剩余污泥回流至水解池对污泥减量效果及其机理的研究

＊蒋建勇 张虎

（1.北京市海淀区环境监测站 北京 100089 2.北京市生态环境监测中心 北京 100048）

近年来关于污泥减量的问题，国内外学者已经做了很多方面的研究。目前对于污泥减量化技术主要是从以下几个机理开展的：生物捕食理论、隐性生长理论以及能量解耦联理论[1]。而基于各种机理的代表工艺也有很多，比如基于生物捕食理论的蚯蚓生物滤池；基于隐性生长理论的超声波技术[2]和臭氧氧化技术；基于能量解偶联理论的投加解偶联剂[3]和OSA工艺[4]。而本次实验研究中提出的水解酸化-微孔曝气氧化沟组合工艺正是借鉴OSA在污泥减量方面的优势，将水解反硝化工艺调节成OSA工艺的相近模式，在实现良好的脱氮除磷效果的同时，实现污泥减量。

1.材料与方法

(1)实验水质

本实验中进水取自南方某市水处理厂沉砂池出口处，进水流量为5m3·h-1，整体看来不同的时间段进水水质不同，进水波动比较大，进水水质如表1所示。

表1 进水水质表

(2)测试方法

实验中对颗粒污泥特性、微生物相的具体测定方法及测定仪器如表2所示。

表2 测试方法

(3)实验工艺流程

有污泥回流和无污泥回流的系统工艺流程图分别如图1，废水首先进入进水箱，进水流量为5m3·h-1，经过筛网过滤后去除出废水中比较大的悬浮物，然后在进水泵的作用下通过水解池底部的布水器均匀进入水解酸化池中，然后依次流入氧化沟内沟、外沟，经过厌氧释磷好氧吸磷、好氧硝化等过程后，进入二沉池进行泥水分离，废水经过一系列处理后进行外排。本次实验中包含三个回流系统，一是剩余污泥回流到氧化沟内沟（即厌氧区），污泥回流比为100%，用来补充由氧化沟混合液带走的活性污泥；二是将部分硝化液即二沉池出水回流至水解反应池中，硝化液回流比为150%，进行水解反硝化脱氮；三是新增加的剩余污泥回流系统，回流比为5%，即将剩余污泥回流至水解酸化池前端，与进水混合后一起进入水解池。

图1 系统工艺流程图

(4)实验方法

①对污泥减量效果的研究

对有污泥回流和无污泥回流两水解酸化反应系统稳定运行后两个月的污泥减量效果进行测定对比。两系统的运行参数均为进水5m3·h-1，平均排泥体积200L。稳定运行两个月后，两系统的排泥情况如表3和表4所示。在本实验中采用污泥表观产率来表征水解池中有无污泥回流工况下对污泥减量效果的差异。

表3 无污泥回流时系统排泥数据

表4 有污泥回流时系统排泥数据

②对污泥减量机理的研究

水解池采用的是改造的上流式污泥床反应器。根据水解、产酸菌和产甲烷细菌的生长速度不同，水解酸化工艺其实是通过控制系统的水力停留时间，来淘汰水解酸化池中的产甲烷细菌。培养成熟的水解池污泥为外观为黑色，结构密实的厌氧颗粒污泥。从实验数据和实验现象中我们可以看出，将一部分剩余污泥回流到水解池前后，水解池中污泥的外观形态和性质是有所不同的。

从水解池中取2000ml的颗粒污泥，洗泥，将颗粒污泥和絮状污泥分开，沉降30min，之后测定沉降体积、污泥浓度。污泥回流前，水解池中污泥颗粒较大，并且只沉积在水解池的下层；而当污泥回流后，水解池中污泥颗粒变小，同时在水解池的中层出现颗粒污泥。

实验中主要研究了污泥回流前后水解池中颗粒污泥和絮状污泥的体积比、质量比、颗粒污泥的表观特征对比、颗粒污泥粒径分布的对比、回流前后水解池中污泥的MLVSS/MLSS比值以及颗粒污泥形态和镜检结果。

2.结果与讨论

(1)污泥表观产率对比

在本实验中采用污泥表观产率来表征水解池中有无污泥回流工况下对污泥减量效果的差异。其中污泥表观产率的计算公式如下：

其中，MLSS为系统排泥的污泥浓度（mg·L-1）；Va为系统排泥的污泥体积（L·d-1）；CODi、CODe分别为系统进出水平均COD值（mg·L-1）；Qd为系统进水水量（2m3·h-1、t·d-1）；Td为系统每天总共持续进水时间（24h）。

由表3和表4可以看出无污泥回流的系统，稳定运行的两个月内二沉池总的排泥量：m回流前=3975.84 g·d-1×30d+3558.62g·d-1×30d=226033.8g；有污泥回流的系统，稳定运行的两个月内二沉池总的排泥量：m回流后=2034.05g·d-1×30d+2552.85g·d-1×30d=137620.5g。

根据计算，水解池无污泥回流的系统，两个月稳定运行中排泥总量为226.03kg（干重），表观污泥产率Yobs1为0.306gMLSS/gCOD；水解池有污泥回流的系统，两个月稳定运行中排泥总量为137.6kg（干重），表观污泥产率Yobs2为0.186gMLSS/gCOD。因此水解池中有污泥回流的系统中污泥减量效果要好于没有污泥回流的情况。同时，经计算可得，有污泥回流的系统污泥较无污泥回流的系统可实现39%的减量率。

