張 鳴

(上海竹園第二污水處理廠，上海 200137)

活性污泥法是城鎮(zhèn)污水生物處理中最常見的工藝，而曝氣供氧是活性污泥法的關(guān)鍵步驟。曝氣不僅為微生物的基本生命活動提供足夠的氧氣，而且使污泥保持懸浮狀態(tài)，促進氧氣均勻分布。曝氣系統(tǒng)能耗占污水處理廠總能耗的45%～70%[1]，微孔曝氣器因其較高的氧傳質(zhì)效率而被廣泛應(yīng)用。然而在實際工況中，由于污染物質(zhì)的存在，微孔曝氣器在活性污泥混合液中的氧傳質(zhì)效率明顯低于在清水中測得的理論值。為了優(yōu)化曝氣能耗，精確量化氧傳質(zhì)效率并了解其主要影響因素非常重要。本文綜述了活性污泥混合液中各組分對氧傳質(zhì)效率的影響研究進展，以期為污水處理廠曝氣系統(tǒng)的優(yōu)化節(jié)能運行措施提供參考。

1 氧傳質(zhì)過程

活性污泥系統(tǒng)是三相共存的系統(tǒng)，其中固體(微生物聚集體)懸浮在混合液中，空氣被通入池底的曝氣設(shè)備，形成氣泡上升[2]。氧氣必須從氣相穿過氣液界面轉(zhuǎn)移到液相，再從液相轉(zhuǎn)移到微生物絮凝物中。氣液傳質(zhì)取決于氣泡界面的傳遞特性、液相和氣相的物理化學特性、兩相的局部速度場以及界面的拓撲結(jié)構(gòu)[3]。氣液傳質(zhì)經(jīng)典理論有雙膜理論、表面更新理論、淺層理論等[4]。目前應(yīng)用最多的是雙膜理論，其基于氣液兩相界面存在氣膜和液膜的物理模型，氧氣分子傳質(zhì)阻力存在于氣膜和液膜[5]。由于氧氣在水中的低溶解度，氣液傳質(zhì)主要的傳質(zhì)阻力出現(xiàn)在液膜[6]，通常以液相傳質(zhì)系數(shù)(KL)來表示。氣液兩相接觸面積(a)較難測量，因此常用體積傳質(zhì)系數(shù)，即氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)(KLa)來描述污水處理中的氧傳質(zhì)過程。

假設(shè)氧氣通過氣膜的擴散速率遠高于通過液膜的擴散速率，則可以忽略氣膜的阻力。對于一個完整的混合系統(tǒng)，可得到式(1)。

(1)

KLa——氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)，s-1；

C*——液相飽和溶解氧質(zhì)量濃度，mg/L；

C——液相溶解氧質(zhì)量濃度，mg/L。

在污水中的實際氧傳質(zhì)效率(αSOTE)一般低于標準氧傳質(zhì)效率(SOTE)，常用α來衡量實際污水對氧傳質(zhì)效率的降低效果，即αSOTE與SOTE之比，也可用污水與清水中KLa的比值計算[式(2)]。

(2)

2 活性污泥混合液流體性質(zhì)對氧傳質(zhì)的影響

活性污泥混合液是一種極其復雜的多相非牛頓流體，主要包含水(混合液含水率為98.0%～99.7%)、溶質(zhì)(如碳酸鹽、硝酸鹽和磷酸鹽)和具有可變形表面的絮凝體[如細菌、原生動物、后生動物、胞外聚合物(EPS)和微小顆粒][7-9]。這些絮凝體由于所受剪切應(yīng)力的不同，可通過絮凝和反絮凝進行重新組合。通常由于環(huán)境條件(如溫度、基質(zhì)、剪切速率、水力負荷)的變化，活性污泥的微觀結(jié)構(gòu)也隨著變化，所有這些變化都會影響活性污泥混合液的流體性質(zhì)(包括黏度、表面張力等)[10-12]。黏度為剪切應(yīng)力與剪切速率之比，是評價活性污泥混合液流動和形變的基本參數(shù)。流體越黏稠，流動性越差，黏度就越大。由于污泥是非牛頓體，黏度會隨著剪切速率和剪切應(yīng)力的變化而變化，常用表觀黏度描述這種行為[13-14]。表觀黏度隨著剪切速率的增加而降低，但在極低和較高的剪切速率下表現(xiàn)出牛頓體行為，即剪切稀化現(xiàn)象[12]。

