厌氧—好氧生物膜处理污水、污泥的研究
以微生物隐性生长能够降低污泥产量的理论为基础，采用厌氧—好氧生物膜工艺进行污水和污泥的组合处理。系统对COD、NH4+-N和TN的平均去除率分别为89.99%、85.14%和70.06%，同时获得了较低的剩余污泥产率(0.204gMLSS/gCOD)。与传统工艺相比，剩余污泥产量降低了约2/3，减轻了后续污泥处理工序的负荷。
在城市二级污水处理厂中，剩余污泥的处理及最终处置是一个很重要的问题，其处理费用约占整个污水处理厂运行费用的50%～60%。对于生物污泥的理想解决方案是开发出一种无泥化工艺，在实际情况中比较现实且能够实现的方法就是在污水处理的同时使污泥的产量最小化，以期最大限度地降低污泥的产量和处置费用。
在污水处理系统中影响剩余污泥产率的因素较多，如水温、DO、原水水质、营养物质含量、污泥负荷、污泥龄以及处理工艺和运行方式等。AbbassiB发现主体溶液中的DO浓度对剩余污泥的产量有较大的影响。Neijssel和Tempest报道在间歇运行方式下污泥产率系数较低。LeeNM采用两段式好氧生物反应器来削减剩余污泥产量，第一阶段反应器主要利用细菌降解污水中的溶解性有机物，第二阶段反应器采用悬浮填料作为原生动物的附着载体，用于捕食第一阶段反应器的分散细菌，两段工艺平均污泥产率为0.049gTSS/gCOD。还有研究表明，微生物在基于自身细胞溶解的隐性生长方式下生长能够降低剩余污泥的产生量。笔者以此理论为基础，试图寻找一种简易、高效、合理的工艺来处理污水和污泥的组合，以期在取得高质量处理出水的同时使系统的剩余污泥产量最小化。
1 方案
试验采用厌氧—好氧生物膜技术来进行污水和剩余污泥的合并处理，其理由如下：
① 污水处理中普遍存在脱氮的要求，所以应将厌氧和好氧处理相结合；
② 好氧出水中的脱落生物膜可回流至厌氧池进行稳定，以期最大限度地降低剩余污泥产量，在好氧池中加入填料也是基于减少剩余污泥量的目的；
③ 在厌氧池中采用搅拌机搅拌(污泥处于悬浮状态)可使反硝化细菌均匀分布在整个厌氧池内。同时，污泥悬浮有利于控制泥龄和检测污泥浓度。
2 装置和方法
试验装置如图1所示。
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贮水箱与平衡水箱用钢板制成，容积分别为300L和50L。厌氧和好氧生化池尺寸均为16cm×16cm×64cm(有效容积为16.3L)。斜板二沉池容积为8.5L，斜板的安装角度为70°，生化池和二沉池用有机玻璃加工而成。
试验用水采用人工配制，原料为淀粉、蔗糖、蛋白胨、NH4Cl和KH2PO4，用量按C∶N∶P≈100∶10∶1的比例投加。重点考察工艺的除C、N性能。
污水在厌氧池中污水区的停留时间为4.5h，在好氧池中的水力停留时间为6h，硝化液回流比为100%，二沉池剩余污泥回流至厌氧池的污泥区，回流比为5%，在厌氧池中的停留时间为64h。好氧池中DO的浓度维持在3mg/L左右，厌氧和好氧生物膜反应池的水温均保持在26℃。
3 结果与分析
试验装置自2000年3月中旬初开始接种污泥，通水约一个月后开始检测系统的COD、NH4+-N、TN和MLSS。
3.1 对COD 的去除
COD的去除效果见图2。
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从图2可以看出，当原水的COD为237～516mg/L(平均为366mg/L)时，出水COD为20～56mg/L(平均为35mg/L)，对COD的去除率为85.54%～94.47%，平均去除率为89.99%。整个厌氧—好氧系统对COD的去除率较高，且稳定性较好(原水的COD变化范围较大，出水的COD一直＜60mg/L)。在试验的中、后期，出水中的COD含量有升高的趋势，其原因可能是系统一直没有进行外排泥，而老化死亡的污泥在分解时会产生大量不可生物降解的细胞残留物质。同时随着污泥浓度的增加，微生物的内源呼吸将加剧，从而又会产生大量的溶解性微生物代谢产物(SMP),使得出水中的COD上升。内源代谢过程总是伴随着不可生物降解物质的积累和衰老细胞的溶解及其胞质释放。
3.2 对NH4+-N和TN的去除
对NH4+-N和TN的去除效果见图3、4。
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从图3、4可以看出，当原水的NH4+-N为23.89～42.65mg/L时，系统出水NH4+-N为2.57～5.87mg/L，平均去除率为85.14%，这说明好氧池的硝化效果良好。此时，TN由31.7～53.64mg/L降至9.65～15.68mg/L，平均去除率为70.06%。试验发现，因同化作用而去除的N仅占TN去除量的16%左右，所以可推断在好氧生物膜反应池中存在着同步硝化反硝化现象。由于高浓度的附着相污泥所造成的好氧—厌氧微环境使得一部分硝态氮在好氧池中直接发生了反硝化，从而使系统具有较好的脱氮性能。在试验后期由于老化衰亡污泥数量的增加，出水中NH4+-N和TN的含量有所上升。
3.3 污泥浓度的变化
在试验期间每3d左右检测一下厌氧—好氧系统的污泥(包括厌氧污泥、好氧污泥的悬浮相和附着相)浓度(见图5)以考察系统的污泥产率(见图6)。
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由图5可见，厌氧池中污泥一直维持在较高浓度(7982～19235mg/L，平均为10249mg/L)，并保持上升趋势；好氧池中悬浮污泥的浓度较低，并且呈逐渐减少的趋势(甚至降至300mg/L)。好氧池内绝大部分细菌附着生长在填料上，每10d左右从池中取少量填料，将上面附着的污泥洗脱下来称重并按照好氧池的体积进行折算，其平均值为13275mg/L。
从图6看出，在试验期间系统的污泥产率YH在0.149～0.266gMLSS/gCOD之间变化，平均污泥产率为0.204gMLSS/gCOD(未考虑进水SS的影响)。常规的生活污水污泥产率系数YH约为0.6gMLSS/gCOD，与之相比该系统将污泥产量明显降低了。而且此时排除的剩余污泥有机成分低，性质较为稳定，可不经消化而直接进行脱水处理，从而较大幅度地降低了剩余污泥的处置费用。
4 结论
① 采用厌氧—好氧生物膜工艺将污水与污泥合并处理，可以在不影响出水水质的前提下较大程度地降低系统的污泥产率，而且系统在较长时间内不需要排泥，简化了污泥处理的复杂程度并降低了其处理费用。
② 系统在两个月的运行时间内对COD、NH4+-N和TN均保持了较高的去除率，平均去除率分别为89.99%、85.14%和70.06%。但是在试验的中、后期出水中的COD、NH4+-N和TN都有升高的趋势，这是由死亡污泥和处于内源代谢的微生物在反应器内累积造成的，故建议在运行中根据系统的污泥产率情况定期进行适当排泥。
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