水力条件对CANON工艺颗粒污泥特性的影响研究

漆 磊

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

引 言

随着我国工业的迅猛发展，食品废水、垃圾渗滤液、畜禽养殖废水等高浓度氨氮废水排放量逐年快速增加，而目前此类废水处理一般采用活性污泥法，需大量曝气并额外添加有机物，导致水处理成本高，运营操作难度高。CANON是一种低能耗、可持续的新型脱氮工艺[1-2]，以往对CANON颗粒污泥工艺的研究重点大多集中于溶解氧控制[3-4]和底物浓度[5～7]，对污泥颗粒化过程的水力影响因素的研究相对较少[8-9]。

水力剪切力是影响颗粒污泥的形成和性质的重要因素，当水力条件较强时，可以促使颗粒污泥紧致密实，而当水力条件较弱时，较难形成颗粒污泥[10-11]。水力剪切力由气、液、固三相共同作用的结果，高的水力剪切力不但能够强化微生物与污染物的传质效果，同时也增大了污泥被洗出和碎裂的风险，从而降低了颗粒污泥反应器的稳定运行[12]。因此在颗粒污泥膨胀床(Expanded Granular Sludge Bed，EGSB)这类高效升流式反应器中，水力剪切力俨然成为十分重要的运行参数。

综上可知，假若CANON工艺能够快速启动并具有较好的脱氮效果，同时颗粒污泥的特性能够深入剖析，则对于高效利用CANON颗粒污泥进行脱氮分析具有十分重要的意义。针对上述问题，本实验采用EGSB小试装置，采用表面曝气的方式，探究了不同水力条件下CANON颗粒污泥的浓度变化和粒径变化情况，以期能够为CANON工艺颗粒污泥反应器的优化和推广提供有力的技术支持。

1 材料与方法

CANON工艺是指在单反应器内通过控制溶解氧(Dissolved Oxygen，DO)来实现硝化和厌氧氨氧化，继而达到脱氮目的[13]。在微好氧条件下，氨氧化菌(AerAOB)将氨部分氧化为亚硝酸盐，消耗氧气形成厌氧氨氧化菌(AnAOB)所需的厌氧环境，产生的亚硝酸盐与剩余的氨经AnAOB结合生成氮气，其反应过程见公式(1)[14-15]。

(1)

CANON颗粒污泥因具有污泥停留时间久、生物量浓度高和沉降性能好等优点，比污水厂中的传统絮状污泥更具优势．因此是目前CANON工艺中主流的污泥形态[16]。

1.1 试验装置

试验装置系统如图1所示，其核心装置为三个同步间歇运行的有机玻璃EGSB反应器(R1～R3)，反应器的主要尺寸参数为：有效高度为800mm，有效直径为80mm，有效容积约为4L，反应器外部采用黑色材料进行避光处理，同时内桶与外壁之间设有水浴层进行循环加热保温，保持反应区的温度介于30～32℃之间。

图1 试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of the experimental device

R1～R3三个反应器均通过蠕动泵采用同步间歇运行的方式，进水、沉淀和出水的时间均为0.5h，反应时长为22.5h，单个运行周期为1d。

结合前人关于升流式反应器平均剪切速率的研究结论[17]，结合本试验中EGSB小试装置的特性，确定不同速度梯度下平均剪切力公式如下：

(2)

ψ=ρμlg

(3)

τ=μg

(4)

公式(3)、(4)中：ψ—水力循环搅拌中单位体积水流消耗的功率(Pa)；ρ—混合液的密度(kg/m3)；μl—反应器中水流上升流速(m/s)；γ—平均剪切速率(s-1)；μ—水的动力粘滞系数(Pa·s)；τ—反应器中的平均剪切应力(N/m2)。

R1～R3三个反应器的上升流速分布分别2 m/h、3 m/h和4m/h，水力剪切力分布分别0.024N/m2、0.030N/m2和0.035N/m2，溶解氧浓度分别为0.05±0.03、0.29±0.07和0.57±0.09 mg/L。

