彭趙旭，王淑瑩，彭永臻，，孫治榮，劉旭亮

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，哈爾濱150090，pengzhaoxu1983@163.com; 2.北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源學(xué)院，北京100022)

據(jù)統(tǒng)計，目前我國90%以上的城市污水處理廠都采用活性污泥法，而污泥膨脹是活性污泥法問世以來一直困擾人們的難題，所以如何控制和預(yù)防污泥膨脹就成了國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題［1-2］.很多污水處理廠的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，由降低DO含量誘導(dǎo)絲狀菌過度生長而導(dǎo)致污泥膨脹，若未引起污泥流失，則不僅不會影響溶解性污染物的去除效率，而且還能提高對懸浮物的去除能力;同時，通過節(jié)約曝氣量達(dá)到節(jié)能的目的.該方法稱為低溶解氧絲狀菌活性污泥微膨脹［3］，與當(dāng)前流行的顆粒污泥法背道而馳［4］.顆粒污泥法有耗能大、無活性生物含量高和出水混濁三大缺陷［5］，而低溶解氧微膨脹污泥法則很好地克服了上述缺點(diǎn)，對解決目前污水處理能耗大、運(yùn)行費(fèi)用高具有重要的意義.本文研究了該方法的可行性以及微膨脹狀態(tài)下各主要污染物的去除特性.

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)用水來源和水質(zhì)

試驗(yàn)采用模擬生活污水，以葡萄糖作為碳源;投加NaHCO3補(bǔ)充進(jìn)水堿度，以滿足硝化反應(yīng)對堿度的要求;投加NH4Cl配制進(jìn)水NH4+-N質(zhì)量濃度;投加KH2PO4配制進(jìn)水磷酸鹽質(zhì)量濃度;投加MgSO4和CaCl2滿足活性污泥微生物生長對Mg2+和Ca2+等離子的要求，模擬廢水水質(zhì)和配制方法分別見表1和表2.

表1 模擬廢水的水質(zhì)

表2 模擬廢水的配制方法

1.2 試驗(yàn)裝置和方法

SBR反應(yīng)器由有機(jī)玻璃制成，上部為圓柱形，下部為圓錐體，高為700 mm，直徑為200 mm，有效容積為12 L.在反應(yīng)器壁的垂直方向設(shè)置一排間隔為10 cm的取樣口，用于取樣和排水.底部設(shè)有放空管，用于放空和排泥.以曝氣砂頭作為微孔曝氣器，由轉(zhuǎn)子流量計調(diào)節(jié)曝氣量.pH、DO、ORP檢測探頭置于反應(yīng)器內(nèi)，在線監(jiān)測各個指標(biāo)變化(見圖1).試驗(yàn)期間溫度控制在(23±0.5)℃.運(yùn)行方式為分成瞬時進(jìn)水、好氧曝氣、缺氧攪拌(投加甲醇作為反硝化碳源)、靜止沉淀和閑置待機(jī)等階段進(jìn)行;每周期結(jié)束后排放泥水混合液控制MLSS含量位于2 200～2 500 mg·L-1.用處于低氧微膨脹狀態(tài)的活性污泥進(jìn)行試驗(yàn)，其污泥容積指數(shù)SVI在200 mL·g-1左右［6］.由于好氧階段DO含量始終處于低水平(＜1 mg·L-1)，硝化反應(yīng)結(jié)束后突越點(diǎn)十分明顯，可作為好氧反應(yīng)結(jié)束的標(biāo)志［7-8］.缺氧過程可以利用ORP曲線上的硝酸鹽膝來控制［9］.經(jīng)計算，反硝化1 g的-N需要1.905 g的CH3OH，為使反硝化能夠順利進(jìn)行，采用2.5 g來計算CH3OH投量.好氧段結(jié)束后-N質(zhì)量濃度為10 mg·L-1左右，因此缺氧段的CH3OH投量約為0.3 mL.

1.3 試驗(yàn)原理

微生物的生長動力學(xué)參數(shù)比增值速率常數(shù)μ可根據(jù)Monod方程來確定:

式中:μmax為最大比增值速率常數(shù)，d-1;S為限制底物質(zhì)量濃度，mg·L-1;Ks為飽和常數(shù)，為μ=μmax/2時的底物質(zhì)量濃度，mg·L-1.

