我國南方地區(qū)由于雨水和管網(wǎng)等因素導致城市污水的低碳源以及碳氮磷比例失調(diào)等問題，一直困擾著許多城鎮(zhèn)污水廠的正常運行，由于工藝系統(tǒng)長期在低有機負荷狀態(tài)下運行，無法為微生物提供足夠的養(yǎng)分，降低微生物活性，加劇了氮磷同時高效穩(wěn)定去除的難度，易造成出水水質(zhì)不達標和能源的浪費。如何合理地利用廢水中的有機碳源是解決生物脫氮除磷工藝處理低濃度廢水的關(guān)鍵所在。傳統(tǒng)生物除氮脫磷工藝多為單一污泥(single sludge)懸浮生長系統(tǒng)，即利用同一混合微生物種群完成有機物氧化、硝化、反硝化和生物除磷。其多種處理功能的高度關(guān)聯(lián)性增大了運行控制的難度，在實際應用中限制了其處理效能。近年來，利用2 種污泥系統(tǒng)(簡稱“雙泥”) 進行廢水的脫氮除磷的研究取得了很大進展，這些工藝的共同特點都是把不同種群的微生物在不同的反應器中分別培養(yǎng)，創(chuàng)造各自適宜生長條件，盡量降低不同種群微生物由于新陳代謝習性的不同所產(chǎn)生的競爭抑制關(guān)系，并通過一碳兩用等途徑達到較好的脫氮除磷效果，如Dephanox 工藝、A2NSBR工藝、A2N 工藝、PASF 工藝等。無論是雙泥工藝和傳統(tǒng)的單一污泥系統(tǒng)，其污泥回流均在各自流程系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)，在多組并聯(lián)系統(tǒng)之間的污泥轉(zhuǎn)移利用鮮有報道。污泥轉(zhuǎn)移技術(shù)是以傳統(tǒng)SBR工藝為基礎，通過在不同SBR池之間進行活性污泥的部分轉(zhuǎn)移，提高系統(tǒng)的除污性能，并減輕后續(xù)沉淀工序的負荷，實現(xiàn)對活性污泥利用的最大化。為解決現(xiàn)行工藝缺陷提出了一種新思路。以某低濃度城市污水為水源，進行了污泥轉(zhuǎn)移與新工藝除污性能以及SBR容積利用率的實驗研究。

1 實驗材料與方法

1．1 實驗裝置

實驗裝置由前置厭氧反應器、3 個序批式(SBR) 反應器兩部分構(gòu)成(見圖1)，每個SBR中設有泥斗。其單體有效容積分別為10 m3和33 m3 (單個SBR泥斗容積約3. 6 m3) 。SBR池內(nèi)設進水管、微孔曝氣裝置和潷氺器，選擇器內(nèi)設攪拌裝置。進水、污泥回流通過兩臺泵控制。由電磁閥和空氣閥分別控制SBR的進水、污泥回流(轉(zhuǎn)移)、出水和曝氣，所有閥門和水泵的啟閉均采用PLC 自動控制。

污水與回流(轉(zhuǎn)移) 污泥一起首先進入?yún)捬踹x擇器攪拌混合充分釋磷后進入SBR池，厭氧選擇器借助高負荷梯度產(chǎn)生的“選擇壓力”篩選出絮凝性細菌，以保證污泥具有良好的沉降性能，同時始終保持厭氧攪拌，為聚磷菌提供釋磷環(huán)境。3 個SBR池依次按進水、曝氣、沉淀和潷水過程進行循環(huán)，用于實現(xiàn)去除COD、反硝化和攝磷等功能，沉淀后清水排放。污泥轉(zhuǎn)移的實現(xiàn)是通過污泥回流泵將處于沉淀撇水階段SBR池泥斗中污泥回流至另一進水階段的SBR池，因此文中的用污泥回流比表征污泥的轉(zhuǎn)移量。

圖1 工藝實驗裝置運行系統(tǒng)示意圖
Fig．1 Schematic of experimental apparatus

1．2 實驗方法

活性污泥取自某城市污水處理廠氧化溝工藝的好氧段; 實驗用水來自蘇州某醫(yī)院的生活污水，該醫(yī)院生活污水污染物含量較低。實驗期間的原水水質(zhì)如下: BOD5 38～86 mg /L，COD 80～244 mg /L，PO43-0. 6～1. 8 mg /L，NH4+-N 9. 8～18. 4 mg /L，pH6. 5～8. 5。由于進水各項污染物濃度偏低，故SBR運行周期設為3 h，運行模式見表1，考察污泥回流比對系統(tǒng)充水比、污泥沉降性能以及除污效能的影響。

