佘國生，何夢(mèng)夏，段景川，田 蕾，王 敏,*

(1.中電建南方建設(shè)投資有限公司，廣東深圳 518000；2.西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，陜西西安 710048)

好氧流化床生物膜反應(yīng)器是從移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器中衍生的一種好氧生物膜處理工藝，具有處理效率高、成本低、適用廣泛等優(yōu)點(diǎn)，在污水處理方面具有很好的應(yīng)用前景。該工藝的工作原理是通過曝氣作用使長(zhǎng)滿生物的填料和污水處于流化狀態(tài)，在填料上形成好氧-厭氧的生物膜結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)生物接觸氧化污水中有機(jī)物的過程[1]。由于促使反應(yīng)器內(nèi)各相流化的動(dòng)力全部來源于曝氣，由此產(chǎn)生的能耗問題值得關(guān)注，如何通過較低的能耗獲取較高的處理效能，是該工藝研究的熱點(diǎn)問題[2]。

溶解氧是好氧生物反應(yīng)器的關(guān)鍵限制因子，其在污水處理中涉及多個(gè)傳質(zhì)，研究表明，氧傳質(zhì)是一個(gè)復(fù)雜的過程，主要包括氣相、液相、固相之間的三相氧傳質(zhì)。此外，氧傳質(zhì)過程受到曝氣量大小、曝氣器種類及布置方式、污水水質(zhì)、表面活性劑、電解質(zhì)濃度、水溫等因素的影響[3]。研究表明，在生物反應(yīng)器中氧傳質(zhì)過程與微生物呼吸作用之間存在一定關(guān)系[4]，而對(duì)于微生物耗氧速率(OUR)與反應(yīng)器內(nèi)氧傳質(zhì)速率之間的機(jī)理尚不明確，仍不能全面解釋反應(yīng)器內(nèi)的氧傳質(zhì)規(guī)律。

為探究好氧流化床生物膜反應(yīng)器中氧傳質(zhì)機(jī)制，優(yōu)化好氧流化床生物反應(yīng)器運(yùn)行條件，本文主要探究了不同曝氣量下，OUR與氧傳質(zhì)機(jī)制間的響應(yīng)關(guān)系。結(jié)合曝氣量對(duì)反應(yīng)器水處理效果的影響，剖析好氧流化床生物膜反應(yīng)器中的氧傳質(zhì)機(jī)制，綜合分析氧傳質(zhì)、微生物呼吸作用、污水處理效果之間的潛在關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

好氧流化床生物膜反應(yīng)器系統(tǒng)如圖1所示，主要包括圓柱形反應(yīng)器主體、曝氣系統(tǒng)、四通道溶解氧測(cè)量?jī)x、計(jì)算機(jī)及程序、壓力表等。反應(yīng)器系統(tǒng)包括圓柱形有機(jī)玻璃反應(yīng)器(直徑為0.25 m，高為0.78 m)、矩形有機(jī)玻璃保溫罩(0.23 m×0.23 m×0.78 m)、穩(wěn)壓腔、頂部帶孔眼有機(jī)玻璃蓋。曝氣系統(tǒng)由針頭曝氣盤、氣體擴(kuò)散器、空氣壓縮機(jī)、氣體流量計(jì)和輸氣管道組成。為保證曝氣時(shí)氣體僅通過針頭排出，在曝氣盤下放置橡膠墊，涂抹凡士林密封后，用螺絲固定于法蘭上。

圖1 好氧流化床生物膜反應(yīng)器系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic Diagram of AFBBR System

好氧流化床生物膜反應(yīng)器接種污泥取自某市某污水廠濃縮池，為使反應(yīng)器內(nèi)填料掛膜更容易，掛膜階段的模擬水質(zhì)按C∶N∶P=100∶5∶1進(jìn)行配置。啟動(dòng)和運(yùn)行階段的模擬水質(zhì)參考城鎮(zhèn)污水處理廠進(jìn)水，其水質(zhì)特征如表1所示。其中，碳源、氮源和磷源分別采用葡萄糖、氯化銨和磷酸二氫鉀配置，營(yíng)養(yǎng)鹽及微量元素包括CaCl2、MgSO4·7H2O、NaHCO3、FeCl3、FeSO4、KI、CuSO4·5H2O、MnCl2·4H2O、ZnSO4·7H2O和EDTA。模擬污水的pH值基本呈中性(6.8～7.4)，鹽度可達(dá)(80±1) mg/L。

表1 反應(yīng)器不同階段的模擬水質(zhì)參數(shù)Tab.1 Quality Parameters of Simulated Wastewater under Different Stages in Reactor

