辛中華，陳昌仁，賈 蔚

（1.蘇美達股份有限公司，南京 210018；2.江蘇省水利廳；3.南京市規(guī)劃局，南京 210029）

顆粒污泥是水處理反應器中微生物通過自凝聚作用相互聚合形成的一種沉降性能良好的微生物聚集體，也是微生物固定化的有效方式之一[1-2]。它的形成和出現(xiàn)能極大地增加反應器中的微生物濃度，改善污泥沉降性能，促進傳質(zhì)過程，提高反應器的負荷率，從而減少反應器的容積，優(yōu)化泥水分離過程，提高處理效率，同時有利于去除反應器中老化的生物膜與剩余污泥，因而在水處理領域得到了越來越多的運用。研究表明，在厭氧條件下形成的顆粒污泥，直徑可達0.14～5.00 mm，沉降速度為18～100 m/h，VSS/TSS為70%～90%；而好氧條件下，顆粒污泥直徑為0.5～4.6 mm，沉降速度為18～35 m/h，沉降指數(shù)（SVI）為12.6～64.5 mg/L，好氧速率（OURw）為1.27 mg/（g·min）[3-7]。與傳統(tǒng)的活性污泥（SVI為100～150 mg/L，OURw為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項指標上都具有明顯的優(yōu)勢。

顆粒污泥的形成和特性受到多種因素的制約，其中水力作用起著十分重要的作用。本文從水力作用對顆粒污泥形成及特性影響的規(guī)律出發(fā)，提出了改善水力條件、促進顆粒污泥形成和特性優(yōu)化的技術措施，為提高系統(tǒng)運行效率提供有益的參考和借鑒。

1 顆粒污泥形成和特性優(yōu)化的水力促進技術

目前，利用水力條件促進顆粒污泥形成和特性優(yōu)化的技術主要有三種。

1.1 反應器型式和結(jié)構的優(yōu)化設計

反應器的型式和結(jié)構決定了反應器內(nèi)部的流型，影響到流體和微生物聚集體相互作用的方式。顆?；磻餍褪胶蛢?nèi)部結(jié)構的優(yōu)化設計能夠改善反應器內(nèi)的水流特性，創(chuàng)造適合顆粒污泥聚集的環(huán)境，促進顆粒污泥的形成和特性優(yōu)化。研究表明，在反應器型式上和構造上，柱狀反應器中氣水的上向流動能產(chǎn)生沿反應器高度方向相對均勻的環(huán)流，促進生物絮體的吸附和微生物的聚集，形成表面自由能最小的規(guī)則性顆粒；而完全混合反應器中會產(chǎn)生各個方向的分散流動，微生物聚集和碰撞的隨機性也更強，只能產(chǎn)生不規(guī)則的絮體（絮狀污泥）[8]。較大的高徑比（H/D）能夠確保更長的環(huán)流軌道，為顆粒污泥的產(chǎn)生創(chuàng)造更有利的水力條件。正是基于這樣的原因，目前幾乎所有的顆?；磻鳎ㄈ鏤ASB、EGSB、IC、USBR等）大多都是這種大高徑比（H/D）的柱狀反應器。

1.2 反應器運行方式的優(yōu)化調(diào)整

紊動程度較高的進出水和運行方式能促進顆粒污泥的形成和特性優(yōu)化[9-12]。間歇式的進水、回流和攪拌方式能夠提高反應器內(nèi)水流的紊動強度，利用升流速度和沉淀時間的調(diào)控在反應器中獲得顆粒污泥，并改善污泥的沉降和脫水性能。脈沖式的進水和回流方式能提供更好的紊動條件，有利于顆粒污泥的形成和特性優(yōu)化，使反應器中顆粒污泥空隙率更高，泥水混合更均勻，從而增加污泥床的比表面積，促進微生物的生長。Peng等人利用SBR在低溶解氧、間歇運行的條件下培養(yǎng)出了沉降性能良好、生物活性高的好氧顆粒污泥[13]；Franco等人也發(fā)現(xiàn)，采用脈沖式進水和回流后，UASB中污泥負荷由連續(xù)式運轉(zhuǎn)的6 kg COD/（m3·d）增加到 12 kg COD/（m3·d）時，COD的去除率從85%提高到95%[14]。此外，能迫使反應器中的顆粒污泥向底部的反應器入流裝置運動，也能優(yōu)化反應器流態(tài)，改善流體的紊動水平，有助于UASB反應器中生物絮體的積聚和顆粒污泥的形成，提高反應器中揮發(fā)性污泥（VSS）的濃度[15]。

1.3 反應器中剪力的優(yōu)化控制

顆粒污泥的形成和特性的變化與水環(huán)境中的能量消耗關系密切，而剪切力的大小是反應器中能量消耗的直接體現(xiàn)[16]。作為顆粒污泥形成的必要條件，過低的剪切力會使顆?；^程無法進行，而適度地增加剪切力，能加速顆粒化進程，明顯縮短顆粒污泥形成的期限，增加顆粒污泥的密實度和濃度，提高污泥的活性，優(yōu)化顆粒污泥的特性[17-19]。反應器中的剪切力主要來源于其內(nèi)部流速的不均勻分布以及好氧條件下的曝氣或厭氧過程中的產(chǎn)沼過程，剪切力的大小和柱狀反應器中的液流、氣流表觀上升流速成正比，故對剪切力的優(yōu)化控制多以表觀上升速度為指標，利用進水和曝氣量的調(diào)整來實現(xiàn)。

