环境工程|好氧颗粒污泥+膜生物反应器处理城市生活污水：污泥形成、污染物去除效果

张文静 刘彤宙 董文艺 尚文涛 孙飞云

（哈尔滨工业大学(深圳) 土木与环境工程学院）

研究背景

2015年城镇生活污水排放量占全年污水排放量的71.4%，并以6%的年增速发展，这部分污水水量大且稳定，经过适当的处理后回用，可以大大缓解我国水资源污染及短缺的状况。现阶段，我国城市污水处理工艺主要是以活性污泥为基础工艺，如AO、A2/O、SBR以及氧化沟等，但均有占地面积大、水力停留时间长、剩余污泥产量大、氮磷高效去除效果低等问题，且出水水质均难以稳定达到GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A排放标准。因此，如何研发一种灵活的城市生活污水处理新工艺，如何利用微生物生理作用提高生物脱氮除磷效果是本研究要解决的问题。

好氧颗粒污泥(aerobic granular sludge，AGS)与普通活性污泥相比，具有微生物活性高、沉降性能好、较强的抗冲击能力，并且同步脱氮除磷等优点。膜生物反应器(membrane bioreactor,MBR)是将膜分离技术与生化处理技术相结合的一种新型污水处理技术。AGS-MBR组合工艺，具有水力停留时间短，节省基建面积，又能发挥AGS高效同步脱氮除磷和MBR出水水质优良且稳定的优势。

摘  要

为解决城市生活污水处理工艺存在水力停留时间较长、占地面积较大、脱氮除磷效果较差等问题，研究开发一套处理城市生活污水的AGS-MBR新工艺。以20%的实际生活污水和80%的人工配水混合为原水，基于逐步增加有机负荷和缩短沉淀时间的启动方式，连续运行AGS-MBR工艺100 d，考察AGS的污泥特性变化，并监测进、出水中COD、NH4+-N、TN、TP的去除效果。结果表明：在40 d时，SBR内培养出粒径达到2 mm的好氧颗粒污泥，比耗氧速率为46.5 mg/(g·h)，微生物代谢活性较高。工艺稳定运行期间，出水ρ(COD)、ρ(NH4+-N)、ρ(TN)、ρ(TP)平均值分别为22，0.07，9.5，0.43mg/L，达到GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》的一级A标准。

01

实验部分

1.实验流程与装置

实验污水处理工艺流程如图1所示。将人工配制的模拟城市生活污水加入2个相同规格和操作条件的SBR反应器(R1、R2)。在进水—曝气—静置—排水的循环模式下，通过在SBR反应器内进行AGS的快速培养。R1和R2出水流入1个调节池，调节池的上清液进入MBR，膜出水即为AGS-MBR工艺出水。

1—进水槽；2—SBR反应器；3—空气泵；4—气体转子流量计；5—沙芯曝气头；6—调节池；7—MBR反应器；8—纳米曝气盘；9—中空纤维膜；10—出水槽；11—时间继电器。
图1 AGS-MBR系统处理城市生活污水流程

SBR反应器(图1)为有机玻璃制成，有效容积为2.826 L，内径为6 cm，有效高度为100 cm。

MBR反应器采用一体式MBR(图1)，由有机玻璃制成，长18 cm,宽8 cm，高25 cm，有效容积为2.88 L。

2.原水与接种污泥

实验采用20%的实际生活污水和80%的人工配水混合模拟生活污水。配制出原水水质：ρ(COD)为300~400mg/L，ρ(NH4+-N)为18～24 mg/L，ρ(PO43--N)为3～4 mg/L。人工配水水质如表1所示。

表1 人工配水组成

接种污泥来自深圳市南山污水处理厂二沉池，ρ(MLSS)约为7440 mg/L，SVI为62 mL/g，含水率为99.2%。

3.工艺运行参数

采用逐步提升进水有机负荷和缩短沉降时间的方法进行培养和启动运行。SBR启动期为40 d，稳定运行期为60 d。MBR和SBR反应器(R1、R2)同时启动。

表2为SBR各阶段的运行时间。第Ⅰ阶段为污泥驯化期。第Ⅱ阶段为颗粒出现期。研究表明，选择更短的静置时间可使沉降性能较差的污泥随出水排出反应器，加快好氧颗粒污泥的颗粒化进程。第Ⅲ阶段，颗粒成熟期，进一步优选成熟的好氧颗粒污泥。