試驗(yàn)所用懸浮填料選用多孔聚氨酯泡沫PU，填充率為30%。該填料具有比表面積大、傳質(zhì)性能較好、生物黏附性好等優(yōu)點(diǎn)。反應(yīng)器曝氣孔間距為8 mm，曝氣量選取100、150 L/h和200 L/h，對(duì)應(yīng)的氣水比分別為3.8、5.8和7.7，運(yùn)行周期為進(jìn)水30 min、曝氣10 h、靜置1 h、排水30 min。反應(yīng)器采用上進(jìn)下出的運(yùn)行方式，即進(jìn)水由水泵泵入模擬生活污水，從反應(yīng)器底部圓柱體側(cè)面排出處理后污水。

1.2 OUR測(cè)定

為確定曝氣效率并量化操作變量對(duì)溶解氧供應(yīng)的影響，確定生物反應(yīng)器中的標(biāo)準(zhǔn)氧總傳質(zhì)系數(shù)(KLas)至關(guān)重要。雙膜理論認(rèn)為，傳質(zhì)阻力主要在于液相，通常忽略氣膜中的阻力，即氧總傳質(zhì)系數(shù)KLa等于液相傳質(zhì)系數(shù)KL。KLa可通過式(1)計(jì)算，對(duì)該測(cè)試條件下的KLa進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，如式(2)，可得標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力下的KLas。

(1)

KLas=KLa×θ20-T

(2)

其中：KLa——單位時(shí)間內(nèi)氣相向液相中傳遞的氧氣量，h-1;

Cs——飽和DO的質(zhì)量濃度，mg/L；

Ct——t時(shí)刻系統(tǒng)中DO的質(zhì)量濃度，mg/L；

θ——溫度修正系數(shù)，取1.024；

T——液體式測(cè)溫度，℃。

同時(shí)，混合均勻液相中溶解氧的質(zhì)量平衡方程如式(3)。

(3)

其中：qO2——微生物比耗氧速率，mg/h；

X——生物量質(zhì)量濃度，mg/L；

OTR——氧轉(zhuǎn)移速率，mg/(L·h)。

動(dòng)態(tài)分析法是用于測(cè)量生物反應(yīng)器中活躍生長(zhǎng)的微生物的呼吸活性方法，已被證實(shí)是一種可靠的測(cè)定方法。當(dāng)系統(tǒng)的曝氣關(guān)閉時(shí)，式(3)中OTR=0，則式(3)可簡(jiǎn)化為式(4)。

(4)

溶解氧濃度隨時(shí)間變化的斜率即為-OUR，通過關(guān)閉曝氣，可測(cè)出微生物的OUR。因此，采用動(dòng)態(tài)分析方法可實(shí)現(xiàn)OUR的測(cè)定，其中DO的濃度和溫度通過四通道光纖測(cè)量?jī)x(OXY-4)獲取。

1.3 水質(zhì)指標(biāo)測(cè)定方法

取反應(yīng)器出水500 mL，將水樣靜置沉淀20 min，直接取上清液測(cè)定CODCr、TP含量，再經(jīng)0.45 μm的水溶性濾膜過濾后，測(cè)定氨氮。CODCr按照《水質(zhì)化學(xué)需氧量的測(cè)定 重鉻酸鹽法》(GB 11914—1989)測(cè)定；氨氮按照《水質(zhì) 氨氮的測(cè)定 納氏試劑分光光度法》(HJ 535—2009)測(cè)定；TN按照《水質(zhì) 總氮的測(cè)定 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》(HJ 636—2012)測(cè)定；TP按照《水質(zhì) 總磷的測(cè)定 鉬酸銨分光光度法》(GB 11893—1989)測(cè)定；pH采用便攜式多參數(shù)水質(zhì)測(cè)量?jī)x測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 對(duì)微生物呼吸的影響

圖2為不同溫度(9、12、15、20 ℃和25 ℃)和曝氣量(100、150 L/h和200 L/h)下反應(yīng)器內(nèi)OUR的變化情況。在不同曝氣量條件下，隨著溫度從9 ℃升高至25 ℃，反應(yīng)器中的OUR均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在溫度為20 ℃時(shí)達(dá)到最大。