1.2 试验材料

本研究所用的污泥由AnAOB颗粒污泥和市政污泥按照体积比1∶1的比例混合而成。AnAOB颗粒污泥和市政污泥分别取自实验室中长期稳定运行的ANAMMOX-EGSB试验装置和城市污水处理厂中的好氧池，二者的MLVSS/MLSS值分别为0.433和0.548。两种污泥在R1～R3三个反应器中的接种量均为0.5L。

试验进水水质参考前人的研究成果，同时结合本试验前期的研究基础，采用人工模拟高氨氮浓度废水的方法。进水氨氮浓度根据出水水质进行动态调节，使进水氨氮浓度保持在350mg/L左右，同时C/N比保持在1左右。

1.3 分析方法

颗粒污泥沉降速度测定方法为：取反应器中混合状态下的混合液5 mL，取其中的颗粒污泥逐个放入装有1L自来水的量筒中，分别记录各颗粒污泥开始从量筒中液面处到沉入量筒底部的时间t，测量量筒中液面高度H并按H/t计算出各颗粒的沉降速度。

溶解氧：HACH-HQ30d型便携式溶氧仪测定；MLSS：重量分析法；MLVSS：600℃灼烧法，污泥表面结构采用JEOLJEM-1400(JAPAN)型扫描电镜测定；粒径分布采用LS1332(美国贝克库尔特有限公司)型全自动激光粒度分析仪测定。

2 结果与讨论

2.1 颗粒污泥浓度变化与分析

CANON颗粒污泥培养过程中污泥浓度的变化如图2所示。三个反应器在污泥接种2～3天后，由于采用无机培养，导致反应器中异养菌自身内源降解，致使部分污泥变松散，在水流剪切应力作用下，生物膜剥落，由于其沉淀性能不佳导致最后排水时易被排除系统中，从而污泥浓度下降。

图2 不同水力条件下各系统启动过程中污泥浓度变化图Fig.2 Variation of sludge concentration during start-up of each system under different hydraulic conditions

开始污泥浓度几乎相同，随着试验的进行，在试验初始阶段，三个反应器内污泥浓度均减少，R3污泥浓度下降了869mg COD/L，R2污泥浓度下降了508mg/L，R1污泥浓度下降了275mg/L，污泥浓度减小值呈现R3>R2>R1，主要因为反应器内水力剪切力越大，在反应器启动初期被洗出的絮状污泥量越多，加上环境突变，AnAOB颗粒污泥上的生物膜开始变得松散，从颗粒污泥上剥落的生物膜也越多，原因二可能为系统初始微生物中存在着一部分异养菌，由于系统内为自养环境，不适宜异养菌生长，导致异养菌死亡，因此启动期间初始条件相同的3个反应器运行一段时间后，污泥量和颗粒污泥粒径均减小，且剪切应力越大被洗出的污泥量也越大。

随着反应器内微生物逐渐适应了新环境，且R1、R2成功启动了CANON反应，导致CANON系统中功能微生物利用环境中的营养物质进行同化作用促使微生物增殖，从宏观上来说表现为污泥浓度均呈现上升趋势。待反应器启动成功和稳定后，污泥浓度呈现出R2>R1>R3，其中R1污泥浓度相比初始条件增加了267mg/L，R2污泥浓度相比初始条件增加了370mg/L。R3中上升流速过大导致反应器溶解氧过高抑制了CANON反应，导致CANON颗粒污泥工艺启动未能成功，尽管实现了部分硝化作用，但污泥浓度仍仅能维持在较低水平。而R1上升流速较低导致传质效果和反应速率均较低，虽然污泥浓度实现了增加，但污泥浓度增加幅度不如R2，可知R2中CANON反应速率较大，故污泥生长速率也较大，导致污泥浓度增长也最多。

2.2 颗粒污泥粒径分布变化与分析

图3为R1和R2启动成功后形成的CANON颗粒污泥，由图3可知(a)、(b)为自然状态下观察R1、R2粒径分布，(c)、(d)为在电镜扫描状态下单个CANON颗粒污泥状态。由图3可知R1和R2颗粒污泥的形态均较为完整且均匀，其中R1略大于R2。

