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                      連續流好氧顆粒污泥形成影響因素及應用研究進展

                      更新時間:2022-05-17 10:18 來源:工業水處理 作者: 汪彪 等 閱讀:2085 網友評論0

                      【谷騰環保網訊】活性污泥法是我國污水處理廠(WWTP)對污廢水生物處理應用最廣泛的工藝。但該工藝存在占地面積大的問題,應用范圍受到限制。

                      好氧顆粒污泥(AGS)是微生物在特定條件下相互聚合形成的結構緊湊、外形規則的微生物聚合體,與傳統的活性污泥法相比更具優勢,如占地面積小、沉降性能良好、生物量濃度高、耐有機負荷高且不易發生污泥膨脹等,有望取代運行百年的活性污泥法,是目前最具潛力的污廢水生物處理技術。

                      過去幾十年中的中試研究與實際應用案例主要集中在SBR反應器。但該反應器為間歇性進水排水,不能連續運行,曝氣時間長、能耗大,運行時間長會出現污泥解體,同時處理水量較少,不適于大規模污水處理工程應用。

                      相比之下,連續流反應器具有更簡單的操作控制系統,安裝成本低,同時其連續流動模式處理水量大、運行成本低,且目前大多數大型污水廠采用連續流工藝,對連續流狀態下的AGS研究具有重要的應用價值。

                      國內外研究者已對連續流AGS的培養方法、形成過程、顆?;绊懸蛩?、應用進行研究并取得一定成果。

                      筆者對連續流AGS技術的發展現狀進行綜述與討論,并提出未來研究方向,以期為今后連續流AGS工藝的工程化應用與推廣提供一定理論基礎。

                      1 連續流好氧顆粒污泥的培養及形成

                      1.1 連續流好氧顆粒污泥培養

                      K. MISHIMA等首次在連續流好氧升流式污泥床反應器(AUSB)中接種活性污泥成功培養出AGS,但運行條件極其苛刻,必須在純氧條件下運行,且培養出的顆粒污泥不具備脫氮除磷能力。

                      研究者隨后對AGS的培養方法和形成機理進行研究,但未得出統一結論。AGS形成過程復雜、反應器構型差異及運行穩定性限制了連續流AGS的進一步發展。連續流系統中AGS的培養條件如表1所示。

                      由表1可見,大部分研究采用人工配水進行AGS的培養,且接種污泥類型、實驗培養控制條件及反應器構型差別很大。值得注意的是,連續流AGS對進水基質有較高的有機物降解能力,可能是由于配水中的有機物容易被微生物吸收利用。

                      1.2 好氧顆粒污泥顆?;纬蛇^程

                      在連續流反應器中AGS的形成是一個復雜的傳質過程,與傳統AGS相比最主要的區別在于進水方式及反應器構造不同,但本質上AGS都是微生物在特定情況下發生的自凝聚。

                      因此大多數情況下都基于SBR模型進行解釋,主要有胞外多聚物假說、絲狀菌假說、誘導核假說、自凝聚假說、金屬陽離子假說、信號分子假說、選擇壓驅動假說。目前AGS培養形成機理中認可度較高的是Yu LIU等提出的四步階段形成假說,如圖1所示。

                      首先,微生物在重力或水流推動力等的作用力下相互接觸、碰撞形成聚合體;

                      聚合體在物理、化學或生物作用力下使微生物發生相互吸附;

                      微生物分泌胞外多聚物(EPS)產生生物凝膠作用,形成微生物聚集體;

                      最后在水流剪切力作用下顆粒污泥的三維結構更加成熟穩定,AGS形成。AGS階段形成假說綜合了多種假說的研究成果,考慮多種因素之間的作用效果,未限于單方面的實驗研究成果,但沒有解釋完整的AGS形成過程。