圖2 溫度和曝氣量對(duì)OUR的影響Fig.2 Effect of Temperature and Aeration Rates on OUR

曝氣量為100 L/h時(shí)，在9～20 ℃，OUR由1.71 mg/(L·h)增大至8.08 mg/(L·h)，在25 ℃時(shí)降低至7.20 mg/(L·h)；曝氣量為150 L/h時(shí)，在9～20 ℃，OUR由2.46 mg/(L·h)逐漸增大至9.11 mg/(L·h)，在25 ℃時(shí)降低至8.92 mg/(L·h)；曝氣量為200 L/h時(shí)，在9～20 ℃，OUR由1.87 mg/(L·h)逐漸增大至8.29 mg/(L·h)，在25 ℃時(shí)降低至7.51 mg/(L·h)。溫度過低會(huì)抑制微生物生長(zhǎng)代謝過程，降低微生物活性，使微生物呼吸作用減弱，導(dǎo)致微生物OUR較低。隨著溫度增加，微生物活性逐漸增強(qiáng)，微生物生長(zhǎng)代謝過程加快，故微生物OUR增大[5-6]。微生物活性還受氧擴(kuò)散速率的影響，當(dāng)溫度從20 ℃升高至25 ℃時(shí)，隨著溫度升高，氧氣在水中的溶解度降低，氧傳質(zhì)速率降低，微生物生長(zhǎng)代謝過程受到抑制，微生物OUR隨之降低[7]。

當(dāng)溫度為9～25 ℃時(shí)，曝氣量為150 L/h的OUR高于曝氣量為200 L/h的OUR。同一溫度下，曝氣量從100 L/h增大至200 L/h，OUR呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，且在20 ℃達(dá)到最大，分別為8.08、9.11 mg/(L·h)和8.29 mg/(L·h)。這是因?yàn)槠貧饬枯^低時(shí)，反應(yīng)器中溶解氧濃度較低，微生物生長(zhǎng)代謝所需氧量較少，微生物呼吸作用受到抑制，因此，微生物OUR降低。隨著曝氣量增大至150 L/h，反應(yīng)器內(nèi)溶解氧濃度增大，微生物生長(zhǎng)代謝所需氧量充足，微生物呼吸作用增強(qiáng)，促使微生物OUR增大。當(dāng)曝氣量過大時(shí)，反應(yīng)器中混合液流速增大，微生物受水中氣泡和混合液的沖刷影響較大，部分生物膜脫落，微生物呼吸作用受到抑制，使微生物OUR降低[8]。

2.2 對(duì)氧傳質(zhì)關(guān)鍵參數(shù)的影響

圖3為不同溫度(9、12、15、20 ℃和25 ℃)和曝氣量(100、150 L/h和200 L/h)下反應(yīng)器內(nèi)KLas的變化情況。曝氣量為150 L/h和200 L/h時(shí)，溫度從9 ℃升高至25 ℃，反應(yīng)器中的KLas呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)溫度為20 ℃時(shí)達(dá)到最大。

圖3 溫度和曝氣量對(duì)KL as的影響Fig.3 Effect of Temperature and Aeration Rates on KL as

曝氣量為100 L/h時(shí)，隨溫度逐漸增大，KLas從9 ℃時(shí)的9.56 h-1逐漸增大至20 ℃時(shí)的23.81 h-1，在25 ℃時(shí)略有增加，為23.86 h-1；曝氣量為150 L/h時(shí)，KLas從9 ℃時(shí)的10.69 h-1逐漸增大至20 ℃時(shí)的34.89 h-1，在25 ℃時(shí)略有降低，為30.41 h-1；曝氣量為200 L/h時(shí)，隨溫度逐漸增大，KLas從9 ℃時(shí)的10.32 h-1逐漸增大至20 ℃時(shí)的23.82 h-1，在25 ℃時(shí)降低至20.90 h-1。主要由于溫度過低時(shí)，微生物生長(zhǎng)代謝過程受到抑制，微生物耗氧速率較低，環(huán)境中的溶解氧梯度較小，氧傳質(zhì)過程受到抑制，KLas較低。隨著溫度升高，反應(yīng)器中混合液黏度降低，氣泡與混合液間的液膜厚度減小，有利于溶解氧的傳遞，氧傳質(zhì)過程受到促進(jìn)，KLas升高[9]。當(dāng)溫度從20 ℃升高至25 ℃時(shí)，由于溫度升高，氧氣在水中的溶解度降低，環(huán)境中的溶解氧梯度較小，KLas降低[10]。