活性污泥混合液流體性質(zhì)的變化會影響反應(yīng)器內(nèi)的湍流、曝氣器產(chǎn)生氣泡的形狀和大小，進而影響氧傳質(zhì)效果[15]。在研究氧傳質(zhì)效率時，應(yīng)將污泥流體性質(zhì)納入考慮范圍?；钚晕勰嗷旌弦旱谋碛^黏度越大，氣泡停留時間變長且發(fā)生并聚，使氣泡尺寸也越大，這導致氣液間接觸面積減少；隨著黏度變大，氣液界面液膜也增厚，使氣泡周圍液體更新速度變慢，傳質(zhì)阻力變大，液相傳質(zhì)系數(shù)變小，都使氧傳質(zhì)效率降低。而表面張力是使液體表面積縮小的力，表面張力的增加使氣泡體積變小，較小的氣泡使氣液相比表面積增大，有利于氧傳質(zhì)。

3 活性污泥混合液中各組分對氧傳質(zhì)的影響

活性污泥混合液中存在的物質(zhì)對微孔曝氣器在實際工況中的氧傳質(zhì)性能有明顯的抑制作用?；钚晕勰嗷旌弦旱母鹘M分通過影響混合液黏度，影響氣泡形成、氣液相界面更新速度等。表1列舉了活性污泥混合液各組分對氧傳質(zhì)的影響效果。

3.1 MLSS和MLVSS

MLSS會阻礙氣相中的氧分子傳遞到液相。在低污泥濃度時，由于污泥具有較大的比表面積，隨著污泥濃度的升高，污泥顆粒增多，增強了污泥混合液的湍流，使得氣液界面不斷更新，提高了氧傳質(zhì)效率[26]；在污泥濃度升高至一定水平后，污泥濃度越高，污泥越黏稠，顆粒間相互作用更強，污泥表觀黏度越高[7,10-13,15]，污泥混合液湍流程度降低，氣液兩相間更新速度變慢，使氣泡停留時間變長且發(fā)生并聚，導致氣泡直徑變大，阻礙氧傳質(zhì)[16,19,21,25-27]。因此，在保證處理效果的前提下，利用這一規(guī)律合理調(diào)整污泥濃度[26]，對污水處理廠降低電耗有重要意義。

范海濤等[26]發(fā)現(xiàn)當污泥質(zhì)量濃度低于2 g/L時，KLa隨著污泥濃度的升高而增大；當污泥濃度高于5 g/L時，KLa急劇降低；當污泥質(zhì)量濃度為12 g/L時，KLa不到2～3 g/L時的1/2。Nittami等[21]發(fā)現(xiàn)當MLSS質(zhì)量濃度為5～20 g/L時，隨著MLSS濃度的升高，α均呈線性或指數(shù)下降。Germain等[16]發(fā)現(xiàn)當MLSS質(zhì)量濃度為 7.2～17.9 g/L時，KLa20(20 ℃時氧總轉(zhuǎn)移系數(shù))急劇下降；當MLSS>17.9 g/L時，KLa20降至最低，不隨著MLSS濃度的進一步升高而降低。Durn等[28]發(fā)現(xiàn)MLSS與Ostwald-de Waele流變模型中稠度指數(shù)和流動指數(shù)密切相關(guān)，由于MLSS濃度的增加，污泥黏度升高，促進氣泡間聚結(jié)；污泥在氣泡上施加了黏彈性應(yīng)力，使氣泡生成時間變長；黏度升高導致氣泡阻力系數(shù)升高，降低氣泡上升速度，這些都導致了KLa值降低。

懸浮固體中的揮發(fā)性成分MLVSS由細菌、原生動物和PS等組成，可結(jié)合大量自由水，而污泥中有機物結(jié)合的水越多，所形成的污泥絮凝體體積就越大。隨著MLVSS濃度的升高，污泥絮凝體傾向于與氣相界面接觸，進而減少氣液相傳質(zhì)比表面積。Kim等[18]發(fā)現(xiàn)α隨MLSS濃度升高呈指數(shù)下降，隨MLVSS濃度升高呈線性下降，其認為MLVSS與α因子具有較高的相關(guān)性。Henkel等[19]發(fā)現(xiàn)隨著MLVSS濃度的升高，α逐漸減小。

表1 活性污泥混合液各組分對氧傳質(zhì)的影響效果Tab.1 Effect of Components of Activated Sludge Mixture Liquor on Oxygen Transfer Efficiency