                      2 主要影響因素

                      開發連續流生物反應器已成為好氧顆粒污泥研究的新趨勢,但在連續系統中很難獲得穩定的好氧顆粒污泥。

                      以往的AGS參數優化研究集中在SBR 反應器中,因此有必要研究連續流反應器中好氧顆粒污泥形成主要影響因素,以確定最佳培養方法。

                      影響好氧顆粒污泥形成及維持穩定的關鍵影響因素有水力剪切力、HRT、微生物飽食-饑餓期、反應器的構型與運行方式等。

                      2.1 水力剪切力

                      在連續流AGS形成過程中,水力剪切力起到重要作用。水力剪切力一方面可促進絮狀污泥相互碰撞進行凝聚,同時加速AGS中的微生物分泌大量EPS加速顆?;纬蛇M程,另一方面能夠吹脫顆粒污泥表面多余的絲狀菌,減少污泥發生膨脹的幾率。

                      侯典訓等發現表面氣速(SUAV)為0.8 cm/s時,連續運行條件下可形成AGS,平均粒徑在1~2 mm,對COD 的去除率達到90%以上,連續水力剪切力對連續流中AGS的形成起到關鍵促進作用。

                      Jiaheng ZHOU等在一種改進的連續流反應器中提供較低的表面上流空氣速度,運行40 d后好氧造粒平均粒徑>1 mm,沉降速度在40 m/h,對COD和NH4+-N去除率分別約為96%、94%。該研究認為在連續流系統中,EPS對于維持固定化細胞群落的結構完整性起到至關重要的作用,而EPS的產生與剪切力密切相關。盡管該連續流系統具有很好的有機物降解能力,但這種改進的連續流裝置操作流程較復雜,不適于實際工程中的應用推廣。

                      綜上可見,水力剪切力主要影響AGS的穩定性。在連續流中培養AGS,液體流動提供的推動力、顆粒之間的碰撞剪切和氣泡提供的剪切力是AGS形成的關鍵因素。

                      2.2 水力停留時間(HRT)

                      在連續流AGS反應器中,HRT很大程度決定顆粒污泥的穩定性以及造粒能否成功,主要原因在于連續流反應器有內部沉降區時,HRT與基于沉降速度的選擇壓力直接相關。只有顆粒污泥的沉降速度大于水流上升速度時,顆粒污泥才會沉降并保留在反應器內。因此,HRT是實現泥水分離的關鍵控制因素。

                      張雯等研究了HRT對CSTR連續流反應器中AGS穩定性的影響,發現HRT>4 h時微生物生態結構系統保持穩定的平衡;當HRT由4 h提高至15 h時反應器的硝化性能增強,而HRT減少會加速AGS的形成,并最終確定最佳HRT為8 h。

                      魯磊等在合建式連續流反應器中以實際生活污水為進水基質,研究HRT對AGS脫氮除磷與顆粒污泥穩定性的影響,發現HRT對污泥硝化有影響,HRT為7.5 h時對有機物的去除率最高。

                      李冬等采用缺氧/好氧兩級連續流系統,以實際生活污水為進水基質,研究曝氣強度和HRT對連續流AGS系統的影響,發現HRT對連續流系統的影響更大。

                      Chunli WAN等考察連續流好氧顆粒污泥床中HRT對部分硝化速率的影響,發現在HRT分別為7.2、12 h的2個反應器中氨氮和亞硝酸鹽的去除率均超過90%,HRT為2.4 h時反應器性能惡化,去除率較低,同時發現HRT對微生物群落也有顯著影響。

                      根據上述研究結果,可得出HRT是影響連續流系統運行穩定和有機物降解率的重要因素。

                      盡管也有報道指出在連續流系統中較低HRT能夠形成AGS,可能是由于過短的HRT會抑制懸浮微生物的生長,但根據水力選擇壓理論,HRT過短時會不可避免地造成接種污泥無法在相應時間內充分沉降而出現跑泥現象,使得沉降性能良好的絮狀污泥被沖出反應器,系統內污泥濃度降低,有機物降解率下降,難以聚集形成AGS。

