王 帆 劉松林 蔣維卿 么興榮 王喜超 邊德軍#

(1.長春工程學院水利與環(huán)境工程學院，吉林 長春 130012；2.吉林省城市污水處理重點實驗室，吉林 長春 130012；3.海南省水務集團有限公司，海南 ?？?571126)

微壓內(nèi)循環(huán)反應器(MPR)是在序列間歇式活性污泥法(SBR)基礎上研制的一種新型反應器，通過單側供氧并調高出口水位高度，在反應器內(nèi)形成內(nèi)循環(huán)流態(tài)[7]，可在同一空間和時間形成不同氧含量區(qū)域[8]，這種氧環(huán)境可使不同種群微生物協(xié)同生長，當環(huán)境突然改變時，多種生物共存可使整個系統(tǒng)具有更強的抗沖擊能力。由于出口水位高于主反應區(qū)，反應器內(nèi)會產(chǎn)生微小的壓力，這種微壓力可延長氣泡行程，同時提高氣泡氧傳質效率。關于研究有機負荷對MPR的影響也曾有過報道[9-10]，但有機負荷沖擊不僅影響COD，還影響活性污泥胞外聚合物(EPS)等。在高濃度有機負荷條件下，微生物能夠代謝并分泌更多的產(chǎn)物至細胞外形成EPS[11-12]。EPS具有雙層結構，能為微生物形成屏障抵抗水質、水量變化的沖擊以及毒性物質的入侵[13]。目前大多數(shù)關于高有機負荷下EPS的組分及含量變化的研究都基于中長期的有機負荷條件[14-18]，關于單周期瞬時有機負荷沖擊前后，活性污泥系統(tǒng)EPS的組分及含量變化的研究較少。

本試驗基于MPR穩(wěn)定運行出水達標后，開展單周期瞬時高有機負荷沖擊試驗，考察瞬時有機負荷沖擊下系統(tǒng)內(nèi)EPS變化規(guī)律，分析兩者之間的相關性。同時提高供氧量應對有機負荷沖擊，考察此時EPS的組分及含量變化，分析供氧量與EPS變化之間的相關性，解析提高供氧量應對瞬時有機負荷沖擊EPS的變化機理。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

試驗裝置示意圖見圖1，MPR采用有機玻璃板制成，反應器整體分為兩部分，一部分是類似“圓餅”狀的主反應區(qū)，另一部分是上部的微壓力形成區(qū)，其中主反應區(qū)直徑900 mm，厚度90 mm，微壓力形成區(qū)的長×寬×高為130 mm×90 mm×400 mm，總有效容積為36 L。試驗期間水溫為(19.0±1.5) ℃。使用水泵(BT300-2J)進水，電磁式空壓機(ACO-308)供氧，并用玻璃轉子流量計(LZB-DK600-4F)進行氣量控制，反應器內(nèi)曝氣管為穿孔玻璃管。

圖1 試驗裝置示意圖

1.2 試驗污泥與水質

試驗所用污泥為實驗室內(nèi)其他反應器剩余活性污泥，試驗期間混合液懸浮固體(MLSS)質量濃度為3 200～3 800 mg/L。采用模擬城鎮(zhèn)污水進行試驗，污水主要成分：淀粉、牛肉膏、蛋白胨、乙酸鈉、氯化銨、磷酸二氫鉀、碳酸氫鈉、硫酸鎂、氯化鈣、硫酸亞鐵、微量元素。微量元素成分：氯化鋅、硫酸銅、硫酸錳、氯化鋁。通過淀粉和乙酸鈉控制COD濃度。

1.3 試驗方法

試驗前反應器已穩(wěn)定運行20 d，反應器常負荷運行期間每日兩個周期，每個周期12 h，采用非限制性供氧，供氧量為1.65 L/min，進水5 min，進水的同時開始供氧，供氧8 h，沉淀3 h，排水10 min，閑置50 min，排水比50%?？刂破渌麠l件不變，僅提高單周期瞬時有機負荷(本研究中以COD濃度計)進行沖擊，沖擊后恢復常負荷，檢測污染物去除效果和EPS變化規(guī)律，待反應器運行穩(wěn)定大體恢復初始狀態(tài)后再進行下一次有機負荷沖擊。3種有機負荷沖擊結束后改變供氧量，考察不同供氧量下的污染物去除效果、恢復時間和EPS變化規(guī)律。試驗部分運行參數(shù)見表1。