3.2 溶解性有機污染物

溶解性有機物是指能通過0.45 μm濾膜的有機物質(zhì)。污水中的溶解性有機物包括天然有機物和污水處理過程中產(chǎn)生的可溶性微生物產(chǎn)物等。由于可溶性且易生物降解的基質(zhì)在氣泡表面上快速積累，大大降低了氧傳質(zhì)效率[29-30]。Mery-Araya等[31]、Jiang等[20]、Yuan等[32]、Zhao等[33]、Fan等[34]已通過試驗證明了進水有機負荷率對曝氣效率的影響，并且可根據(jù)有機物濃度，對污水處理廠進行精確曝氣，可實現(xiàn)對污水處理廠節(jié)能降耗運行。

Jiang等[20]通過24 h實時監(jiān)測污水處理廠相應(yīng)指標，發(fā)現(xiàn)COD與α呈負相關(guān)關(guān)系(r2=0.7)；隨著COD濃度升高，氧傳質(zhì)效率也進一步降低。Germain等[16]發(fā)現(xiàn)可溶性有機物質(zhì)量濃度為54～198 mg/L時，會阻礙活性污泥系統(tǒng)中氧傳質(zhì)，并將這種影響歸因于表面活性劑。Jamnongwong等[35]發(fā)現(xiàn)隨著葡萄糖質(zhì)量濃度由0.05 g/L升至100 g/L時，黏度逐漸升高，氣泡直徑逐漸變小，KL由4.6×10-4ms-1降至2.2×10-4ms-1。Rivas-Interin等[3]探究葡萄糖和蔗糖對氧傳質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)相對于清水，葡萄糖和蔗糖表觀黏度分別增加了16%和24%；在葡萄糖溶液中，氣泡直徑減少了27%，并且指出水溶液中葡萄糖抑制氣泡聚結(jié)的現(xiàn)象可能歸因于溶劑化和表面張力的變化。Ahmed等[36]發(fā)現(xiàn)在活性污泥中，由于添加纖維素和乙酸鈉，α因子在低風量下分別降低了48%和19%，在高風量下無變化；在失活污泥中，不論風量高低，α因子都因乙酸鈉的添加而降低。

3.3 電解質(zhì)

電解質(zhì)在生活污水和工業(yè)廢水中普遍存在[37-41]，它會影響溶液的離子強度，改變氣泡分子間作用力和液膜的表面流變性，阻礙氣泡的聚結(jié)，從而影響氣液相間氧傳質(zhì)[42-43]。電解質(zhì)對氣泡聚結(jié)的阻礙作用，可歸結(jié)于以下幾方面原因：雙電層排斥[44-45]、Gibbs-Marangoni效應(yīng)[46]、液體黏度的變化[43,47]、氣體溶解度的降低[3]等。電解質(zhì)增大了液體黏度，延緩了氣泡的聚結(jié)，使氣泡尺寸變小，氣液傳質(zhì)面積變大；但液體黏度增大使得氣泡周圍液體更新速度變慢，傳質(zhì)阻力變大，KL變小。而且電解質(zhì)濃度的增加會引起活性污泥顆粒的大小和形狀的變化，可能會導致氧傳質(zhì)效率的降低。

3.4 表面活性劑

表面活性劑通常用于洗滌劑、清潔劑、化妝品、紡織品工業(yè)中[48-49]，其對氧傳質(zhì)的抑制作用在污水處理領(lǐng)域被廣泛研究[6,22,50-55]。表面活性劑是微溶的大有機分子，具有強親水性頭部和強疏水性脂肪族或芳香族尾部，由8～20個碳原子組成[56-58]。根據(jù)極性基因解離性質(zhì)分為陰離子、陽離子、兩性離子和非離子表面活性劑[54]，其中陰離子表面活性劑在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛。

表面活性劑降低氣液界面的表面張力，延緩了氣泡的聚結(jié)，使氣泡尺寸變小，較小的氣泡會增加比表面面積，降低氣泡上升速度并提高氣體滯留率，改善氧傳質(zhì)效率。Campbell等[22]發(fā)現(xiàn)陰離子表面活性劑十二烷基硫酸鈉(SDS)分子形成的晶格結(jié)構(gòu)影響氫鍵作用，使氫鍵在氣泡的氣液界面均勻分布，當污水中SDS質(zhì)量濃度為10 mg/L時，水力停留時間為10 d和20 d的氧傳質(zhì)效率(OTE)分別增加了13.1%和8.3%。