                      若選擇的HRT較長則可能導致污泥處于內源呼吸階段而降低污泥生長速度,因此需選擇和控制合適的HRT,以保障微生物的生長與繁殖。

                      2.3 微生物飽食-饑餓期

                      微生物以外部基質進行生長的階段稱為飽食期,以內部基質生長的階段則稱為饑餓期。傳統SBR反應器中基質濃度處于貧富交替的環境,表現為反應器運行剛開始處于基質豐富狀態,此時微生物迅速繁殖;

                      隨著微生物的消耗,基質濃度開始降低并轉變為貧乏狀態。在這種飽食-饑餓交替的條件下微生物會分泌大量EPS,這些EPS保留在反應器內有利于顆粒的聚集吸附并加速顆粒污泥的形成。

                      飽食-饑餓條件的交替會抑制絲狀微生物的繁殖,而有利于絮凝細菌的生長。

                      但連續流反應器培養AGS時很難創造這種飽食-饑餓期,主要是由于連續流系統的底物常被微生物消耗,因此整個進水基質濃度處于相對較低的底物濃度水平。如何在連續流反應器中創造該條件成為技術難點。

                      S. F. CORSINO等在連續流膜生物反應器中培養AGS并研究顆粒污泥的穩定性,發現微生物飽食-饑餓期是維持連續流系統中AGS穩定性的必須保證的關鍵因素。接種成熟AGS到反應器內,在連續流操作下顆粒污泥很快失去結構穩定性,絲狀菌使污泥變得松散,不穩定聚集體形成,通過間歇喂養后AGS的穩定性顯著提高。

                      Jiaheng ZHOU等在改性連續流系統中采用塞流工藝,通過“從左到右”和“從右到左”的流動模式來創造飽食-饑餓期,成功實現了好氧造粒,其認為飽食-饑餓期對污泥顆?;鸬街匾饔?。

                      同樣地,Yewei SUN等設計了一種具有10個串聯擋板塞流生物反應器,可實現進水由高到低的底物濃度,提供飽食和饑餓階段,在連續流動中成功實現好氧造粒。J. H. TAY等研究發現周期性的飽食-饑餓方式是顆粒污泥形成的關鍵因素。其認為飽食-饑餓期會引起微生物表面特性的變化,促進微生物聚集形成大的微生物聚集體,然后在水力剪切力條件下形成顆粒狀污泥。

                      微生物飽食-饑餓期在污泥顆?;^程中具有十分重要的作用,在連續流系統中實現微生物飽食-饑餓期成為好氧制粒及穩定運行的關鍵。

                      2.4 反應器的構型及運行方式

                      近年來有研究報道了連續流AGS反應器的優化和設計,但其結構和運行方式復雜且穩定性差,設計思路也基于傳統培養AGS的關鍵因素進行設計,對于實際工程應用仍有挑戰性。

                      牛姝等以城市實際污水為進水基質接種絮狀污泥,采用逐級遞增負荷的運行方式在連續流氣提式好氧顆粒污泥流化床反應器(CAFB)中馴化培養AGS,反應器運行6 d可觀察到AGS形成;但運行32 d時大量絲狀菌生長繁殖發生污泥膨脹現象,僅運行36 d反應器關閉。由此看出CAFB反應器雖然能基于三相分離器提供選擇壓力實現泥水分離和高剪切力驅動生物顆??焖傩纬?,但也存在運行不穩定等問題。

                      CAFB反應器示意圖如圖2所示,主要由升流區、降流區及氣液固三相分離區組成。

                      升流區底部安裝曝氣裝置向升流區混合液提供水力剪切力,使升流區混合液向上流動,降流區混合液向下流動,且混合液流至反應器底部經過三相分離區時,曝氣氣體、污泥及液體在此處分離,氣體從裝置口溢出,上清液從出水口排出,污泥隨升流區至降流區的循環過程在降流區沉降并回流至升流區,混合液又自升流區—降流區—升流區循環流動。