表1 運行參數(shù)

1.4 水質檢測

每個周期供氧階段7.5 h時取反應器內(nèi)活性污泥樣品進行EPS提取和測定?；旌弦航?jīng)濾紙過濾后檢測分析各項水質指標，COD、氨氮、TN、TP、MLSS均采用文獻[19]的方法測定，溫度和DO用WTW Oxi3310便攜式DO測定儀檢測。EPS采用甲醛/NaOH法提取[20]，EPS中多糖(PS)含量采用苯酚/硫酸法測定[21]，蛋白質(PN)含量采用Folin-酚法測定[22]，PS和PN的含量均以1 g干污泥中的MLSS質量計。

2 結果與討論

2.1 有機負荷沖擊對EPS的影響

EPS是細胞莢膜和細胞周圍黏液物質的主要成分，可為處于內(nèi)源呼吸階段的微生物提供碳源和能源[23]，EPS的主要成分為PS和PN[24]。EPS具備固定微生物的潛能，在水處理、廢水絮凝和沉降應用中充當吸附劑和絮凝劑的角色[25]。

供氧量為1.65 L/min時，3種有機負荷沖擊下的典型單周期內(nèi)EPS組分及含量變化見圖2(周期0為常負荷下數(shù)值，周期1～7為沖擊開始后數(shù)值)。如圖2(a)所示，沖擊開始后周期1 PS和PN分別為18.28、8.60 mg/g，周期4 PS達到峰值(30.50 mg/g)，PN為9.06 mg/g(無太大變化)，再經(jīng)過3個周期后PS降至21.65 mg/g。如圖2(b)所示，沖擊開始后周期1 PS和PN分別為20.60、9.06 mg/g，周期5 PS增至38.42 mg/g，再經(jīng)過4個周期PS降至21.14 mg/g。如圖2(c)所示，沖擊開始后周期1 PS和PN分別為21.85、9.29 mg/g，周期5 PS增至46.20 mg/g，再經(jīng)過6個周期PS降至23.21 mg/g。

為達到較好的課堂教學效果，案例教學法要求在選擇教學案例上應該有重點、有特點?；凇睍媽W基礎”的課程性質，在選擇教學案例時，首先應滿足針對性特點，即必須滿足以下要求：(1)案例必須能夠體現(xiàn)本節(jié)課的知識點，尤其應突出重難點。(2)案例應該來源于真實事件，不應與現(xiàn)實環(huán)境相脫節(jié)。(3)案例應該能夠完整地反映出待處理的經(jīng)濟業(yè)務及相關問題。例如，在講授借貸記賬法原理時，應選擇能夠體現(xiàn)不同科目借貸方向特點的案例，結合案例讓學生了解不同科目借貸方向上的區(qū)別 。

圖2 3種有機負荷沖擊下的EPS變化

對比3種有機負荷沖擊下的EPS組分及含量變化，不同有機負荷沖擊下EPS恢復至初始狀態(tài)的過程中，PN變化較小，PS變化較大。有機負荷沖擊越大，PS峰值增量越大。原因是在瞬時高濃度有機負荷沖擊時，微生物分泌EPS抵抗沖擊，PS由單糖組成，合成速度快，含量變化大；而PN由氨基酸組成，合成速度慢，含量變化小。3種有機負荷沖擊中PS的峰值相比于周期1分別增加了12.22、17.82、24.35 mg/g，EPS含量大體恢復至初始狀態(tài)時分別需要6、8、10個周期。隨著有機負荷沖擊增大，微生物無法短期內(nèi)去除多余有機負荷，導致有機負荷剩余，微生物利用有機負荷的時間增加，所以EPS恢復時間變長?；钚晕勰嘞到y(tǒng)受有機負荷沖擊后，EPS含量隨著運行周期增加先增大后減小，有機負荷沖擊對EPS的影響具有滯后特點，說明有機負荷沖擊下的活性污泥微生物先攝取物質并儲存在胞內(nèi)，而多余的碳源被分泌至胞外，當有機負荷減少，PS又作為碳源被微生物利用，從而導致試驗中PS含量先增加后降低。