另一方面，由于化學排斥，表面活性劑分子親水性頭部在氣液界面聚集，疏水性尾部在氣泡內(nèi)排列，覆蓋部分氣泡表面，使得氣泡表面剛度增加，而且由于氣泡內(nèi)疏水性尾部的存在，降低了氣相傳質(zhì)膜的更新，抑制氣液界面運動，傳質(zhì)阻力變大，液相傳質(zhì)系數(shù)降低，減少了空氣向液相的擴散[22,52,59]。Kotti等[51]探究陽離子和陰離子表面活性劑對氧傳質(zhì)效率的影響，發(fā)現(xiàn)KLa(清水)>KLa(陽離子表面活性劑)>KLa(陰離子表面活性劑)，且陰離子表面活性劑還使液體黏度增加，阻礙氧傳質(zhì)。Rosso等[23]發(fā)現(xiàn)SDS分子向氣液界面移動，阻礙了界面更新，與清水試驗相比，KLa降低了30%～70%。羅濤等[41]在中試規(guī)模通過添加不同濃度的十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)，發(fā)現(xiàn)隨著SDBS濃度的升高，KLa不斷降低，在SDBS質(zhì)量濃度為10 mg/L時達到最低。而隨著SDBS濃度繼續(xù)升高，KLa逐漸升高。這表明在一定濃度范圍內(nèi)，隨著SDBS濃度的升高，界面阻力不斷升高，表面活性劑使氣泡呈剛性，抑制表面湍流；而隨著SDBS濃度的繼續(xù)升高，剪切應(yīng)力增大，破壞剛性表面膜，進而促進氧傳質(zhì)。

3.5 絲狀菌和菌膠團菌

絲狀菌是活性污泥工藝中常見的好氧細菌[60]。絲狀菌的菌絲較長，柔軟又纖細的菌絲難以刺破氣泡，而是直接黏附于氣液界面，降低了液膜更新，增加了液膜厚度，直接導致KLa降低[60]。同時絲狀菌的菌絲傾向于增加污泥絮體的有效流體力學半徑，進而導致活性污泥混合液表觀黏度的增加，阻礙氣液界面的氧氣轉(zhuǎn)移，同時增強了氣泡的并聚，使氣泡尺寸變大，進一步降低氧傳質(zhì)效率[24,27,60-61]。Wu等[60]發(fā)現(xiàn)引起污泥膨脹的絲狀菌Thiothrixeikelboomii也會阻礙氧傳質(zhì)；且在相同的污泥濃度下，絲狀菌大量存在導致污泥表觀黏度升高，使得團狀污泥的氧傳質(zhì)系數(shù)比絮凝狀污泥降低了43%。Liu等[61]也發(fā)現(xiàn)長菌絲會增加混合液黏度，降低氧傳質(zhì)效率。Campbell等[24]發(fā)現(xiàn)當菌絲長度由9.61×106μm/g增至6.88×107μm/g時，表觀黏度增加41.4%，KLa降低了24.6%。這與另一研究結(jié)果一致，當絲狀菌的菌絲長度由2.0×109μm/g增加至6.0×1010μm/g，表觀黏度由4.5×10-4m2/s增加至1.2×10-3m2/s，氧傳質(zhì)效率下降了29%[27]。

在正常情況下，絲狀菌和菌膠團比例均衡，可以積聚成不規(guī)則致密結(jié)實的絮體結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生性質(zhì)良好的活性污泥[62]。在污泥膨脹情況下，絲狀菌不斷膨脹形成大絮體，絮體對水流攪拌作用減弱，邊界層厚度增加，傳質(zhì)阻力增加，并且絮體還使反應(yīng)器中氧傳質(zhì)路徑改變，使得局部溶解氧濃度不均，導致KLa降低[63]。李志華等[63]對污泥膨脹條件下的絲狀菌進行結(jié)構(gòu)分析，當膨脹進入中后期，發(fā)硫菌為優(yōu)勢菌，KLa從0.34 min-1降至0.25 min-1?；钚晕勰嗷旌弦褐薪z狀菌密度越大，污泥沉降比(SV30)越高[22,24,27,64]。因此,Campbell等[29]采用SV30評價絲狀菌對氧傳質(zhì)效率的影響，當SV30由20%增加至100%時，混合液表觀黏度增大，氧傳質(zhì)效率降低了28%。在極端情況(如污水水溫低且污泥負荷過高或進水營養(yǎng)物質(zhì)缺乏)，菌膠團菌會分泌大量黏性物質(zhì)引起黏性膨脹[65-66]，導致混合液黏度增加，極有可能降低氧傳質(zhì)效率，但由于出現(xiàn)頻率較低且調(diào)控相對容易，黏性膨脹對氧傳質(zhì)過程的影響暫未見文獻報道。因此，控制污泥膨脹不僅有利于污泥的沉降，還有利于氧傳質(zhì)。