                      此類連續流反應器能夠造粒的關鍵在于以持續的液相剪切力代替SBR 反應器的氣相剪切力強化顆??焖倬奂?,同時基于三相分離器實現良好的泥水分離,避免造粒過程中污泥大量流失。

                      賀鵬鵬采用連續流網板反應器歷經30 d成功培養出平均粒徑為2.5 mm的AGS,發現連續流網板反應器可加快顆?;勰嘈纬刹⒕S持穩定運行。反應器示意圖如圖3所示。

                      原水從反應器底部進水,在水流和上升氣流作用下由好氧區進入厭氧區,之后在重力作用下進入好氧及缺氧區,最后進入AGS形成與處理區。實現連續流AGS造粒的關鍵主要在于網板反應器能夠改善水力條件。

                      網板為微生物的生長繁殖提供載體,在表面形成生物膜,隨著網孔面積的逐漸減小,水流穿過網板的速度增大,進而導致水流剪切力逐漸增加。

                      在水力剪切力作用下生物膜破碎成微生物碎片,之后成為AGS核心,從而促使AGS形成。但運行到43 d時,AGS因絲狀菌過度生長出現解體現象,此后通過階梯式提升進水有機負荷可有效抑制絲狀菌膨脹。

                      Jinte ZOU等設計了一種雙區沉淀池,采用真實低強度城市廢水作為進水基質,以氣提回流污泥方式實現連續流AGS造粒,如圖4所示。

                      原水從進水口進入到曝氣池,混合液在第一沉淀區和第二沉淀區進行污泥選擇和泥水分離。反應器運行時,沉降性能較好、密度較大的AGS在第一沉淀池得到有效沉降,并經氣提式回流系統完整保留在曝氣池內繼續生長,而沉降性能較差、密度較小的絮狀輕污泥則被選擇至第二沉淀區內進行泥水分離,從出水口排出。

                      整個污泥經過雙區沉淀池“生長—選擇—生長”的循環,逐步實現污泥顆?;?。雙區沉淀池的污泥篩選機制為AGS的形成提供了需要的選擇壓,促進雙區沉淀池連續流反應器中AGS的顆?;?。

                      同時,氣提式污泥回流系統很好地避免了傳統機械污泥回流泵對顆粒污泥結構穩定性的破壞,通過設置外部沉淀池實現泥水分離,對于連續流反應器的設計和應用有重要參考價值。

                      反應器的運行方式對連續流系統培養AGS也有很大影響。張瑞環等研究了進水運行模式對AGS污泥特性的影響,發現運行模式從序批式變為連續流時,污泥含量降低、沉降性能下降,優勢種群也發生演替。

                      明爐發考察了連續流動態生物膜反應器(DMBR)中進水運行方式(間歇進水、連續進水)對AGS特性的影響,發現連續進水條件下絲狀菌生長旺盛,顆粒污泥結構出現松散;在有機物去除方面,間歇運行方式對TN和TP的去除率高于連續運行模式,但對于COD的去除2種運行模式相差不大。

                      沈耀良等在連續流完全混合反應器(CSTR)中培養AGS,發現不同進水方式下有機物的去除效果相差不大,但采用重力流進水方式時較早出現AGS,且運行效能高于恒定流進水方式。

                      Shuai LI等評估了時間與空間的間歇運作模式對同步硝化、反硝化和除磷連續流顆粒系統的影響。結果表明,在時間間歇運作模式下脫氮除磷的性能優于空間間歇運作模式。

                      2.5 其他因素

                      影響連續流AGS顆?;M程及穩定性的因素很多,還包括有機負荷(OLR)、溶解氧濃度(DO)、接種污泥類型等。

                      OLR不僅可表征污水處理設施的處理能力,還是影響連續流AGS反應器穩定性與顆粒污泥形成時間的重要運行參數之一。低OLR下微生物生長緩慢,高OLR下微生物會快速生長繁殖,但過高的OLR不利于加速顆?;M程。