1. 3 實驗分析測定方法

主要水質(zhì)分析項目及測定方法為: COD (重鉻酸鉀法)、NH4+-N (納氏試劑分光光度法)、TP(過硫酸鉀消解-鉬銻抗分光光度法)、NO3--N(高錳酸鉀氧化-酚二磺酸分光光度法)、TN(過硫酸鉀消解-紫外分光光度法) ; MLSS(Myratek 污泥濃度測定儀)、DO 和pH(WTW Ph /Oxi 340i 便攜快速測定儀) 。其他參數(shù)測定方法均參見文獻。

2 實驗結(jié)果與討論

2．1 不同污泥轉(zhuǎn)移量(R污)下COD 的去除

不同污泥轉(zhuǎn)移量下系統(tǒng)對COD 的去除效果見圖2。在低濃度城市污水條件下，有污泥轉(zhuǎn)移的SBR對COD 的去除效率低于傳統(tǒng)SBR工藝，隨著污泥轉(zhuǎn)移量的增加，進水負荷明顯增加。污泥轉(zhuǎn)移SBR工藝出水COD 濃度能夠達到國家《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002) 一級排放標準。污泥回流比為30% 時，進水COD 容積負荷范圍為0. 35～0. 68 kg COD/(m3•d) 。平均去除率為65%; 污泥回流比為15% 時，進水COD 容積負荷范圍為0. 39～0. 66 kg COD/(m3•d) 。平均去除率為70%; 污泥回流比為0% 時，進水COD 容積負荷范圍為0. 19～0. 58 kg COD/(m3•d)，平均去除率為75%。

圖2 不同污泥轉(zhuǎn)移量下COD 的去除
Fig. 2 COD removal under different volumes of sludge transfer

圖2 表現(xiàn)出相同污泥轉(zhuǎn)移量下系統(tǒng)COD 去除率隨進水負荷的增加而提高，是由于系統(tǒng)的進水污染物濃度明顯低于傳統(tǒng)生活污水，系統(tǒng)對有機物的去除能力還有富余，運行的負荷還沒有超出系統(tǒng)可承受的范圍，因而呈現(xiàn)出系統(tǒng)對COD 的去除效率隨負荷增加而增加。而在相同COD 負荷下，系統(tǒng)COD去除效果隨污泥轉(zhuǎn)移量的增加而降低，可以解釋為對于沒有進行污泥轉(zhuǎn)移的傳統(tǒng)SBR，進水COD 負荷的提高主要是由于進水中有機物濃度的增加(污染物濃度更加接近于典型城市污水的水質(zhì))，因而保持了更高的去除效率; 而進行污泥轉(zhuǎn)移的SBR中COD 負荷的提高主要是由于處理水量(充水比) 增加所致，而相應的水力停留時間從10. 2 h(R污= 0)縮短為7. 4 h(R污= 30%)，同時由于低負荷、長泥齡下異養(yǎng)菌的內(nèi)源代謝產(chǎn)物及胞外分泌物(ECP) 在系統(tǒng)中累積導致了出水COD 濃度相應增加，去除效率有所降低。

2. 2 不同污泥轉(zhuǎn)移量(R污)下TP 的去除

不同污泥回流比對TP 的去除如圖3 所示，30%的污泥污泥轉(zhuǎn)移量下系統(tǒng)對TP 的去除優(yōu)于15% 和0%兩種工況。對TP 的平均去除率達85%，出水TP 含量低于0. 3 mg /L，優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002) 一級A 排放標準。15%的污泥轉(zhuǎn)移量下系統(tǒng)對TP 平均去除率約為61%，出水TP 濃度為0. 4 mg /L 左右; 在無污泥轉(zhuǎn)移下(R污= 0) 系統(tǒng)對TP 的去除率約為46%，出水TP濃度為0. 6 mg /L 左右。

圖3 不同污泥轉(zhuǎn)移量下TP 的去除
Fig．3 TP removal under different volumes of sludge transfer

