废水处理工艺流程与蠕虫反应器： 水污染治理与生态修复技术研究

选择了适于减量污泥的蠕虫，并不意味着获得高污泥减量率，保持蠕虫在废水处理系统中的稳定存在和生长非常关键。因此，选择适宜的处理流程以及为寡毛类蠕虫生长提供适宜的栖息地就显得至关重要。

（1）废水处理工艺流程

起初，人们采取向活性污泥系统中直接投加蠕虫，试图强化其生长来实现污泥减量，结果发现实际无法操控，例如像颤蚓这样的附着型蠕虫容易沉于池底，无法在曝气池中均匀分布，另外也可能随排放的污泥流失，从而影响蠕虫减量污泥的稳定性。因而目前采用单独的蠕虫反应器接种蠕虫，而废水处理系统无外乎采用活性污泥工艺，尤以传统活性污泥工艺（CAS）为主，其剩余活性污泥排放到蠕虫反应器中进行减量，经蠕虫摄食后的污泥或者回流到污水处理系统，或者排放。污泥回流对CAS系统的废水处理效果几乎没有影响，因此有关污泥减量稳定性的研究很大程度上集中在蠕虫反应器的稳定性研究上。国内外学者围绕蠕虫反应器稳定性的研究主要集中于两个方面：一是开发新型蠕虫反应器，包括反应器内蠕虫附着载体的类型和布置形式；二是优化反应器运行参数以保证蠕虫密度。

（2）新型蠕虫反应器

国内学者开发了反应器内不同区域分别生长游离型和附着型蠕虫的复合式生物污泥减量反应器，来处理污水生物处理系统排放的剩余污泥和回流污泥，其中附着型蠕虫生长区不仅加有可供颤蚓附着的丝状塑料载体填料，还通过污泥循环来避免游离型蠕虫的流失，保证其生长环境的稳定，如图6-16所示。研究表明：接种颤蚓进行污泥减量，减量率达到48%左右。研究结果未发现蠕虫摄食污泥后对污泥的沉降性能有改善，出水中有少量增加。然而研究结果并不能明确地归因于颤蚓，因此进一步构建垂直循环一体式氧化沟（IODVC）—蠕虫反应器联合系统，令颤蚓单独生长在蠕虫反应器中，来考察颤蚓减量污泥潜力，如图6-17所示。蠕虫反应器中采用矿渣填料来附着颤蚓，结果表明系统对污泥产率几乎没有影响（平均污泥产率为0.33kgSS/去除kgCOD），但是颤蚓的存在有利于提高污泥的沉降性能（平均SVI为78mL/g），颤蚓对IODVC出水水质几乎没有影响，总氮没有增加但是有磷释放。

为了扩大颤蚓与污泥接触面积、充分利用反应器容积，国内有研究者在蠕虫独立生长反应器中水平、竖直方向分别按间距6cm和8cm总计安放了33个小容器（长0.28m、宽0.03m、高0.03m）放置颤蚓，建立废水处理整合系统并且连续运行235天。污泥回流至活性污泥处理系统或者排放两种操作模式下，剩余污泥减量比例和平均污泥产率分别为46.4%和0.0619gSS/kgCOD。污泥回流对出水水质和污泥性质（黏性、污泥粒径等）几乎没有影响。还有的研究者将颤蚓附着的载体设计成孔径分别为5mm和1mm的多层水平孔板，利于空气流通，同时扩大蠕虫栖息面积，两种不同通气孔径的颤蚓反应器污泥减量的效果分别为44%和33%。可见，颤蚓反应器的结构和曝气方式对污泥减量效果都会有影响。同时发现，经过处理后的污泥的粒径减小，污泥沉降性能得到改善。整个试验中也明显出现了营养元素氮、磷的释放，特别是磷的升高尤为明显，究其原因可能是颤蚓排泄物中磷的含量较高。

图6-16　复合式生物污泥减量反应器流程示意图

图6-17　垂直循环一体式氧化沟（IODVC）—蠕虫反应器系统示意图

用蚯蚓减量污泥时所用载体为石英砂和陶粒，国内学者将二者作为蚯蚓附着载体考察蚯蚓生物滤池，污泥减量率分别可达38.20%和48.20%，结果表明用陶粒滤料减量化效果更好，原因是陶粒对蚯蚓个体的不利胁迫程度较小。

荷兰学者T.L.G.Hendrickx提出一个重要的设计参数——蠕虫反应器单位面积上蠕虫对污泥的消化率［gTSS/（m2·d）］，在保证稳定的蠕虫密度情况下，由这个参数来定反应器的平面尺寸。结果表明在300μm和350μm两种载体孔径下稳定的蠕虫密度分别为0.87kg/m3和1.1kg/m3，相应的污泥单位面积消化率分别为45gTSS/（m2·d）和58gTSS/（m2·d）。比较两种孔径载体可知，孔径350μm时反应器占地面积减小29%。(www.xing528.com)