图3 R1和R2系统内颗粒污泥照片Fig.3 Photos of granular sludge in R1 and R2 systems

图4为初始系统及不同水力条件长期作用下各系统内污泥粒径分布图，从图4中可以看出，长期试验下系统内的粒径变化明显，启动过程中逐渐发现R1、R2中出现愈来愈多的颗粒污泥，在数量及粒径上均出现了较大提升。在初始阶段，系统内由AnAOB颗粒污泥和市政好氧池污泥组成，故粒径分布呈现两极分化，粒径占比最多的粒径在120μm和1150μm左右，分别代表市政好氧池污泥和初始AnAOB颗粒污泥。随着不同水力条件长期作用下，R1、R2成功实现CANON颗粒污泥启动，其中R1的平均粒径为1550μm左右，R2粒径为1400μm左右，可见R1粒径大于R2，均实现了颗粒化。

图4 系统初始状态及150d稳定时粒径分布图Fig.4 The initial state of the system and the particle size distribution when it is stable for 150 days

水力剪切力对污泥颗粒化有正向作用和抑制作用两种[18]。正向作用：高的水力剪切力不但能够强化微生物与污染物的传质效果，促进微生物增殖；同时能强化EPS的分泌，增强各个微生物之间的黏附作用。抑制作用：高的水力剪切力也增大了污泥被洗出和碎裂的风险，使微生物与微生物之间存在着静电斥力与水力剪切力的两种阻碍作用。颗粒化形成的过程就是以上两种作用共同作用的结果，R1中上两种作用产生的颗粒化正向影响远远大于R2，故R1粒径大于R2。而R3中较高的水力剪切力导致系统内污泥易碎裂从而洗出系统，故R3形成了絮体细小的活性污泥形态，其平均粒径在400μm左右。

颗粒污泥具有良好的沉降性能以解决颗粒污泥的流失问题，从而有效将微生物持留在反应器内，提高单位容积的微生物持有量，进而提高反应器的水力负荷与处理能力[19]。初始系统内AnAOB及R1、R2系统内颗粒污泥沉降速度见图5。

图5 初始系统及150d稳定时颗粒污泥粒径大小及沉降速度Fig.5 The particle size and settling velocity of granular sludge in the initial system and when it is stable for 150 days

根据图5可知粒径越大，颗粒污泥的沉降速度也越大，与刘永红等[20]的研究结果一致，根据公式(5)计算其理论的沉降速度[21]，与实际的沉降速度进行对比，发现与理论的沉降速度十分接近，颗粒污泥粒径越大，致使其密度越大，加快了其沉降的速度，能够在尽量短的时间内使其沉降到反应器底部防止被出水洗出反应器内。

μt=0.781[d1.6(ρs-ρ)/ρ0.4μ0.6]0.714

(5)

公式(5)中：d-颗粒污泥粒径(mm)；

μt-沉降速度(m/h)；

ρ-上清液密度(kg/m3)；

μ-粘滞系数(Pa·s)；

ρs-混合液密度(kg/m3)。

3 结 论

(1)在不同水力条件长期作用下，R3中水力剪切力过大致使污泥絮体变得细小从而沉淀效果变差致使其容易洗出反应器，并且反应器溶解氧过高抑制了CANON反应，故污泥浓度仅仅能维持在较低水平。而R1传质效果较差导致反应速率较低，虽然污泥浓度实现了增加，但污泥浓度增加幅度不如R2，三个反应器中，R2中CANON反应速率最大，故污泥生长速率也最大，导致污泥浓度增长也最多。

(2)长期试验不同阶段系统内的粒径变化明显，在初始阶段，粒径分布呈现两极分化，原因为同时存在AnAOB颗粒污泥和市政生化池絮状污泥，粒径占比最多的粒径是120μm和1150μm左右。R1、R2成功实现CANON颗粒污泥启动，但同时也包含了较多的絮状污泥，其中R1的平均粒径为1550μm左右，R2粒径为1400μm左右。R3系统内平均粒径为400μm，类似于絮状污泥的粒径分布规律。

(3)通过控制CANON-EGSB中合适的上升流速、水力剪切力等参数，能加快实现CANON工艺的快速启动，加快实现CANON工艺应用于高浓度氨氮废水的处理，从而实现高浓度氨氮废水的经济性、稳定性处理。