表2 SBR各阶段的运行时间

02

结果与讨论

1.SBR反应器内好氧颗粒污泥的形成

1)污泥物理宏观形态变化特性。

培养过程中SBR反应器内好氧颗粒污泥的照片如图2所示。可知：开始接种的活性污泥为絮状，至第20天，SBR反应器内污泥颜色变成棕黄色，并且有细小颗粒出现，形状不规则，且表面有较多的丝状菌生成。第30天，肉眼能明显观察到颗粒污泥椭球形轮廓。第40天，成熟的好氧颗粒污泥粒径达到2 mm，形状为球形或椭球形，颜色呈淡黄色，结构清晰。

图2 SBR反应器内好氧颗粒污泥形态特征

2)污泥微观形态SEM观察。

利用SEM对培养成功的AGS的微观形貌进行分析，图3a、b、c、d分别为好氧颗粒污泥外部、内部的扫描电镜照片。观察发现，颗粒表面凹凸不平，有各种褶皱和通道，有利于营养物质的输送及代谢废物的排出。而颗粒内部较密实，微生物聚集，以球菌和短杆菌为主。

图3 好氧颗粒污泥结构

3)好氧颗粒污泥的粒径分布。

好氧颗粒污泥的粒径分布如图4所示。在启动期间，好氧颗粒污泥粒径分布的整体趋势是颗粒的比例随着时间延长逐渐增大，絮状污泥的比例逐渐减少。至第40天反应器内颗粒成熟，0.5～1.0 mm的颗粒含量上升显著，最终成为优势区间，占TSS的32%；其次为粒径在1～1.5 mm的颗粒，占比为21%；粒径>1 mm的颗粒占比为41%。

图4 好氧颗粒污泥的粒径分布

4)好氧颗粒污泥的密度、含水率、污泥比重和沉降速度。

通常活性污泥絮体的密度为1.002～1.006 g/cm3。SBR内培养成熟的好氧颗粒污泥的密度为1.0137 g/cm3，含水率为96.5%，沉降速度为11.70～32.56 m/h。培养成熟的好氧颗粒污泥比耗氧速率为46.5 mg/(g·h)，微生物代谢活性较高。

5)污泥浓度及SVI变化。

污泥浓度和SVI值均用来表征污泥的生物量浓度和污泥结构的紧密程度，沉降性能是否良好的重要指标。启动期间，SBR反应器中污泥浓度及沉降性能变化如图5、图6所示。

图5 SBR反应器内好氧颗粒污泥MLSS及SVI的变化

图6 SBR反应器内好氧颗粒污泥SV30、SV5及SV30/SV5的变化

由图5可知：在刚接种的前5 d，由于沉降时间较短，沉降性能不好的污泥絮体大量流失。之后，随着颗粒化的进行，MLSS呈现稳定增长趋势，至第20天，污泥量已经稳步增长到3270 mg/L,同时SVI值也逐渐下降至74 mL/g。本实验中SBR反应器内好氧颗粒污泥SV30、SV5及SV30/SV5的变化与Liu等报道的相似，成熟AGS的SV30与SV5的偏差<10%。至第40天颗粒化完成，SV30/SV5为0.95，可以在出水中明显看到颗粒状的沉降性较差的污泥。

2.AGS-MBR系统对污染物的去除效果

2.1 SBR反应器对污染物的去除效果

1)对有机物的去除效果。

SBR反应器在启动及稳定运行过程中对有机物指标COD的去除特性如图7所示。进水ρ(COD)在300～400 mg/L，第Ⅰ阶段，启动运行1周内，由于接种污泥大量流失，污泥浓度大幅下降，对COD处理效果较差。随着接种污泥对进水条件的适应，MLSS开始上升，出水COD逐渐呈现下降趋势。至第Ⅱ阶段，在反应器内已经能够看到明显的黄色小颗粒，此阶段出水的COD浓度先平缓后逐渐下降，保持<50 mg/L。运行至第Ⅲ阶段，随着好氧颗粒污泥的成熟，COD去除率高达90.1%，出水ρ(COD)在35.1～39.5 mg/L内稳定变化。