根據(jù)Chudoba提出的選擇性理論，活性污泥中存在比生長速率不同的兩類微生物，即絮狀菌和絲狀菌.通常絲狀菌屬的增值動力學(xué)常數(shù)μmax1和Ks1均比絮狀菌屬的μmax2和Ks2小，所以在低基質(zhì)質(zhì)量濃度下絲狀菌具有競爭優(yōu)勢.

當(dāng)曝氣池內(nèi)DO含量不足時，DO就成為微生物生長的限制性基質(zhì).在對低DO含量的競爭過程中，低KDO(0.027 mg·L-1)的絲狀菌比高KDO(0.100 mg·L-1)的絮狀菌生長更快［10］.結(jié)合擴(kuò)散選擇理論，在低DO含量條件下絲狀菌將充分利用其比表面積大的生態(tài)特征快速繁殖.綜上所述，低DO含量和低負(fù)荷都容易引發(fā)絲狀菌污泥膨脹.根據(jù)活性污泥的有機(jī)負(fù)荷率定義:

式中:Ns為有機(jī)負(fù)荷率，d-1;V1為反應(yīng)器一次進(jìn)水量，L;V2為進(jìn)水前反應(yīng)器內(nèi)原有泥水混合液體積，L;So為進(jìn)水有機(jī)物質(zhì)量濃度(以COD計)，mg·L-1;t為每個運(yùn)行周期反應(yīng)時間，h;X為運(yùn)行階段反應(yīng)器中活性污泥平均質(zhì)量濃度(以MLSS質(zhì)量濃度計)，mg·L-1.

改變Ns可通過改變進(jìn)水COD質(zhì)量濃度So、每周期反應(yīng)時間t、活性污泥含量MLSS和每周期進(jìn)水量V1四種方法實(shí)現(xiàn).本試驗(yàn)通過調(diào)節(jié)氣體流量大小來控制溶解氧的高低，通過調(diào)節(jié)每周期進(jìn)水量和曝氣時間來改變Ns.

1.4 檢測分析項(xiàng)目

2 結(jié)果與分析

在曝氣量一定的前提下，低Ns易產(chǎn)生高DO含量，高Ns易產(chǎn)生低DO含量;改變曝氣量則影響好氧反應(yīng)時間，導(dǎo)致Ns產(chǎn)生變化.由于Ns與DO含量關(guān)系密切，在考察兩者對污泥沉降性的影響時應(yīng)綜合分析.

2.1 SVI與DO含量的關(guān)系

控制好氧階段的 DO質(zhì)量濃度在0.10～0.85 mg·L-1，初期Ns控制在0.10 d-1左右.整個微膨脹期間的SVI和平均DO含量變化曲線如圖2所示.初始階段SVI在200 mL·g-1上下波動.從圖2看出DO含量對SVI的影響比較明顯，第32周期，將 DO質(zhì)量濃度由0.20 mg·L-1驟增到0.70 mg·L-1，SVI隨之很快由200 mL·g-1降到150 mL·g-1.第33～36周期將DO質(zhì)量濃度控制在0.15 mg·L-1，SVI很快反彈到180 mL·g-1.第58周期將Ns增到0.22 d-1，DO質(zhì)量濃度仍控制在0.25 mg·L-1左右，其間SVI穩(wěn)定在200 mL·g-1左右.第72周期將Ns增到0.27 d-1.由于Ns的增大，盡管DO質(zhì)量濃度仍在0.3 mg·L-1的低水平上，但是絲狀菌在和絮狀菌的競爭中失去優(yōu)勢，SVI在20周期內(nèi)從200 mL·g-1降到160 mL·g-1.第 90周期將DO質(zhì)量濃度控制在0.15～0.20 mg·L-1的極低范圍，SVI終于出現(xiàn)反彈跡象，第100周期回升到188 mL·g-1，但隨后又開始下降.由于DO已降到極限值，因此在該Ns條件下，單獨(dú)靠低DO已不能有效地控制污泥沉降性.第116周期將Ns增到0.32 d-1，此階段DO質(zhì)量濃度控制在0.25 mg·L-1左右，與前面情況相似，由于Ns過大，低DO含量已不能維持污泥沉降性，142周期SVI已降到122 mL·g-1.第144周期將Ns下調(diào)到0.19 d-1，DO質(zhì)量濃度提高到0.4 mg·L-1左右.盡管DO質(zhì)量濃度比前段時間有所升高，但是低Ns使絲狀菌在和絮狀菌的競爭中又強(qiáng)勢起來，SVI呈現(xiàn)升高趨勢，170周期升到157 mL·g-1，繼續(xù)保持在污泥微膨脹狀態(tài).