當(dāng)溫度為9～25 ℃時(shí)，曝氣量從100 L/h增大至200 L/h，KLas呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，且在溫度為20 ℃時(shí)達(dá)到最大，分別為23.81、34.89 h-1和23.90 h-1。因?yàn)槠貧饬枯^低(100 L/h)時(shí)，反應(yīng)器中溶解氧濃度低導(dǎo)致絲狀菌過度生長(zhǎng)，進(jìn)而產(chǎn)生過量的胞外聚合物(EPS)，致使反應(yīng)器中混合液黏度增大，氧傳質(zhì)過程中的液膜厚度增大，空氣與混合液界面的氧擴(kuò)散受到抑制。且黏度增大導(dǎo)致氣泡聚集，會(huì)產(chǎn)生更大的氣泡，降低氣泡與混合液間的接觸面積和接觸時(shí)間，抑制氧傳質(zhì)過程，使KLas較低[11-12]。隨著曝氣量增大，反應(yīng)器中溶解氧濃度增大且混合液流速增大，氣泡與混合液間的液膜厚度減小，溶解氧梯度增大，有利于溶解氧的傳遞，KLas升高。當(dāng)曝氣量過大(200 L/h)時(shí)，混合液流速過快，氣泡在反應(yīng)器中的停留時(shí)間較短，不利于氧傳質(zhì)過程，KLas降低[13]。

2.3 微生物呼吸與氧傳質(zhì)過程參數(shù)間響應(yīng)關(guān)系

圖4為不同溫度下反應(yīng)器內(nèi)OUR與KLas之間的響應(yīng)關(guān)系。當(dāng)曝氣量為100、150 L/h和200 L/h時(shí)，OUR與KLas之間均呈線性關(guān)系，3個(gè)線性擬合方程的斜率分別為2.31、3.43和1.94，且線性擬合方程的R2分別為0.97、0.98和0.98，擬合效果較佳，說明OUR與KLas之間存在顯著的線性響應(yīng)關(guān)系。此外，當(dāng)曝氣量為150 L/h時(shí)，OUR與KLas的線性擬合方程斜率最大，表明隨溫度的改變，OUR與KLas的變化程度較大。綜上，曝氣量為150 L/h、溫度為20 ℃時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)OUR與KLas均達(dá)到最高，且OUR與KLas之間存在線性響應(yīng)關(guān)系。

圖4 OUR與KL as間的線性擬合結(jié)果Fig.4 Linear Fitting Results of OUR and KL as

2.4 對(duì)CODCr去除效果的影響

由圖5可知，好氧流化床生物膜反應(yīng)器進(jìn)水CODCr質(zhì)量濃度約為400 mg/L，控制反應(yīng)器曝氣量為100 L/h(1#)、150 L/h(2#)和200 L/h(3#)，穩(wěn)定運(yùn)行33 d后，出水CODCr質(zhì)量濃度分別為19.46、13.89 mg/L和21.35 mg/L，CODCr去除率分別為95.06%、96.55%和94.65%。曝氣量從100 L/h增加到200 L/h時(shí)，反應(yīng)器對(duì)CODCr去除率變化不大均達(dá)到95%左右，且出水CODCr質(zhì)量濃度均滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)(小于50 mg/L)，表明曝氣量為100 L/h 即可滿足反應(yīng)器對(duì)CODCr的去除，增加的曝氣量對(duì)CODCr去除效果影響不顯著，且較高曝氣量將導(dǎo)致運(yùn)行能耗增加。

圖5 曝氣量對(duì)CODCr去除效果的影響Fig.5 Effect of Aeration Rates on CODCr Removal Efficiency

2.5 對(duì)氮去除效果的影響

由圖6可知，反應(yīng)器進(jìn)水氨氮和TN質(zhì)量濃度分別約為45 mg/L和50 mg/L，TN和氨氮的去除效果隨著曝氣的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，在150 L/h時(shí)達(dá)到最佳去除效果。出水氨氮質(zhì)量濃度在3個(gè)曝氣條件下分別為9.07、4.68 mg/L和5.89 mg/L，氨氮去除率分別為79.84%、89.53%和86.79%；TN的出水質(zhì)量濃度別為9.91、6.99 mg/L和12.65 mg/L，去除率分別為80.44%、86.20%和75.03%。當(dāng)曝氣量為100 L/h時(shí)，氨氮和TN出水濃度較高，難以滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)(小于5 mg/L)。這是由于氨氧化細(xì)菌(AOB)主要存在于生物膜表面的好氧區(qū)，且氨氧化細(xì)菌活性受環(huán)境因素高度敏感，因此，曝氣量較小時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)溶解氧濃度較低，AOB與亞硝酸鹽氧化細(xì)菌(NOB)活性降低，抑制了硝化過程[14]，同時(shí)絲狀菌的大量繁殖會(huì)導(dǎo)致污泥沉降性降低[15]，出水氨氮濃度較高。當(dāng)曝氣量為200 L/h時(shí)，氨氮和TN出水濃度略高于一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)且TN含量顯著高于氨氮。這是由于曝氣量過大時(shí)，反應(yīng)器混合液流速增大，微生物膜受混合液剪切力作用會(huì)部分流失，且反應(yīng)器內(nèi)溶解氧濃度較高，溶解氧傳遞阻力降低，生物膜表面的好氧層過厚，對(duì)反硝化細(xì)菌活性的抑制作用較大，減慢了脫氮速率[16]，降低了反應(yīng)器對(duì)氨氮和TN的含量去除效果。因此，為了提高氨氮去除效果，最佳曝氣量是150 L/h。

