李激教授团队：污泥致密系统处理技术在污水处理厂的应用初探
邵彦鋆1 王冰2 周瑜3 施俊3 宗政辉2 刘国强2 陶翔1 张欣1 黄凯文1 王燕1 王硕1,4 李激1,4*
（1. 江南大学 环境与土木工程学院 江苏省厌氧生物技术重点实验室，江苏 无锡 214122；2. 江苏德福源科技有限公司，江苏 无锡 214002；3. 无锡市水务集团有限公司，江苏 无锡 214000；4. 江苏省高校水处理技术与材料协同创新中心，江苏 苏州 215009)
研究背景
好氧颗粒污泥（aerobic granular sludge, AGS）因其具有结构紧凑、沉降性能好等优点，可以有效节约污水处理工艺至少50%的水力停留时间，同时，好氧颗粒污泥反应器具有更高的氧转移效率，可以大幅节省污水处理厂曝气能耗，有利于促进“双碳”目标的实现。然而，AGS往往采用序批式反应器进行培养，因其可以提供较好的选择压和水力剪切力，Nereda®工艺作为成功的好氧颗粒污泥应用案例在全世界大范围推广，但其无法有效匹配集成到国内现存的连续流污水处理厂中，极大限制了AGS技术的发展。
水力旋流分离器在污水处理领域已有较多的应用，通过密度筛分，可用于除砂、筛分厌氧氨氧化颗粒污泥，以及筛分粒径较大的活性污泥等。国外已有研究者成功将旋流分离器应用于连续流厌氧/缺氧/好氧的污水处理厂中，通过对剩余污泥的全覆盖式处理，实现系统污泥沉降、抗负荷冲击和污染物去除性能的提高。随着这类技术在国外的成熟应用，为国内存量污水处理厂的升级改造提供了重要思路。本研究团队采用由江苏德福源科技有限公司引进并改造后形成的污泥致密系统处理技术（SDST），将其应用于无锡市某污水处理厂一期工程，并将二期工程作为对照组，采用半覆盖处理的方式开展初期研究，并持续运行3个月，对污染物去除能力、污泥沉降性能和污泥组分变化进行分析，初步探索污泥致密系统处理技术在国内典型连续流污水处理厂的应用效果。
图1 污水处理厂一期工程SDST工艺优化路线（A）和二期工程工艺路线（B）
摘要
选取无锡市某污水处理厂（设计规模15万m3/d）进行污泥致密系统处理技术（SDST）工艺优化，在外回流工艺段增设污泥致密模块实现污泥沉降性能的有效提高。该厂采用倒置AAO工艺（缺氧/厌氧/好氧），一期和二期工程分别作为实验组和对照组，设计规模分别为4万，11万 m3/d。致密模块以半覆盖式处理（最大处理量为原设计剩余污泥量的50%），成功运行90 d，一期工程的TN去除能力显著提升，出水浓度下降14.7%，由6.32 mg/L下降至5.39 mg/L。启动阶段（1~36 d），一期好氧池污泥沉降速度提升至1.92 m/h，稳定提升阶段（42~90 d），其沉降速度和SVI30分别为3.62 ± 0.52 m/h和49.3 ± 5.5 mL/g，而二期污泥分别为1.93 ± 0.35 m/h和59.3 ± 5.5 mL/g。污泥致密模块具有稳定的污泥致密作用，致密污泥MLSS为19.3 ± 2.75 g/L，SVI30仅为36.7 ± 9.0 mL/g。通过镜检成功观察到致密污泥中含有大量的小型颗粒状絮体，但颗粒化程度有限。研究发现，活性污泥中大量的纤维状和惰性无机物质是影响致密模块稳定运行的重要因素，通过增设螺旋式格栅可以保障致密模块的稳定运行，而无机物质中的砂、铁盐和铝盐等对系统的影响仍需进一步探讨。此外，耦合除砂措施并采用全覆盖式处理以优化改造致密模块是进一步提高致密污泥颗粒化程度的关键。基于首次在国内倒置AAO连续流污水处理厂成功应用污泥致密系统处理技术，将为国内存量污水处理厂的升级改造提供重要思路。