为加强蠕虫在载体上固定，荷兰研究人员Hollen J.H.Elissen设计的新型蠕虫反应器选用孔径小于蠕虫直径的网眼和海绵状载体（孔径300μm），如图6-18所示。反应器上部是倒置的烧杯，烧杯敞口端填有载体，剩余污泥和蠕虫附着于载体上，将倒置的烧杯放入水容器之中（部分淹没），蠕虫可通过载体向杯外伸出尾部进行呼吸并排泄粪便。这种新型蠕虫反应器第一次实现了蠕虫捕食污泥和消化排泄两个步骤的分离。结果表明：单位质量蠕虫的污泥减质速率约为0.045mg/（mg·d），每天矿化的污泥质量约占蠕虫自身湿重的4.5%。蠕虫摄食污泥后的污泥容积指数几乎是之前的1/2，说明污泥的沉降性能得到提高。T.L.G.Hendrickx考察了这种网眼和海绵状载体的孔径分别为300μm和350μm时对蠕虫生长的影响，结果表明孔径为300μm时蠕虫没有生长，350μm时生长率最高为0.013d-1。因此为了提高蠕虫的生长率，将孔径为350μm的网眼状水平载体做成中空的圆柱形并且竖直放置，圆柱内部附着颤蚓并且通入活性污泥系统排放的剩余污泥，得到颤蚓净生长率0.014d-1，明显高于水平放置载体时的0.009～0.013d-1。这种竖直放置载体的新型反应器单位容积内载体填料的表面积大大增加，可以为蠕虫提供更大的栖息空间，增加虫、泥接触面积，有效地利用反应器容积。

图6-18　序批式试验反应器结构

（3）提高污泥减量稳定性的运行操作参数优化

T.L.G.Hendrickx利用序批式试验，如图6-18所示。考察了溶解氧（D）O浓度、温度等操作条件对蠕虫减量污泥的影响。结果表明：DO浓度在1～2.5mg/L时传氧效率更高，经济上更为有利，15℃时达到最高污泥摄食率，10℃时达到最高污泥消化率。

国内学者通过批沉降试验考察了污泥沉降比和半沉降时间t50对颤蚓污泥减容的影响。结果表明：在颤蚓污泥减容效果显著的情况下，活性污泥本身的污泥沉降比（SV，亦称30min沉降率）和表征污泥沉降快慢的半沉降时间（t50）是影响颤蚓污泥减容作用的重要因素，而非污泥浓度的总悬浮固体（TSS）和污泥体积指数（SVI）。SV综合反映了活性污泥TSS和SVI的影响，且与t50彼此相关，因此，可将SV视为影响颤蚓污泥减容的最主要因素。另外，对起始污泥浓度（IS）C、污泥龄（SR）T等参数进行优化，以获得最高VSS减量程度［480mg/（L·d）］为目标，得到最优操作控制条件为ISC 3000～4000mg/L、SRT 2d。

国内有研究者第一次提出运行操作参数会影响蠕虫的固定，指出高强度曝气的频率（FHIA）以及溶解氧（DO）浓度对颤蚓的固定以及污泥减量效果具有复杂影响，图6-19所示为新型静态颤蚓反应器（SSBWR）一个操作循环的两个阶段。SSBWR与以往研究者最大不同之处在于：载体采用穿孔板上安装聚乙烯填料来附着颤蚓，曝气采用连续曝气和间歇曝气联合的方式，颤蚓反应器容积为中试规模（100L）。SSBWR的优点是可以提供稳定甚至是分散的颤蚓，颤蚓和污泥既可以充分接触，又容易分离。试验结果表明随着FHIA的增加颤蚓密度也增加，VSS平均减少量（ΔAVSS）达到最高值480mg/（L·d）；但是随着FHIA继续增加，颤蚓密度几乎不变而VSS平均减少量下降，这可能是高强度曝气刺激使得颤蚓缩回到载体填料的小孔内，因而颤蚓保持密度几乎不变，但同时高密度蠕虫竞争氧气和生存空间，因而ΔAVSS大大下降。而FHIA较低时不能及时更新污泥而导致蠕虫代谢产物过多积累在载体上，FHIA最优为12次/d，对蠕虫固定和减量效果最为有利。DO为2mg/L时蠕虫密度达到最大（0.24kg/m2），随DO浓度再增加蠕虫密度无变化，低DO使得颤蚓伸展身体以获得更大空间吸收氧气，这导致蠕虫容易随污泥排放而被带出反应器，因而高浓度DO有利于蠕虫固定。DO为1mg/L时ΔAVSS达到最高值470mg/（L·d），因而确定DO为1～1.6mg/L时对蠕虫固定和减量效果最为有利。

在减量过程中蠕虫摄食污泥会释放出氨氮，因此蠕虫反应器的出水必须回流至污水处理系统进行脱氮，从而造成污水处理系统氨氮增加约5%（pH为7.3～7.8）、水力负荷增加约5%～15%。氨的增加影响反硝化，因为需要添加额外的碳源。有研究者利用SSBWR蠕虫反应器，使穿孔板载体上发生同步硝化、反硝化作用，结果总氮浓度、无机氮浓度以及氨氮（NH+4-N）释放量分别减少67.5%、98.5%和63.0%（污泥减量率为33.6%），颤蚓摄食污泥后释放的溶解性COD提供反硝化所需要的碳源，因此还可以同时减少溶解性COD约72.5%。

图6-19　新型静态颤蚓反应器（SSBWR）及一个操作循环的两个阶段

对于蚯蚓（赤子爱胜蚓）生物滤池，在23℃～28℃时蚯蚓污泥减量化效果最佳。以石英砂和陶粒作为载体的蚯蚓生物滤池对污泥减量率分别为38.2%～44.7%和40.5%～48.2%，相应的最佳温度范围分别为15℃～24℃和18℃～26℃左右，而陶粒滤料的最佳水力负荷为4.8～5.5m3/（m2·d）。