圖2 微膨脹狀態(tài)下SVI與DO含量變化圖

2.2 SVI與Ns的關(guān)系

Ns與污泥膨脹間的關(guān)系比較復(fù)雜［11］，Pipes調(diào)查了32個活性污泥處理廠，發(fā)現(xiàn)Ns在0.25～0.45 d-1范圍內(nèi)污泥沉降性能好.Chao和Keinath［12］在研究中發(fā)現(xiàn)Ns在0.6～1.3 d-1和大于1.8 d-1時易發(fā)生污泥膨脹.德國一研究組經(jīng)過多年的調(diào)查研究指出，當(dāng)完全混合式曝氣池中比較頻繁地出現(xiàn)污泥膨脹時，其Ns小于0.05 d-1.圖3顯示了微膨脹期間Ns和SVI之間的關(guān)系.

可以看出Ns與SVI之間呈現(xiàn)出較好負(fù)相關(guān)性.實(shí)驗(yàn)前40周期，Ns維持在0.05～0.10 d-1，其間SVI在200 mL·g-1上下浮動，其中SVI從第32周期開始大幅降到150 mL·g-1，又逐漸反彈至200 mL·g-1.從前面分析可知，該波動是由DO含量引起的.從第46周期，當(dāng) Ns在0.10～0.15 d-1，DO質(zhì)量濃度在0.30～0.70 mg·L-1范圍內(nèi)大幅波動時，SVI穩(wěn)定在200 mL·g-1左右.第74周期起，當(dāng)Ns在0.20～0.25 d-1，DO質(zhì)量濃度在0.20～0.70 mg·L-1時，DO含量和Ns的波動都會對沉降性產(chǎn)生較大影響，SVI可短期在150～200 mL·g-1內(nèi)大幅波動.從第120周期，當(dāng)Ns大于0.25 d-1時，由于底物質(zhì)量濃度較高，絮狀菌在和絲狀菌的競爭中逐步取得優(yōu)勢，單獨(dú)靠降低DO質(zhì)量濃度已無法改變SVI下降趨勢.為了維持微膨脹狀態(tài)，第140周期開始，通過控制每周期結(jié)束后的排水體積，將Ns下調(diào)到0.15～0.20 d-1時，SVI維持在150 mL·g-1上下，此時DO質(zhì)量濃度在0.20～0.40 mg·L-1內(nèi)波動不會影響污泥的沉降性，污泥穩(wěn)定維持在微膨脹狀態(tài).DO質(zhì)量濃度和Ns對SVI影響具體情況如表3所示.

圖3 微膨脹狀態(tài)下SVI與有機(jī)負(fù)荷變化圖

表3 有機(jī)負(fù)荷率和DO含量對SVI的影響

2.3 污泥微膨脹狀態(tài)下的脫氮特性

雖然SBR反應(yīng)器長期處于低DO含量狀態(tài)，但是系統(tǒng)仍保持了理想的硝化效果，平均氨氮去除率達(dá)94.5%，如圖4所示.試驗(yàn)期間觀察到發(fā)生了明顯的同步硝化反硝化(SND)現(xiàn)象［13］，在整個污泥微膨脹期間，平均 DO質(zhì)量濃度為0.32 mg·L-1，與此同時平均 SND率達(dá)到了49.59%，在一個反應(yīng)周期內(nèi)，氮元素主要通過好氧階段的SND、缺氧階段的反硝化、剩余污泥的排放等途徑得到去除.由圖5可知，在一個周期內(nèi)通過SND作用可去除掉20%的氮.