                      宋澤洋考察了進水OLR對連續流AGS反應器的影響,發現反應器運行到40 d、進水COD增至1 600 mg/L時,連續流系統會因絲狀菌膨脹而失去穩定性,并認為該連續流反應器極限承受COD的負荷為4.51 kg/(m3·d)。

                      Bei LONG等研究了AGS在循環好氧顆粒反應器(CAGR)中對OLR的耐受性,發現OLR<15 kg/(m3·d)時AGS能保持其結構穩定性;OLR增至18 kg/(m3·d)時AGS逐漸解體,最終導致系統崩潰;并從實驗中觀察到AGS解體主要歸因于顆粒內核的不穩定。

                      DO是影響連續流系統中顆粒污泥穩定性和粒徑的重要影響參數,一方面是因為DO可提供顆粒污泥中微生物生長繁殖所需的條件,另一方面DO對顆?;磻鬟\行性能、顆粒粒徑、脫氮效率、硝化能力、種群群落分布等都有一定影響。

                      在低DO條件下,AGS因粒徑較大、結構致密存在DO傳質限制,導致顆粒內部微生物死亡,最終出現AGS解體,因此低DO可能會限制AGS的生長,進一步影響AGS結構及穩定性。傳統SBR培養AGS的結果表明,較高的DO有利于好氧造粒,主要是因為高濃度DO會使菌膠團細菌與絲狀菌相互競爭,絲狀菌生長繁殖受到抑制。

                      也有報道指出,DO<2.5 mg/L時傳統SBR反應器中不會出現AGS,原因主要是較低DO下絲狀菌會大量繁殖,導致顆粒污泥解體。但Xiangjuan YUAN等在低DO條件下(0.3~0.6 mg/L)于連續流反應器中經過27 d成功培養出平均粒徑在2.5 mm的顆粒污泥。從經濟角度來看,高曝氣量會導致運行成本增加,這也是限制AGS技術實際應用的一個重要原因。

                      研究者培養連續流AGS的接種污泥一般為絮狀污泥、厭氧污泥、成熟AGS等。接種污泥類型主要影響連續流AGS顆?;M程時間,但一定程度上也會影響顆粒污泥的理化性質。

                      Xin XIN等采用連續流反應器處理低碳氮比城市污水,接種反硝化細菌TN-14污泥,40 d后成功培養出平均粒徑在0.5~2.0 mm的棕黃色AGS。

                      接種反硝化細菌TN-14污泥具有較高的合成胞外蛋白PN的能力,能進一步增加微生物分泌EPS的含量。對于接種微生物種類多的污泥,反應器開始運行階段能夠快速適應污廢水的生長條件,且培養出的AGS具有該微生物種類豐富的多樣性。

                      3 連續流好氧顆粒污泥的應用及技術差距

                      3.1 應用情況

                      連續流AGS技術在污廢水處理領域受到越來越廣泛的關注。一方面是因為連續流處理污廢水仍是我國絕大多數城鎮污水處理廠選擇的進水運行方式,另一方面,連續流AGS培養運行成本低、經濟效益高。目前連續流AGS技術已在多種實際污廢水中開展試驗研究,如氯化芐廢水、實際生活污水、黃連素廢水等,具體處理效果如表2所示。

                      由表2可見,在連續流反應器中成功培養AGS處理實際污廢水的應用報道目前尚處于中試水平。

                      連續流AGS工藝可以處理不同類型的污廢水,具有處置難處理實際工業廢水的潛力。

                      雖然在連續進水運行條件下,整個反應器的基質濃度通常低于實際進水濃度,避免進水高有機負荷對顆粒污泥的沖擊,但仍存在反應器啟動時間長、能耗高,絲狀菌大量繁殖,污泥解體等突出問題,若應用到實際工程還需進一步探索。