(2)污泥回流前后水解池中颗粒污泥的性质

①污泥回流前后水解池中颗粒污泥和絮状污泥的体积比

②污泥回流前后水解池中颗粒污泥和絮状污泥的质量比

表5、表6中很明显可以看出，回流之后水解池中颗粒污泥的质量和体积都有所增加，可以证明回流剩余污泥到水解池中，促进了水解池中颗粒污泥的生长。

表5 污泥回流前后水解池中污泥的体积比

表6 污泥回流前水解池中污泥的质量比

(3)污泥回流前后颗粒污泥的表观特征对比

图2为污泥回流前后颗粒污泥的外观形态的照片。中可以看出污泥回流前后颗粒污泥的大小和颜色都有改变。对于污泥回流之前水解池中颗粒污泥的颜色呈亮黑色，回流之后的颗粒污泥呈灰棕色，两种颗粒污泥的形状基本相同，但回流之后的颗粒污泥的平均粒径要比回流之前小。

图2 污泥回流前、后颗粒污泥

(4)污泥回流前后颗粒污泥粒径分布的对比

在本次研究中采用湿示筛分法来对污泥回流至水解池前后颗粒污泥粒径分布情况进行测定，湿式筛分法是最常用的粒径测定方法[11]。

由图3可以看出，在剩余污泥回流至水解酸化池之前，水解池中的颗粒污泥各级粒径从小到大分别占总质量的1.21%、3.45%、14.6%、60%、20.74%；在剩余污泥回流至水解酸化池之后，水解池中颗粒污泥各级粒径从小到大分别占总质量的2.9%、20.23%、55.07%、16.64%、5.16%。回流前水解池中颗粒污泥分布在2～3mm区间的最多，占总的颗粒的55.07%左右，回流后水解池中颗粒污泥分布在1～2mm区间的最多，占总颗粒60%左右。由此可见，污泥回流至水解酸化池之前的颗粒污泥的平均粒径大于回流之后的颗粒污泥。

图3 颗粒粒径/mm

(5)回流前后水解池中污泥的MLVSS/MLSS比值

目前，在废水处理中习惯用MLVSS来表示污泥中有机物质的含量，而用MLVSS/MLSS的值来反应污泥中微生物含量所占的比重，进而对污泥的生物处理能力进行衡量，从而反应出污泥的活性的大小。由图2～图4中可以看出污泥回流之后，水解池中污泥的MLVSS/MLSS的值变大，由此可以说明回流之后污泥的活性增大。其主要原因可能是污泥粒径较大，颗粒本身吸附无机盐类就较多，又受传质作用的限制[12]，导致颗粒污泥内部细菌活性和数量都有一定的减少，从而使得污泥的活性随之降低。

图4 污泥回流前后颗粒污泥MLVSS/MLSS比值

(6)颗粒污泥形态和镜检结果

用光学显微镜对水解池中颗粒总体形态和生物相进行观察（40倍），如图5所示。

图5 颗粒污泥镜检结果

从图中可以看出，左图为污泥的外部结构，颗粒污泥呈球形；右图为污泥内部结构，空隙较大，可用于为有机物的吸附和降解。颗粒污泥絮体内部排列比较紧密。

图6中分别为水解池中上、中、下层以及颗粒污泥的镜检结果。从图中可以看出，水解池中有很多微生物絮体的存在，并且随着水解池高度的不同，微生物的种类也不一样。下层污泥中球菌和短杆菌比较多，并且污泥絮体排列紧。随着水解池高度的增加，开始出现长杆菌和丝状菌。同时对颗粒污泥进行镜检，结果可以看出颗粒污泥中微生物絮体的种类明显比其他污泥要多。

图6 水解池上、中、下污泥镜检结果

3.结论

（1）水解酸化-微孔曝气氧化沟组合工艺增设剩余污泥回流至水解池后，得出污泥回流之后比污泥回流之前可实现39%的污泥减量效果。

（2）同时对污泥回流前后水解池中污泥浓度进行测量，可以看出两系统各自稳定运行后，水解池中污泥平均浓度有所增加，但是相对于每日从二沉池回流的污泥量来说水解池中污泥增加的量要小很多。总的来说回流的剩余污泥在水解池中得到了一定的水解，水解酸化-微孔曝气氧化沟组合工艺可以有效的实现剩余污泥的减量化。

（3）对污泥回流前后的水解池中的颗粒污泥的特性进行了研究，分析了两系统中颗粒污泥的差异以及原因。结果如下所示：

①将剩余污泥回流到水解池之后，水解池中的颗粒污泥的特性发生了变化。首先水解池中的颗粒污泥得到了生长，表现在颗粒污泥的质量和体积的增加。

②通过对回流前后的颗粒污泥的外观形态和粒径进行分析测定后，可以看出污泥回流后系统中颗粒污泥的颜色由回流前的黑色变为灰棕色，而颗粒污泥的平均粒径也比回流之前要小，回流前水解池中颗粒污泥分布在2～3mm区间的最多，而回流后水解池中颗粒污泥分布在1～2mm区间的最多。

③实验中测定了回流前后的水解池中颗粒污泥的MLVSS/MLSS的比值，来表征污泥的活性的变化。由实验结果可以得出污泥回流之后颗粒污泥的MLVSS/MLSS的值明显变大，从而可以证明回流之后污泥的活性变大。

④实验中通过光学显微镜对颗粒污泥的微观形态进行了研究，从图中可以看出，污泥的外部结构，颗粒污泥呈球形；污泥内部结构，空隙较大，可用于为有机物的吸附和降解。颗粒污泥絮体内部排列比较紧密。同时分别对水解池中上、中、下三层的污泥进行镜检，可以看出随水解池高度的不同微生物的种类也有所不同，下层主要是球菌和短杆菌，随高度的增加开始出现长杆菌和丝状菌。