2.2 供氧量對EPS的影響

有機負荷1下，不同供氧量時的EPS變化情況見圖3。兩種供氧量下的PN含量幾乎無變化，PS含量變化明顯。兩種供氧量(1.80、1.95 L/min)下的PS峰值增量分別為8.24、7.16 mg/g，與供氧量為1.65 L/min時PS的峰值增量12.22 mg/g相比，提高供氧量后PS峰值增量變少。提高供氧量，微生物呼吸速率加快，活性提高，微生物利用EPS的速率增大，故PS峰值增量減少。兩種供氧量下，都經(jīng)過3個周期EPS含量才恢復到?jīng)_擊前的狀態(tài)，這表明提高供氧量存在一定的局限性，提高供氧量可以在一定范圍內(nèi)使反應速率達到較大值，繼續(xù)增大供氧量反應速率變化不大。因此，有機負荷1條件下的最適供氧量為1.80 L/min。

圖3 有機負荷1下不同供氧量時的EPS變化

有機負荷2下，不同供氧量時的EPS變化情況見圖4。供氧量為1.95、2.25、2.45 L/min時的PS峰值增量分別為15.87、15.75、12.13 mg/g，與供氧量為1.65 L/min時PS的峰值增量17.82 mg/g相比，提高供氧量后PS峰值增量變少。3種供氧量下，分別經(jīng)過了7、5、5個周期，EPS含量才恢復到?jīng)_擊前的狀態(tài)。供氧量由2.25 L/min變?yōu)?.45 L/min時，PS的峰值由32.87 mg/g變?yōu)?2.99 mg/g，變化不明顯。這與在有機負荷1條件下提高供氧量后的規(guī)律一致。分析結果表明有機負荷2條件下的最佳供氧量為2.25 L/min。

圖4 有機負荷2下不同供氧量時的EPS變化

有機負荷3下，不同供氧量時的EPS變化情況見圖5。供氧量為1.95、2.25、2.45、2.65 L/min時的PS峰值增量分別為15.86、14.30、14.74、10.56 mg/g，與供氧量為1.65 L/min時PS的峰值增量24.35 mg/g相比，提高供氧量后PS峰值增量也呈變少趨勢。4種供氧量下，分別經(jīng)過了7、7、5、5個周期，EPS含量才恢復到?jīng)_擊前的狀態(tài)。供氧量由2.45 L/min變?yōu)?.65 L/min時，PS的峰值由32.50 mg/g變?yōu)?1.59 mg/g，變化不明顯。這與在有機負荷1和有機負荷2條件下提高供氧量后的規(guī)律一致。分析可得在有機負荷3條件下的最佳供氧量為2.45 L/min。

圖5 有機負荷3下不同供氧量時的EPS變化

由以上對比可以看出，在相同有機負荷不同供氧量下，PS的峰值和峰值增量大體隨供氧量升高而降低，恢復至初始狀態(tài)的時間也大致隨著供氧量的升高逐漸縮短。但供氧量對EPS的影響有一定的局限性，當供氧量增大到一定程度時，EPS含量基本不變。為進一步探究有機負荷與EPS的關系，下面對兩者的相關性進行了分析。

2.3 有機負荷與EPS的相關性

2.3.1 不同有機負荷與EPS變化的相關性

供氧量為1.65 L/min時，不同有機負荷沖擊下的EPS變化見表2，在本研究的有機負荷范圍內(nèi)，有機負荷增加率(x，%)與EPS峰值增加率(y，%)有明顯的相關性(R2=0.998)，擬合公式為y=0.385 5x+0.003 6。

