氧段后，剩余COD已經很少，而且此工藝好氧段很短，所以，絲狀菌的優(yōu)勢占種不如普通 A2O。控制污泥膨脹的缺氧選擇理論[3?4,13?14]在A2O-BAF工藝中得到充分應用。通過鏡檢發(fā)現(xiàn)普通 A2O工藝中的污泥有大量菌絲伸出污泥外，而且絮體松散，可推測普通A2O工藝出現(xiàn)較嚴重的絲狀菌性膨脹；A2O-BAF工藝的污泥沒有菌絲伸出污泥外面，且絮體較密實。

2.2.2 污泥含磷量

圖3 2種工藝SVI的變化Fig.3 Variations of SVI in two processes

圖4 2種工藝缺氧段出水COD的變化Fig.4 Variations of COD concentration in two processes

圖5給出了2種工藝污泥含磷量的變化。從圖5可以看出：A2O-BAF工藝中的污泥含磷量差不多是普通A2O工藝的2倍多。由于磷是無機質，能增加污泥的密度，所以，污泥含磷量高利于污泥的沉降。Andreasen等[5]調查了丹麥100個去除營養(yǎng)物質的污水處理廠的污泥沉降性能，發(fā)現(xiàn)除磷的污水處理廠的沉降性能最好，其中一個原因就是除磷污水廠的污泥含磷量高。A2O-BAF工藝污泥含磷量高的可能的原因為：一是硝化獨立于除磷系統(tǒng)外，回流污泥中的硝酸鹽和亞硝酸鹽很少，在厭氧段形成良好的條件使聚磷菌充分釋磷[15]，圖6所示為2種工藝厭氧段釋磷量的變化。從圖6可以看出：A2O-BAF工藝厭氧段釋磷量遠高于普通 A2O工藝)，而后聚磷菌在缺氧段利用硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮為電子受體缺氧吸磷，在好氧段以O2為電子受體好氧吸磷，形成了極好的良性循環(huán)，促進

圖5 2種工藝污泥含磷量的變化Fig.5 Variations of phosphorus content in sludge in two processes

圖6 2種工藝厭氧釋磷量的變化Fig.6 Variations of anaerobic phosphorus release in two processes

了聚磷菌的生長，而聚磷菌多有利于改善污泥沉降性，減少污泥膨脹的發(fā)生[5?6]；二是普通A2O的DO高，那么，回流污泥中的DO也高，使前段難于保持理想的厭氧環(huán)境與缺氧環(huán)境，影響釋磷、反硝化與反硝化除磷進程，限制了聚磷菌的生長；三是缺氧條件比好氧條件的污泥產率低[16?17]，但在好氧條件下生長起來的大部分都是與脫氮除磷無關的菌種，試驗測得A2O-BAF工藝的MLVSS為2 500 mg/L左右，而普通A2O工藝大約為3 400 mg/L左右。圖7給出了2種工藝二沉池出水 TP的變化情況。由圖7可以看出：A2O-BAF工藝的除磷情況遠好于普通A2O工藝。

圖7 2種工藝二沉池出水TP的變化Fig.7 Variations of secondary sedimentation tank effluent TP in two processes

2.2.3 氣泡問題

氣泡會引起污泥上浮，而且會攪動污泥，破壞污泥凝聚，直接影響污泥沉降性。A2O-BAF工藝采用生物膜法和活性污泥法相結合的雙污泥系統(tǒng)，硝化過程在BAF中獨立進行，而有機物的去除、除磷和反硝化在A2O段進行，解決了硝化菌與聚磷菌對污泥齡要求不同的問題，好氧段停留時間得以大幅度縮短。普通A2O中的硝化過程與好氧除磷過程一起在好氧段完成，為了脫氮效率的提高，必須保證好氧段曝氣充足與停留時間足夠長，使硝化完全。曝氣充足，易使氧氣附著在污泥表面，引起污泥上浮，還會導致絮體顆粒變小，易分散，進入二沉池時，污泥不易下沉，造成出水SS偏高，污泥流失。在A2O的好氧段進行硝化反應，則在好氧區(qū)曝氣不足的地方或沉淀池會發(fā)生反硝化作用，產生氮氣等氣泡而帶動部分污泥上浮。已有研究指出，運用活性污泥工藝脫氮的污水廠的污泥沉降性要差一些[5]，很大可能是由氮氣帶動的污泥上浮引起的。圖8給出了2種工藝好氧段出水-N，-N與缺氧段出水-N，-N質量濃度差的變化。由圖8可以看出：A2O-BAF工藝的A2O的好氧段硝化能力遠小于普通A2O工藝好氧段的硝化能力。通過FISH試驗估算A2O-BAF工藝污泥中的硝化菌僅占全菌的 7%左右，進一步驗證了上述結論。通過顯微鏡可以觀察到，A2O-BAF工藝中的污泥絮體更密實。

圖8 2種工藝好氧段出水-N，-N與缺氧段出水-N和-N質量濃度差的變化Fig.8 Variations of concentration gap of aerobic effluent -N,-N and anoxic effluent -N,-N in two processes

3 結論

處理較高C/N生活污水時，A2O-BAF工藝的SVI在80左右變化，普通A2O工藝的則達到了200多，前者無污泥膨脹之虞，而后者比較嚴重。造成2種工藝的污泥沉降性差別的主要原因為：A2O-BAF工藝缺氧段長，好氧段短，能有效抑制絲狀菌性膨脹；A2O-BAF工藝污泥含磷量比普通A2O工藝的大1倍多，前者為 6%左右，而后者為 3%左右；A2O-BAF工藝面臨的污泥上浮問題遠不如普通A2O工藝嚴重，絮體更實，凝聚性更強。

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