在較高污泥轉(zhuǎn)移量下取得了顯著的除磷效果，分析認為主要是在30% 的污泥轉(zhuǎn)移量下能夠保持更多的活性污泥(聚磷菌) 經(jīng)過厭氧生物選擇器進行厭氧釋磷，然后在好氧環(huán)境中才能夠過量吸磷，并通過排泥實現(xiàn)系統(tǒng)對磷的凈去除，而該結(jié)論正是體現(xiàn)了聚磷菌強化除磷的基本原理。在傳統(tǒng)城市污水處理中磷的去處絕大部分為聚磷菌除磷，而同化除磷占少部分，但由于本系統(tǒng)中進水TP 濃度低，有必要對系統(tǒng)中磷的去除途徑進行分析。廢水生物除磷有兩條途徑: 同化脫磷和聚磷菌(PAOs 或DPB) 強化除磷。同化脫磷量公式根據(jù)細胞分子式C60 H87O23 N12 P可計算出磷占細胞質(zhì)量的百分比為0．023，折算成廢水中的濃度(CP) 為:

式中: YT為產(chǎn)率系數(shù)，取值0. 5; Kd為自身氧化系數(shù)(d-1)，取值0. 1; S0、Se為進、出水BODu濃度(mg /L) ; fd為活性微生物衰減中被氧化降解系數(shù)，取值0. 8; θc為泥齡(d) 為15 d，選取了3 種工況穩(wěn)態(tài)階段的九組平行水樣，按式(1) 計算得出的同化脫磷百分比量，其TP 去除率及同化除磷率見圖4。在污泥轉(zhuǎn)移量分別為30%、15% 和0% 工況下的平均同化除磷率分別為44%、43%和44%，而TP 去除率平均為85%、61%和46%。說明在有污泥轉(zhuǎn)移的工況下，系統(tǒng)磷的去除由同化作用和聚磷菌強化除磷共同完成; 而在無污泥轉(zhuǎn)移量工況下系統(tǒng)中磷的去除主要為同化作用; 15% 工況下由于進入?yún)捬跎�物選擇器污泥量較少，沒有足夠的聚磷菌進行厭氧釋磷，后期好氧過程中吸磷不充分而導致除磷效率降低。

圖4 不同污泥轉(zhuǎn)移量下同化除磷效率分析
Fig．4 Assimilation of phosphorus removal under different volume of sludge transfer

2．3 不同污泥轉(zhuǎn)移量(R污)下氮的去除

不同污泥轉(zhuǎn)移量下氨氮和總氮去除效果如圖5和圖6 所示。結(jié)果表明，污泥轉(zhuǎn)移對系統(tǒng)氨氮及總氮去除率影響較明顯。污泥轉(zhuǎn)移量(R污) 分別控制為30%、15% 和0%，系統(tǒng)對氨氮的平均去除率為71%、80% 和92%; 對總氮的平均去除率為65%、54% 和45%。氨氮和總氮去除效率隨進水氮負荷的增加而降低，出水氨氮濃度隨進水負荷的增加而升高; 30%污泥轉(zhuǎn)移工況下的出水總氮效果明顯優(yōu)于15%和0%工況。

從系統(tǒng)氨氮去除效率分析，無污泥轉(zhuǎn)移硝化效率高于具污泥轉(zhuǎn)移的SBR工藝，因為污泥轉(zhuǎn)移功能使活性污泥經(jīng)歷厭氧/好氧交替過程，而在傳統(tǒng)SBR工藝中的活性污泥長期處于好氧狀態(tài)，更有利于硝化細菌的生長繁殖。再加上由于污泥轉(zhuǎn)移的實施，進水負荷隨充水比的增加而增加，導致水力停留時間縮短，系統(tǒng)的硝化功能被削弱。

圖5 不同污泥轉(zhuǎn)移量下氨氮的去除
Fig．5 Ammonia removal under different volume of sludge transfer

圖6 不同污泥轉(zhuǎn)移量下總氮的去除
Fig．6 Total nitrogen removal under different volumes of sludge transfer

污泥轉(zhuǎn)移使系統(tǒng)氨氮去除率下降而總氮去除效率增加，隨著污泥轉(zhuǎn)移量的增加系統(tǒng)對總氮的去除效率而得到加強。根據(jù)生物脫氮基本理論及出水水質(zhì)組分可以看出污泥轉(zhuǎn)移使系統(tǒng)的反硝化功能得到強化。分析其原因首先是厭氧生物選擇器的設置為部分硝酸鹽的反硝化提供了場所，污泥轉(zhuǎn)移過程中也攜帶部分硝酸鹽進入?yún)捬跎�物選擇器，利用進水中的易降解有機物完成反硝化。此外在厭氧選擇器進行了快速吸附有機物的活性污泥進入SBR，這部分活性污泥碳源的釋放也為SBR池中反硝化過程提供了條件。