表2 1.65 L/min供氧量下不同有機負荷沖擊對EPS的影響

2.3.2 不同供氧量與EPS變化的相關性

有機負荷1沖擊時，不同供氧量下的EPS變化見表3，供氧量增加率(x，%)與EPS峰值減少率(y，%)有較好的相關性(R2=0.923), 擬合公式為y=0.422 6x-0.006 4。

表3 有機負荷1下不同供氧量對EPS的影響

有機負荷2沖擊時，不同供氧量下的EPS變化見表4，供氧量增加率(x，%)與EPS峰值減少率(y，%)有較好的相關性(R2=0.919), 擬合公式為y=0.320 6x-0.014 4。

表4 有機負荷2下不同供氧量對EPS的影響

有機負荷3沖擊時，不同供氧量下的EPS變化見表5，供氧量增加率(x，%)與EPS峰值減少率(y，%)有較好的相關性(R2=0.976), 擬合公式為y=0.453 1x+0.014 2。在供氧量增加率為60.61%時有所偏離，這證明了供氧量增加率對EPS峰值減少率影響的局限性。

表5 有機負荷3下不同供氧量對EPS的影響

2.3.3 不同工況下運行效能的變化

在常負荷條件下，COD的降解速率為53.94 mg/(L·h)。在供氧量為1.65 L/min下3種有機負荷沖擊時，COD的降解速率分別為73.27、93.54、137.52 mg/(L·h)(見表6)。在有機負荷沖擊下，COD降解速率變快，主要與底物濃度有關，底物濃度越高，反應速率越快。但隨著有機負荷增大，氨氮的降解速率由1.65 mg/(L·h)依次下降為1.49、1.23、1.03 mg/(L·h)，分析原因是供氧量未提高，大量的DO用于降解COD，少量DO用于氨氮的硝化反應，故氨氮降解速率下降；由于硝化反應速率降低，系統(tǒng)脫氮速率有所下降，TN的降解速率由1.82 mg/(L·h)分別下降為1.73、1.43、1.29 mg/(L·h)。

表6 不同工況下污染物降解速率

通過調節(jié)供氧量，可使COD的降解速率增大。由于供氧充足，COD很快被降解，更多的DO用于進行硝化反應，與1.65 L/min供氧量相比，同樣有機負荷(有機負荷1、有機負荷2、有機負荷3)下，提高供氧量后的氨氮降解速率分別提升為1.72、1.66、1.56 mg/(L·h)，系統(tǒng)硝化速率提升，系統(tǒng)脫氮速率提高，TN的降解速率分別提高為1.83、1.80、1.65 mg/(L·h)。綜上所述，提高供氧量，系統(tǒng)整體的運行效能得到提高，說明提高供氧量是應對沖擊的有效措施，對實際污水處理廠的運行具有重大意義。

3 結 論

(1) MPR在單周期瞬時高濃度有機負荷沖擊過程中，有機負荷對EPS的影響具有滯后性，EPS含量隨著運行周期增加先增大后減小，PN基本無變化，PS變化較大；有機負荷沖擊越大，PS峰值越大，峰值增量越大，EPS恢復至沖擊前所需時間越長。在供氧量為1.65 L/min時，808.2～810.0、1 212.0～1 228.0、1 586.0～1 605.0 mg/L 3種有機負荷條件下，PS峰值分別為30.50、38.42、46.20 mg/g，峰值增量分別為12.22、17.82、24.35 mg/g。EPS含量恢復至初始狀態(tài)依次需6、8、10個周期。

(2) 在同一有機負荷沖擊下，提高供氧量，PS的峰值增量減小，PS峰值降低，恢復至初始狀態(tài)時間大體會縮短；但供氧量提高也有一定的局限性，在供氧量達到一定值時，過高的供氧量并不能有效緩解有機負荷沖擊對EPS的影響。有機負荷分別為808.2～810.0、1 212.0～1 228.0、1 586.0～1 605.0 mg/L時，相應最適供氧量分別為1.80、2.25、2.45 L/min。

(3) 在1.65 L/min供氧量下，有機負荷的增加率與EPS峰值增加率有著明顯的相關性；3種有機負荷沖擊時，供氧量增加率與EPS峰值減少率有較好的相關性。