图7 SBR反应器内进、出水COD的变化

2)对NH4+-N、TN的去除效果。

SBR在启动及稳定运行过程中对NH4+-N的去除如图8所示。至第Ⅲ阶段，去除率从开始的91.2%上升至98%，出水浓度一直在5 mg/L以下，去除效果较好。

图8 SBR反应器内进、出水NH4+-N的变化

TN去除效果如图9所示。可知：第Ⅰ阶段，在SBR运行1周后，TN去除率仅为40%，之后继续运行，其去除效果逐渐提高；至第Ⅱ阶段，TN的平均去除率上升至63%左右，出水ρ(TN)平均值为13.5 mg/L 左右，表明颗粒污泥粒径增大的同时，在内部形成了缺氧区，为反硝化过程提供了条件。此后，第Ⅲ阶段，随着好氧颗粒污泥的成熟，颗粒粒径的增大，TN得到进一步去除，出水ρ(TN)稳定在9.8～13.2 mg/L。

图9 SBR内进、出水TN的变化

3)对TP的去除效果。

SBR反应器在100 d的启动及稳定运行过程中，进、出水TP浓度变化如图10所示。进水ρ(TP)为3～4 mg/L，随着好氧颗粒污泥的形成，其去除率有升高的趋势。第1～8天，出水ρ(TP)出现轻微的上升，可能是由于接种污泥大量流出反应器，聚磷菌不能成为优势菌种造成的。第Ⅱ阶段，随着好氧颗粒污泥的形成，颗粒内部的厌氧区为聚磷释磷的微生物提供良好的生长环境，出水中ρ(TP)由1.2 mg/L降至0.82 mg/L。第Ⅲ阶段，粒径>1 mm的AGS占比达到41%，除磷能力得到进一步提升，出水ρ(TP)为0.62 mg/L左右，平均去除率为83.2%左右。

图10 SBR反应器内进、出水TP的变化

2.2 MBR反应器的出水效果

SBR(R1/R2)出水进入MBR，MBR的膜出水即为AGS-MBR工艺出水。如图11所示为MBR出水主要污染物浓度的变化情况。可知：MBR出水TN、TP的浓度整体均呈下降趋势，在运行第6天，出水ρ(COD)已经降至50 mg/L以下，达到GB 18918—2002一级A标准。系统对COD的去除效果优良。

图11 MBR反应器出水主要污染物浓度变化

前置的SBR内好氧颗粒污泥完成了对原水N主要去除，经MBR内微生物好氧硝化作用，出水NH4+-N、TN浓度从第1天开始已经达到GB 18918—2002的一级A标准。

MBR反应器对TP的去除主要通过排泥，SBR内好氧颗粒污泥具有好氧区-缺氧区-厌氧区的分区特性，磷得到较好的去除，进入MBR的ρ(TP)已低于1 mg/L。

3.综合处理效果分析

表3为稳定运行期间，SBR和MBR对原水的处理效果分析。可知：AGS-MBR工艺对原水的处理效果较好，MBR反应器进一步去除原水中有机物、强化脱氮除磷，保证出水水质稳定达到GB 18918—2002一级A标准。

表3 稳定运行期除污效果分析

03

结 论

1)以20%的实际生活污水和80%的人工配制进水为原水，通过逐渐提高进水有机负荷和逐渐缩短沉降时间的方式进行反应器的启动。在该条件下，经过40 d的培养，在SBR反应器内形成粒径为2 mm的好氧颗粒污泥，含水率为96.5%，沉降速度为11.70～32.56 m/h。比耗氧速率(SOUR)为46.5 mg/(g·h)，说明培养出的AGS结构紧凑，物理沉降性能好，且微生物代谢活性高。

2)工艺启动的前1周，SBR内污泥大量流失，出水水质波动较大。但工艺出水COD、NH4+-N、TN浓度已稳定达到GB 18918—2002一级A标准要求。

3)AGS-MBR工艺日处理水量为22.4 L，在稳定运行期间，出水COD、NH4+-N、TN和TP的平均质量浓度为22，0.07，9.5，0.43 mg/L，平均去除率分别为94.4%、99.5%、71%、86.3%。

来源：张文静,刘彤宙,董文艺,尚文涛,孙飞云.好氧颗粒污泥与膜生物反应器组合工艺处理城市生活污水[J].环境工程.2019,37(3):55-60

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