01、污水处理厂概况及工艺改造路线
1. 生物炭对厌氧消化产甲烷效能的影响
选取无锡市某污水处理厂进行部分改造优化，一期工程的工艺改造线路和二期工程的工艺路线如图1所示，污泥致密模块实厂安装情况如图2所示。该厂共包含一期和二期工程，处理工艺均为倒置AAO工艺，采用同一进水，设计处理规模分别为4.0万，11.0 万m3/d，内回流比（r）控制在300%~400%，外回流比（R）控制在80%~100%。每期工程分别包含两组平行工艺（一期：1号和2号，二期：3号和4号），出水稳定达到DB 32/1072—2018《太湖地区城镇污水处理厂及重点工业行业主要水污染物排放限值》要求。该厂在好氧池中额外投加聚合铝铁实现同步化学除磷，因此其活性污泥沉降性能较好。
污泥致密模块（江苏德福源科技有限公司，宜兴，中国）由致密反应装置和泵及其自控组件组成，致密反应装置主体为两组密度分离反应器，基于国内实际工况进行改造优化。好氧池活性污泥（以下简称为好氧泥）通过二沉池沉淀进入污泥浓缩池后，采用污泥致密模块对外回流污泥（以下简称回流泥）进行截留，通过旋流分离将回流泥筛分为优质的致密污泥和散状的轻质污泥。该厂设计最大剩余污泥排泥量约为100 m3/h，污泥致密模块在初期实验中采用半覆式处理，即仅处理原50%的设计处理量（约50 m3/h）的回流污泥，该部分处理量最大仅占设计污水处理量的3%。致密污泥回流至一期缺氧段前端，设计流量约10 m3/h，轻质污泥经脱水后排出系统，流量约40 m3/h。
图2 污泥致密模块实厂安装情况
02、分析与检测方法
1）基于国标法，对进出水水质变化进行监测，测试指标包括COD、BOD5、TN、TP和NH3-N，其中BOD5取两期工程的总出水进行测定。
2）基于重量法，对好氧泥、回流泥、致密污泥和轻质污泥进行测试，分别计算混合液悬浮固体浓度（MLSS）和挥发性悬浮固体浓度（MLVSS），以测算VSS/SS、SV5和SV30、SVI5和SVI30，其中，回流泥、致密污泥和轻质污泥稀释3倍后进行沉降指标测定。
3）按照Roche等描述的方法，使用圆柱形内径为12 cm的3 L取样器，对好氧泥的沉降速率进行测定，记录污泥沉降30 cm所需时间，以此测算污泥沉降速度。
4）采用激光粒度仪（BT-2003，丹东百特仪器有限公司，中国）对活性污泥粒径进行测定。测试时采用的介质为水，直接倒入混匀的活性污泥，调整遮光率范围处于8%~15%进行扫描，采用通用模型获取活性污泥概率分布图，得到粒径中位值。
5）采用奥林巴斯生物显微镜（OLYMPUS CX31，Olympus Corporation，日本）对活性污泥形态和粒径进行观察。
03、结果与讨论
1. 污染物去除特征
SDST的应用效果如表1所示。该厂进水的BOD/COD值为0.55，平均碳氮比（BOD/TN）和碳磷比（BOD/TP）分别为3.60和34.8，具有较好的可生化性，可以实现稳定脱氮除磷。同时，该厂对各污染物均有较强的去除能力，一期和二期工程BOD和COD的平均去除率均高于98.7%和92.5%，TP的去除率高于98.4%，TN的去除率高于85.2%，NH3-N的去除能力高于98.8%。相较于二期工程，致密系统应用后，一期工程的出水TN浓度下降了14.7%，去除率由85.2%上升至87.4%。
表1 污泥致密系统处理技术应用前后污染物去除情况
