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活塞流式反应器
已有研究表明,污泥沉降速度的选择力是推动好氧颗粒污泥形成的推动力。然而即使在传统的完全混合式反应器里加入了对污泥沉降速度的选择力,好氧颗粒污泥仍无法形成。完全混合式和序批式反应器的一个重大区别在于后者有盛宴期与饥饿期的交替,而前者没有。因此,盛宴期与饥饿期的交替极有可能是污泥沉降速度选择力外的另一个好氧颗粒污泥形成所需的必要条件。基于此,本研究采用10个完全混合式反应器串联的方式组成了一个近乎完美的活塞流反应器,以气动污泥回流的方法,实现了盛宴到饥饿期的过渡与交替(图1a)。沉降速度的选择力(Vs)由位于活塞流反应器最末端的快速沉降池实现。不同于传统活性污泥工艺二沉池所用的长达1小时以上的沉淀时间,快速沉降池的沉淀时间只有 5分钟。在此期间,只有沉降速度足够快的污泥才可保留在反应器中。该活塞流反应器在美国弗吉尼亚州Centreville市的UOSA市政污水处理厂进行了中试,其初级出水(PE)水质详见表1。反应器接种物为UOSA曝气池中活性污泥。
好氧颗粒污泥的形成与稳定
经过90天的运行,好氧颗粒污泥成功的在PAG反应器中形成并稳定(图2a),并与接种的传统活性污泥在表观上有了显著差异(图2b)。如表2所示,50%的连续流好氧颗粒污泥直径(d50)大于3.4mm,而相比之下传统活性污泥的d50只有0.3mm。此外,污泥沉降性能显著提高。如图3所示,PAG反应器中的污泥沉降性能(SVI)在前90天的运行时间里逐步改善并于90天后达到稳态。如表2所示,稳态时的好氧颗粒污泥的5分钟和30分钟SVI都显著低于传统活性污泥,且其比例接近1,这也是好氧颗粒污泥沉降性能良好的显著标志。
污染物的去除性能
在污染物的去除方面,对比了连续流颗粒污泥反应器和UOSA污水处理厂活性污泥反应器对COD和氨氮的去除效果。如表2所示,连续流颗粒污泥反应器对总COD的去除与UOSA活性污泥反应器相近,而对溶解性COD的去除(61.6%)低于活性污泥反应器(80.9%)。这可能是由于传统活性污泥较大的比表面积使其对于溶解性COD有更好的吸附能力。连续流颗粒污泥反应器和传统活性污泥反应器对氨氮去除效果相近,去除率均可达99%以上。
前景展望
活塞流式反应器(PAG)可实现连续流好氧污泥的颗粒化,具有工艺流程简单、易于控制与运行等诸多优势。PAG工艺对污泥沉降施加的水力选择速度为传统活性污泥沉淀池的10倍,换言之PAG工艺的沉淀池占地仅为传统工艺的十分之一。此外,水力旋流器(hydrocyclone)和斜板(管)沉淀池等占地面积小且价格便宜的设备均可用于污泥沉降速度的选择。因此,传统市政污水处理厂仅需对现有设施进行简易改造即可实现连续流好氧颗粒污泥工艺,极大降低了改造成本,为其在市政污水处理中的广泛推广和应用提供了坚实的基础。
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