SND率k的計算方法如下:

圖4 污泥微膨脹期間的氨氮去除效果

圖5 微膨脹狀態(tài)下氮元素的物料平衡(質(zhì)量組成)

2.4 污泥微膨脹狀態(tài)下的COD去除特性

進(jìn)水COD平均為301.81 mg·L-1，出水為64.26 mg·L-1，去除率一直維持在70% ～80%，如圖6所示.本文認(rèn)為，導(dǎo)致該現(xiàn)象發(fā)生的主要原因有兩點(diǎn):1)低DO含量低Ns條件下，活性污泥生長速率緩慢，不少細(xì)菌處于內(nèi)源呼吸期，其分解代謝作用產(chǎn)生了一些非可生物降解COD;2)缺氧段投加的甲醇沒有被完全利用掉.以上兩種情況都會導(dǎo)致出水COD的升高.

2.5 污泥微膨脹狀態(tài)下的除磷特性

系統(tǒng)在污泥微膨脹期間，正磷平均去除率達(dá)到86.08%，如圖7所示.有趣的是SBR并沒有設(shè)置厭氧段，但是正磷仍然得到理想地去除，分析主要有兩部分原因.1)活性污泥出于自身的生長需要會同化掉一部分磷.按進(jìn)水比為1∶2計算(12 L反應(yīng)器進(jìn)4 L水)，原水的301.00 mg·L-1COD和上周期反應(yīng)后殘余的64.26 mg·L-1COD經(jīng)過瞬時混合之后為143.17 mg·L-1COD，減去出水的64.26 mg·L-1COD，實(shí)際去除的 COD為78.91 mg·L-1，按微生物組分的C/P比為100∶1計算，會同化掉0.79 mg·L-1的正磷，占去除總磷的67.5%;2)好氧初期存在釋磷現(xiàn)象，系統(tǒng)中富集了一定數(shù)量的聚磷菌.

圖7 微膨脹狀態(tài)下的正磷去除效果

從反應(yīng)過程的ORP變化曲線上可以看到，曝氣初期ORP曲線呈現(xiàn)明顯下降趨勢，這表明在此階段，活性污泥中的聚磷菌吸收新鮮污水中的小分子有機(jī)酸，在曝氣情況下出現(xiàn)釋磷現(xiàn)象［14］.分析其原因可能是在DO含量很低的情況下，氧擴(kuò)散受到限制，活性污泥絮體內(nèi)存在著DO質(zhì)量濃度梯度，導(dǎo)致絮體內(nèi)部出現(xiàn)厭氧區(qū)，發(fā)生釋磷現(xiàn)象.隨著曝氣時間的延長，DO逐擴(kuò)散進(jìn)入絮體內(nèi)部，聚磷菌開始過量吸磷.

2.6 生物相的觀察

在微膨脹期間，SVI大多為 150～200 mL·g-1.沉淀階段的污泥緊密厚實(shí)，不像沉降性能很好時的污泥那樣致密細(xì)小，也不像嚴(yán)重膨脹時的污泥那樣疏松多孔.活性污泥中絲狀菌所占比例適中，能夠在沉降時有效地網(wǎng)捕卷掃水中的微小懸浮物，使沉后水非常清澈.

3 結(jié)論

1)低溶解氧污泥微膨脹是一種節(jié)能、降低出水SS的新技術(shù)，是處理污泥膨脹的新理念.

2)當(dāng)Ns在0.05～0.10 d-1時，DO含量對污泥沉降性影響顯著;當(dāng)Ns在0.10～0.20 d-1，DO質(zhì)量濃度在0.30～0.70 mg·L-1時，SVI可在150～200 mL·g-1內(nèi)任意小范圍內(nèi)保持穩(wěn)定;當(dāng)Ns在0.20～0.25 d-1，DO質(zhì)量濃度在0.20～0.70 mg·L-1時，SVI在150～200 mL·g-1內(nèi)波動明顯;當(dāng)Ns大于0.25 d-1時，單獨(dú)靠降低DO含量已經(jīng)不能維持污泥微膨脹狀態(tài).

3)低氧微膨脹并不會影響系統(tǒng)的硝化效果，且存在明顯的SND現(xiàn)象，由氮的物料平衡可知，每周期可通過SND作用去除掉20%的氮.

4)低氧微膨脹狀態(tài)下曝氣前期出現(xiàn)釋磷現(xiàn)象，系統(tǒng)內(nèi)能夠聚集少量聚磷菌.

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