将各污染物的去除率采用Student’s T-Test进行差异性检验，结果如图3所示。结果表明，COD、TP和NH3-N在致密处理后未有差异性（“N.S.”代表P>0.05），而TN的去除能力则出现了显著性的提升（“***”代表P<0.001）。Roche等在应用致密技术后同样发现系统的出水TN由7.4 mg/L下降至6.6 mg/L。这很有可能是由于反硝化菌群作为系统中活性污泥的重要组成，在进一步的密度筛选下得到富集并返回至一期工程中，提高了系统整体的反硝化能力。
图3 一期和二期污染物去除率Student’s T-Test差异性检验
2. 好氧泥沉降速度和生物量
图4 一期和二期工程污泥沉降速度（A）和MLSS（B）变化情况
图4（A）展示了一期和二期工程污泥沉降速度的变化特征。运行初期，污泥致密系统每日运行6~8 h，好氧泥平均沉降速度为1.41 ± 0.26 m/h，并且出现波动上升，最高达到1.92 m/h，将该阶段作为启动阶段。在此期间，一期和二期好氧泥的平均VSS/SS比例分别为56.2%和57.8%，低于国外污水处理厂的典型比例70%，这也造成污泥致密模块在实际运行过程中受到大量惰性无机物堵塞的影响，如图5所示。尽管在致密反应装置前端配备筛网，但是仍然存在大量纤维状物质，需每日清洗，无法保证其全天运行。因此，在运行36~42 d期间进行停运改造，通过增设螺旋式格栅，实现自动清渣以保障装置的24 h稳定运行。
图5 启动阶段致密反应装置筛网堵塞后和清洗后情况
增设螺旋式格栅后，同时监测一期和二期好氧泥的沉降速度，一期沉降速度波动上升，进入稳定提升阶段。一期好氧泥沉降速度显著高于二期（ANOVA，P<0.001），平均沉降速度分别为（3.62 ± 0.52），（1.93 ± 0.35）m/h。值得注意的是，在增设格栅后，一期好氧泥的沉降速度迅速增加至2.7 m/h，并持续增加至4.0 m/h，而好氧泥的MLSS出现陡然下降，由4.98 g/L下降至3.53 g/L。通过现场核实，发现由于外流泵损坏，管道内淤积大量回流污泥无法回到系统，导致沉降速度的迅速上升。通过维修后，淤积的回流污泥重新进入系统，导致沉降速度迅速回落至2.66 m/h，稳定后又逐渐于53日上升至4 m/h，并随着MLSS稳定，沉降速度逐渐下降，在此期间一期和二期MLSS分别为3.93 ± 0.32 g/L和4.94 ± 0.31 g/L。在运行63~72 d期间，一期和二期MLSS较为相近，分别为4.58 ± 0.55 g/L和4.80 ± 0.42 g/L；一期好氧泥沉降速度（3.16 ± 0.21 m/h）仍显著高出二期好氧污泥（2.16 ± 0.34 m/h）（ANOVA，P<0.05）。在随后的运行过程中，随着污泥浓度的波动，沉降速度同样会发生迅速响应。因此，污泥的沉降速度在提升过程中仍会受到污泥浓度的影响出现波动，该现象与Gemza等的研究结果一致，需结合其他指标进一步分析。
3. 好氧泥沉降性能
图6（A）和（B）分别展示了SV30和SVI30的变化情况。相较于沉降速度，SV30的变化情况较为稳定，并且一期和二期工程的沉降性能均呈现出明显下降趋势，一期工程由32.8 ± 2.4 %下降至20.7 ± 0.1 %，二期工程由35.0 ± 0.9 %下降至26.5 ± 0.1 %。这可能归因于水温逐渐由16.4 ℃上升至24.3 ℃，提高了微生物的代谢活性，从而提高了活性污泥沉降性能。尽管如此，一期工程的SV30仍然远低于二期，而SVI30结果进一步证实了致密系统处理对好氧泥沉降性能的提高。在启动阶段，一期好氧泥的SVI30略低于二期，分别为（62.8 ± 5.5），（67.2 ± 3.2）mL/g，且未有显著差异（ANOVA，P>0.05）。然而在提升阶段，一期好氧泥的SVI30显著低于二期（ANOVA，P<0.001），分别为（49.3 ± 5.5），（59.3 ± 5.5）mL/g，在此期间，一期和二期聚合铝铁投加量均约为0.035 kg/m3。因此，该结果足以验证污泥致密过程对好氧泥沉降性能的提升作用，与文献结果一致。因此，尽管本此研究仅采用半覆盖式处理，好氧泥的沉降性能仍得到了有效提升。