圖6 曝氣量對(duì)氮去除效果的影響Fig.6 Effect of Aeration Rates on Nitrogen Removal Efficiency

2.6 對(duì)TP去除效果影響

圖7為曝氣量對(duì)TP去除效果的影響。好氧流化床生物膜反應(yīng)器進(jìn)水TP質(zhì)量濃度約為5.07 mg/L，控制反應(yīng)器曝氣量為100、150 L/h和200 L/h，穩(wěn)定運(yùn)行33 d后，出水TP質(zhì)量濃度分別為2.51、0.82 mg/L和1.27 mg/L，TP去除率分別為50.46%、83.96%和74.93%。曝氣量從100 L/h增加到200 L/h時(shí)，反應(yīng)器對(duì)TP去除率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)曝氣量為100 L/h時(shí)，出水TP未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)限值，這是因?yàn)榉磻?yīng)器內(nèi)溶解氧濃度較低，抑制了生物膜中的聚磷菌(PAOs)在好氧環(huán)境里的吸磷過程，而PAOs吸收污水中的有機(jī)物——揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)后，在厭/缺氧環(huán)境里釋放磷酸鹽[17]，且溶解氧濃度低會(huì)導(dǎo)致大量絲狀菌產(chǎn)生，這些絲狀菌產(chǎn)生大量EPS，EPS中含有大量磷酸鹽[18]，故出水TP濃度較高。此外，溶解氧濃度低導(dǎo)致厭氧層增厚，聚糖菌(GAOs)會(huì)在厭氧環(huán)境中與PAOs競(jìng)爭(zhēng)VFAs[19]，導(dǎo)致PAOs的活性降低，這也是導(dǎo)致出水TP濃度較高的原因之一。當(dāng)曝氣量為150 L/h時(shí)，脫氮過程中存在反硝化細(xì)菌，它們會(huì)與PAOs在厭氧環(huán)境中競(jìng)爭(zhēng)碳源[20]，而本試驗(yàn)并未另加碳源，在一定程度上降低了PAOs的活性，導(dǎo)致出水濃度僅能滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)(小于1 mg/L)。當(dāng)曝氣量為200 L/h時(shí)，由于溶解氧濃度增大，生物膜好氧層較厚，抑制了生物膜中的PAOs在厭/缺氧環(huán)境里的釋磷過程，PAOs吸收VFAs而儲(chǔ)存在細(xì)胞內(nèi)的能量較少，會(huì)抑制PAOs在好氧環(huán)境里的吸磷過程，出水TP濃度較高。其次，曝氣量過大，生物膜受混合液剪切力增大，部分微生物流失，導(dǎo)致反應(yīng)器對(duì)TP的去除效果變差。

圖7 曝氣量對(duì)TP去除效果的影響Fig.7 Effect of Aeration Rates on TP Removal Efficiency

綜上，好氧流化床生物膜反應(yīng)器對(duì)CODCr去除效果較好，且曝氣量增大對(duì)反應(yīng)器CODCr的去除效果影響不大，而反應(yīng)器對(duì)氨氮、TN和TP去除效果在曝氣量為150 L/h時(shí)達(dá)到最優(yōu)。

3 結(jié)論

本文探討了不同運(yùn)行條件下，好氧流化床生物膜反應(yīng)器中氧傳質(zhì)過程和污水處理效果，旨在優(yōu)化反應(yīng)器的曝氣工況，提高氧傳質(zhì)效率和污染物處理效耗。通過試驗(yàn)研究和對(duì)比分析，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論。

(1)當(dāng)曝氣量為150 L/h、溫度為20 ℃時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)OUR和KLas達(dá)到最高，氧傳質(zhì)效果最好，反應(yīng)器運(yùn)行效果最佳，且OUR與KLas之間存在較好的線性關(guān)系。

(2)當(dāng)曝氣量為150 L/h、溫度為20 ℃時(shí)，好氧流化床生物膜反應(yīng)器對(duì)CODCr、氨氮和TP的去除效果最好，此時(shí)CODCr、氨氮、TN和TP去除率分別為96.55%、89.53%、86.20%和83.96%。