系統(tǒng)中進水氮濃度低，有必要對系統(tǒng)中氮的去除途徑進行分析。生物脫氮分同化脫氮和異化脫氮兩種，假設微生物僅在好氧條件下獲得增殖，運行時的泥齡為θc，微生物細胞采用C60H87O23N12P來表示，設系統(tǒng)每天增殖的污泥量為ΔX，由泥齡的定義可計算出氮占細胞質(zhì)量的百分比為0. 122，則每天由于同化作用而去除的氮總量為0. 122ΔX。根據(jù)各工況穩(wěn)態(tài)階段水樣計算得出同化脫氮率平均為18%左右，說明系統(tǒng)大部分氮仍是通過異化脫氮途徑得以去除。

2．4 污泥轉(zhuǎn)移對系統(tǒng)處理能力及穩(wěn)定性的影響

在進水過程中，污泥從沉淀出水階段的SBR池轉(zhuǎn)移到另一進水階段的SBR池，被轉(zhuǎn)移的污泥首先經(jīng)過厭氧生物選擇器，不同污泥回流比下系統(tǒng)總污泥經(jīng)過生物選擇器的篩選頻率如表2 所示。

表2 不同污泥回流比下生物選擇器的篩選頻率
Table 2 Screening frequency of biological selector under different sludge recycle ratios

污泥在生物選擇器的停留時間隨污泥回流比增加而減小，系統(tǒng)總的污泥每天經(jīng)過生物選擇器的次數(shù)隨污泥回流比增加而增加; 30% 污泥回流比條件下所有污泥每天經(jīng)過生物選擇器篩選次數(shù)為5. 4次，15%工況下為2. 7 次。污泥回流比越大，系統(tǒng)所有污泥經(jīng)過生物選擇器進行絮凝性篩選次數(shù)就越多，從而保證了污泥良好的絮凝性能; 并且SBR中通過污泥轉(zhuǎn)移，使得各個反應池中污泥性狀相同，從而污泥轉(zhuǎn)移可以提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

在連續(xù)流反應器中，容積利用率定義為反應器實際發(fā)揮反應功能的容積占總池容的比值。序批式反應器中容積利用率定義為周期內(nèi)參與反應的時間與相應可利用的容積乘積(T反應× V可利用) 占總時間與總?cè)莘e乘積(T總× V總) 的比值。從表3 可看出，容積利用率隨充水比的增加而增加，系統(tǒng)在污泥回流比為30%時，容積利用率為53．7%; 而沒有污泥回流時，即按SBR工藝運行，容積利用率為44．3%。污水處理系統(tǒng)的體積一定時，容積負荷的提高有利于增加系統(tǒng)的處理量; 當污水處理量一定時，容積負荷的提高有利于減少污水處理系統(tǒng)的體積，從而降低基建費用。具體參見http://m.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

表3 不同污泥回流比下的處理能力
Table 3 Handling capacity of the system under different sludge recycle ratios

污泥轉(zhuǎn)移SBR工藝最顯著特點是污泥能夠在各個SBR池反應池中轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)了系統(tǒng)反應除污階段污泥濃度達到極大值，有利于提高污染物去除效果; 而在沉淀出水階段污泥濃度達到極小值，有利于提高系統(tǒng)充水比及處理能力。污泥轉(zhuǎn)移量的增加，則通過厭氧生物選擇器高污泥濃度梯度篩選出絮凝性微生物種群越多，進而提高了系統(tǒng)中污泥的沉降性能，使充水比(容積利用率) 增加成為可能。

3 結(jié)論

污泥轉(zhuǎn)移SBR工藝處理低濃度生活污水的研究表明，污泥轉(zhuǎn)移強化了系統(tǒng)的脫氮除磷性能。污泥轉(zhuǎn)移量的大小對系統(tǒng)污染物去除效果影響顯著，當污泥轉(zhuǎn)移量為(進水流量) 的30%，總氮及除磷的平均去除效率分別從45% 和46% 提升至65% 和85%，出水COD、氨氮、TN 和TP 濃度達到GB18918-2002 一級A 標準。與傳統(tǒng)SBR工藝相比，采用30%的污泥轉(zhuǎn)移量可將處理能力提高近1 /2。