图6 一期和二期工程好氧泥SV30（A）和SVI30（B）及温度（C）变化情况
4. 致密化前后污泥组成和沉降性能
图7中显示了致密系统运行3个月后活性污泥的沉降性能变化特征，SV5和SV30如图7（A）和（B）所示，SVI5和SVI30如图7（D）和（E）所示。SV5和SV30变化情况表明，致密反应装置对于污泥的筛分具有较为稳定的作用，致密污泥的SV5和SV30始终低于回流泥和轻质污泥，而轻质污泥则具有最差的沉降性能。值得注意的是，在致密反应过程的长期作用下，活性污泥的沉降性能得到改善，回流泥SV5和SV30分别由60%和31%下降至32%和16%，致密污泥则分别由51%和28%下降至29%和15%，而轻质污泥也分别由69%和36%下降至34%和18%。这个结果与一期工程好氧泥的沉降性能变化相一致，同样证实了致密过程对整体系统的优化。
图7 致密处理前后污泥SV5（A）和SV30（B）、SV30/SV5（C）以及SVI5（D）和SVI30（E）变化情况
SV30/SV5是反应活性污泥颗粒化程度的重要指示指标，计算结果如图7（C）所示。结果表明，在3个月的致密过程中，回流泥、致密污泥和轻质污泥的SV30/SV5分别为0.53 ± 0.03、0.55 ± 0.03和0.53 ± 0.02，致密污泥的颗粒化程度仅略高于回流泥和轻质污泥。图7（D）和（E）显示，致密前后污泥的SVI5和SVI30同样具有波动下降的趋势，沉降性能指标汇总于表2中。回流泥的SVI5高出致密污泥的0.8倍，而轻质污泥高出其1.35倍。三者的SVI30同样表现出一致的规律，回流泥和轻质污泥的SVI30分别比致密污泥高0.74和1.27倍。上述结果与好氧泥的变化趋势相同，进一步印证了系统沉降性能的提高。然而，由于本研究中未实现致密模块的全覆盖处理，部分成型的颗粒态污泥会被误排出系统，导致其未能在系统有效累积。
表2 致密处理前后污泥组成和沉降性能情况
表2结果进一步展示了致密前后污泥的组成情况。结果进一步证实，致密反应装置对于回流泥的筛分过程具有较好的稳定性，致密污泥的MLSS和MLVSS始终高于回流泥和轻质污泥，但是致密反应过程同样分离出具有较高密度的无机物，导致VSS/SS为0.38的现象。研究认为，聚磷菌是致密污泥的重要组成，其丰富的磷酸盐使得惰性组成占比较高，具有强化沉降性能的作用。另外，具有较高密度的聚合铝铁和进水惰性物质（如泥砂）同样可能得到富集，贡献较多的惰性组分。值得注意的是，聚合铝铁的二次富集也可以有效提高该药剂在系统中的使用率，并可实现药耗的减少。然而，活性污泥中较高的惰性组分很有可能影响活性污泥系统的稳定性，并且高密度的砂粒将对污水管道和设备造成严重危害，因此仍需进一步探究各部分惰性组分的潜在影响。
5. 致密前后污泥粒径大小变化和絮体形态