3.6 EPS

活性污泥絮凝體是由多種微生物、有機顆粒、無機顆粒，以及被EPS包圍的死細胞組成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)[67]。EPS是一種復雜的高分子聚合物混合物，由PS、PN、腐植酸、糖醛酸、核酸和脂質(zhì)等組成[67]。在活性污泥工藝反應(yīng)器中，微生物以聚集體的形式存在，如生物膜、污泥絮凝物和顆粒，EPS圍繞微生物聚集體形成對外部應(yīng)力三維保護性基質(zhì)[68]。大量研究表明，EPS與絮凝強度、表面特性、絮凝體大小密切相關(guān)[67-72]。Germain等[16]發(fā)現(xiàn)EPS通過促進大絮凝物的形成，增加了絮凝物的孔隙率，從而增加擴散性，提高氧傳質(zhì)效率。

Fan等[34]發(fā)現(xiàn)污水進水F/M值高會導致EPS產(chǎn)生增加，進而阻礙氧傳質(zhì)。Capodici等[25]將KLa與PN和PS相關(guān)聯(lián)，發(fā)現(xiàn)在傳統(tǒng)活性污泥法和膜生物反應(yīng)器中KLa與PN/PS呈現(xiàn)良好的相關(guān)性，當PN/PS從5增加到8時，傳統(tǒng)活性污泥法中的KLa幾乎增加了100%，而膜生物反應(yīng)器中的KLa增加了50%。當PN/PS最大時，因絲狀菌的過度生長和絮凝作用，導致活性污泥形態(tài)向絮狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，這可能有利于氧傳質(zhì)。此外，由于EPS中PN的含量高于PS，且PN呈疏水性，增加了活性污泥的疏水性，又因為氣泡的疏水性，活性污泥絮凝物之間產(chǎn)生疏水相互作用，所以EPS中PN的增加改善了氧傳質(zhì)效率。Wu等[60]觀察污泥形態(tài)發(fā)現(xiàn)，親水性的PS和疏水性的PN可能構(gòu)成了像“兩親性分子”的表面活性劑，影響污泥絮凝性和黏度，使KLa降低。

4 結(jié)論

本文總結(jié)了活性污泥混合液中MLSS、溶解性有機物、電解質(zhì)、EPS、表面活性劑和絲狀菌等對微孔曝氣器氧傳質(zhì)效率的影響，其中MLSS是影響氧傳質(zhì)效率的關(guān)鍵因素?；钚晕勰嗷旌弦航M分主要通過改變活性污泥流體性質(zhì)(如黏度、表面張力)影響氣泡形成、氣泡大小、氣泡聚結(jié)和氣液傳質(zhì)比表面積等，進而影響氧傳質(zhì)效率。各組分對氧傳質(zhì)的影響效果總結(jié)如下。

(1)活性污泥混合液的MLSS影響污泥黏度和氣液相界面更新速度，進而影響氧傳質(zhì)效率，并且混合液揮發(fā)性懸浮固體MLVSS與α有較高的相關(guān)性。

(2)由于可溶性且易生物降解的基質(zhì)在氣泡表面上快速積累，大大降低了氧傳質(zhì)效率。

(3)不同性質(zhì)的電解質(zhì)可通過改變氣泡間作用力、黏度和表面張力等，影響氣泡大小和聚結(jié)、氣體滯留率和傳質(zhì)比表面積等，進而阻礙或改善氧傳質(zhì)效率。

(4)表面活性劑由于獨特的親疏水性結(jié)構(gòu)，一方面抑制氣泡聚結(jié)，使氣泡尺寸變小，傳質(zhì)比表面積變大，改善氧傳質(zhì)效率；另一方面使污泥黏度升高，影響氣泡形成，使液側(cè)傳質(zhì)系數(shù)降低。

(5)具有細長菌絲的絲狀菌，菌絲阻礙氣液界面更新，影響污泥絮凝體結(jié)構(gòu)，使混合液表觀黏度變大。EPS通過影響污泥絮凝體表面性質(zhì)、大小和親疏水性，影響氧傳質(zhì)效率。

5 展望

為了綜合考慮活性污泥混合液中影響氧傳質(zhì)效率的所有因素，有必要開發(fā)動態(tài)耦合數(shù)學模型解釋多個參數(shù)。該模型允許污水處理廠操作人員對曝氣系統(tǒng)不同方案進行評估和運行，模型對優(yōu)化污水處理廠曝氣系統(tǒng)運行調(diào)控非常有價值。另外，近年來污水中的新興污染物(如藥品、個人護理品、激素、農(nóng)藥和納米材料等)備受人們廣泛關(guān)注，但對氧傳質(zhì)過程的研究還相對空缺，對活性污泥混合液組分對氧傳質(zhì)的影響機制還需完善。