                      3.2 技術差距

                      連續流AGS技術具有廣闊的應用前景。實現連續流AGS一直是研究者追求的目標,但目前連續流AGS技術大多數停留在實驗室階段。

                      限制該技術發展的瓶頸主要有以下幾點:

                      (1)較多學者嘗試在連續流中培養AGS,但大部分使用的是人工配水。與配水不同,來自市政或工業的污水成分復雜,有機負荷波動較大,會導致微生物生長受限,對于顆粒污泥培養、反應器啟動及運行穩定都有挑戰性。

                      AGS在連續流反應器處理實際污廢水的中試和應用將成為未來研究的熱點和難點。

                      (2)連續流系統中的AGS培養和系統運行穩定性經驗缺乏,尤其是長時間連續流運行下AGS的穩定性有待進一步考量。

                      目前絕大多數實際應用報道的連續流AGS都是在SBR中培養成熟,隨后接種到CFR內,因而難以評價反應器的可行性與可靠性。盡管能夠減少生物反應器的啟動時間,但操作較復雜、去除效果較差,連續運行幾天后普遍觀察到顆粒污泥解體現象。AGS作為一種稀缺資源大量接種對于實際工程的應用似乎不經濟。

                      連續流與SBR工藝最大的區別在于進水方式及反應器構造不同。與傳統的AGS在SBR中培養反應器的單一性相比,連續流培養好氧顆粒污泥反應器的構型設計呈現多樣性,但大多數設計還是基于SBR反應器的特點,如設置沉淀選擇壓、創造微生物的飽食-饑餓期、實現良好的泥水分離機制等。這些設計理念的差異導致連續流反應器構型千差萬別,無規律可循,難以重復和推廣。

                      目前還沒有學者比較現有連續流AGS反應器的運行性能,指出最適培養AGS的連續流反應器。設計適合AGS長期穩定運行的連續流反應器也是該技術發展的難點。

                      (3)盡管近幾年研究者從連續流AGS形成的主要影響因素出發,尋求反應器最佳運行工況,以期找出短時間內培養出性能優良AGS的方法,但有關連續流AGS的形成機理尚不明確,影響因素眾多。在連續進水條件下維持顆粒污泥穩定及反應器啟動時間較長仍是該技術的發展瓶頸。

                      同時,能否調控AGS的形成、信號分子在污泥顆?;械淖饔脵C理尚未明確,如何表征連續流中造粒成功顆粒粒徑及微生物的特性等未得到深入研究。反應器運行到后期出現絲狀菌導致的污泥解體問題亟待解決。

                      對于未來工程化的應用,必須在基于反應器長期運行穩定和快速啟動這2個基礎條件下,對整個連續流系統綜合考量,且未來連續流反應器的設計應盡可能基于現有污水廠處理設施進行改造,以降低造價成本。

                      4 結語與展望

                      連續流AGS技術已成為污廢水處理領域研究的熱點之一,但該技術在工業化連續流反應器中尚未應用。

                      最主要的限制原因為連續流系統中培養AGS的影響因素多且不易有效控制、造粒時間長、實際運行很難長時間保持反應器的運行穩定性。

                      如何有效控制培養影響因素,改良連續流反應器的構造設計,實現快速啟動AGS反應器處理實際污廢水,并保持長期運行穩定,是該技術工程化推廣必須解決的關鍵。

                      相信隨著研究的不斷深入,研究者能設計出適合AGS長期穩定運行的連續流反應器。

                      未來不僅能實現連續流AGS工藝在城鎮污水處理工程中的應用,還能實現污水變廢為寶,著眼于資源利用與回收。

                       

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                      關于“連續流好氧顆粒污泥形成影響因素及應用研究進展 ”評論
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