运行90 d时，对一期和二期工程好氧泥，以及致密前后污泥进行粒径测定和镜检，粒径分布如图8（A）所示，中位粒径值如图8（B）所示。粒径结果表明，一期和二期好氧泥粒径分布相近，且中位径几乎相同，分别为41.9, 41.8 μm，而致密前后污泥粒径分布和中位径同样相近，且中位径无明显差异（32.4~32.5 μm），但明显低于好氧泥。进一步对致密前后污泥进行污泥镜检，结果如图8（C）所示。从图片可以明显发现，致密污泥中包含大量的小型颗粒污泥絮体，粒径约为10~40 μm，而轻质污泥中则以大量松散的污泥絮体为主。
图8 好氧泥和致密前后污泥粒径分布（A）和中位径（B）以及致密前后污泥镜检图片（C）
污泥粒径结果似乎与沉降性能的提高相悖，然而，Wei等认为，尽管可以在连续流运行的污水处理厂中筛选出部分颗粒污泥，但系统本身仍然以松散的絮体为主，因此无法通过粒径直接判断污泥的致密程度。与此同时，此次实验的致密处理量仅占到进水流量的3%，且SDST采用半覆盖的方式运行，大大减缓了污泥颗粒化程度，文献报道絮体本身的理化性质也可能需要1~2年才能观察到较明显差异。Zhao等同样将水力旋流器应用于连续流污水处理厂，以提取并回收胞外聚合物，结果发现温度是影响活性污泥聚集的主要因素，这也解释了一期和二期好氧泥粒径分布相近的原因。相较于颗粒污泥，致密过程产生的污泥聚集体（超过200 μm）很有可能是半覆盖处理下系统沉降性能提高的重要原因。因此，虽然SDST以半覆盖处理的方式成功提高了污泥的沉降和污染物去除性能，但若不采用全覆盖的处理方式，将大幅减缓污泥的颗粒化进程。
04、展 望
污泥致密系统在倒置AAO污水处理厂的初期应用研究取得了较好的效果，但同样面临许多潜在问题。活性污泥中大量的纤维状物质直接影响了致密模块的稳定运行，通过耦合螺旋式格栅实现自动清渣，可以有效保障致密模块的稳定运行。此外，通过分析发现，聚磷菌群中的磷酸盐组分、聚合铝铁沉淀物和进水惰性物质共同提高了致密污泥中惰性无机组分比例，因此，微生物种群的变化特征及各组分对致密过程的影响需在下一阶段研究中深入探讨。在此次初期实验的基础上，下一阶段将致密模块以全覆盖的方式进行改造升级，拟添加除砂设备，实现活性污泥致密和除砂过程的有效耦合，以此增强致密污泥的优选培育效果，提高功能菌群丰度以及污泥颗粒化程度，并在未来探究SDST对污水处理厂脱氮除磷能力、节能降耗潜力和抗负荷冲击能力的强化作用及其机制。
05、结 论
首次在国内设计规模为15万m3/d的连续流倒置AAO污水处理厂应用污泥致密系统处理技术，并成功运行90 d，主要结论如下：
1) 致密过程对于COD、TP和NH3-N的去除率未有明显影响，但显著提升了倒置AAO系统对TN的去除能力，相较于二期工程，TN浓度下降了14.7%，由6.32 ± 0.86 mg/L下降至5.39 ± 0.97 mg/L。
2) 启动阶段，沉降性能得到初步提升，沉降速度最高提升至1.92 m/h，活性污泥中大量存在的纤维状物质，无法保障致密反应装置的连续运行，因此通过增设螺旋式格栅，实现自动清渣以保障致密过程。
3) 稳定提升阶段，一期工程好氧池污泥平均沉降速度（3.62 ± 0.52 m/h）显著高于二期污泥（1.93 ± 0.35 m/h），一期好氧泥的SVI30同样显著低于二期，分别为49.3 ± 5.5 mL/g和59.3 ± 5.5 mL/g。
4) 污泥致密模块对回流污泥具有稳定的致密作用，致密污泥具有极强的沉降性能，平均SVI30为36.7 ± 9.0 mL/g，而回流污泥和轻质污泥SVI30分为（62.5 ± 10.4），（80.6 ± 10.8）mL/g。
5) 污泥镜检观察到致密污泥中大量规则的小型颗粒污泥絮体（10~40 μm），污泥致密模块的全覆盖处理可能是污泥沉降性能和颗粒化程度进一步提升的关键。