Noyola等人在SBR的研究中曾利用增加反應器的表觀上升流速來降低顆粒污泥的沉降指數(shù)（SVI）[17]。孟春等人在UASB反應器中將表觀上升流速從6.77 cm/h提高到20.84 cm/h，使顆粒污泥的出現(xiàn)時間從30 d減少到12 d，污泥成熟期從50 d減少到30 d，污泥的SVI從63 mg/L下降至29 mg/L[20]。在好氧顆粒污泥的培養(yǎng)中也曾有類似現(xiàn)象，Tay等人將SBR中表觀上升流速從0.3 cm/s提高到3.6 cm/s，使污泥的SVI從180 mg/L下降到了40 mg/L，污泥濃度從1.4 g MLSS/L增加到6.9 g MLSS/L，耗氧速率（OURw）也從17.9 mg O2/（mg·h）增加到24.8 mg O2/（mg·h），顆粒污泥的各項指標都有較大幅度的改善[21]。

2 顆粒污泥形成和特性優(yōu)化的水力促進技術理論分析

好氧污泥顆?；巧锬どL的一種特殊形式，受到多種因素的影響[19]。水力作用對顆粒污泥形成和特性的影響主要表現(xiàn)在兩個方面：一方面，反應器中良好的水流形態(tài)和紊動特征能促進反應器中的泥水混合，加快生物絮體和污染物之間的傳質(zhì)過程，為微生物的聚集生長提供足夠的原料，同時促進小絮體間的碰撞，加速污泥顆?；倪^程；另一方面，反應器中流速分布不均勻和曝氣及生物產(chǎn)氣過程引起的剪切力，也會在反應器中形成不同的選擇環(huán)境，影響顆粒污泥的形成和動力學特性。

目前，顆粒污泥形成和特性優(yōu)化的水力促進技術的理論基礎主要是選擇壓理論和剪切力作用理論[22-24]。選擇壓是表面水力負荷與表面氣體流速的總和，它表征了反應器內(nèi)水力流態(tài)的優(yōu)劣和剪切力的強弱[25]。當水力作用產(chǎn)生的選擇壓較低時，大量的懸浮絮體型微生物保留在反應器中并爭奪營養(yǎng)物質(zhì)，使顆粒污泥難以形成。若能通過水力條件的優(yōu)化，適當?shù)卦黾舆x擇壓，將促使微生物相互聚合，有助于通過物理、化學、生物的作用力篩選出沉降性能良好的污泥，淘汰結(jié)構松散、沉降性能差的懸浮絮體型污泥，促進污泥顆?；倪^程。而根據(jù)剪切力作用理論，顆粒化反應器中的上向流污水在沉降污泥的阻礙下流經(jīng)污泥時形成繞流，對單位污泥表面產(chǎn)生摩擦力（剪切力）。與此同時，流速分布造成同一橫截面上各點流速的差別，導致泥水接觸點的沖量不同，使單位污泥產(chǎn)生微轉(zhuǎn)動。這兩種作用導致呈網(wǎng)絡結(jié)構的絮狀污泥自身纏繞凝聚，菌絲沿受力方向纏繞貼顆粒表面生長，最終促使顆粒狀污泥形成。此外，在顆粒污泥形成過程中，其表面往往有較多的絲狀菌纏繞，導致污泥結(jié)構松散，沉降性能變差，不利于顆?；睦^續(xù)進行和污泥特性的改善，適當?shù)乃骷羟辛δ苁褂烧婢贾鲗У匚坏木鷪F表面產(chǎn)生的絲狀菌脫落，表層的松散結(jié)構破碎，從而促使較密實顆粒污泥的形成。

3 結(jié)論

目前，利用水力條件的優(yōu)化促進顆粒污泥形成和特性優(yōu)化的主要方式有：使用大H/D的柱狀反應器、采用間歇流或脈沖式進水和回流的運行方式和維持反應器中適當?shù)募羟辛?。研究表明，這些水力條件的優(yōu)化措施能夠促進顆粒污泥的形成和特性優(yōu)化，但總的來說，這方面的研究仍相對薄弱，在實踐中也缺乏系統(tǒng)的理論來指導水力條件的優(yōu)化。因此，今后的研究主要應從以下幾方面著手：不同條件下好氧和厭氧顆粒化過程的最佳水力條件；顆粒化反應器的構造參數(shù)對水力流態(tài)及顆粒污泥動力學特性的影響；剪切力對顆粒污泥動力學特性的影響規(guī)律；水力作用影響顆粒污泥形成和特性的機制。

通過對上述各方向進行研究，人們要進一步了解水力作用對顆粒污泥的形成過程和特性演變的影響，為反應器的優(yōu)化設計創(chuàng)造最佳水動力條件，促進顆粒污泥的形成和特性優(yōu)化，提高反應器的運行效率。