漆 磊

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063)

引 言

隨著我國工業(yè)的迅猛發(fā)展，食品廢水、垃圾滲濾液、畜禽養(yǎng)殖廢水等高濃度氨氮廢水排放量逐年快速增加，而目前此類廢水處理一般采用活性污泥法，需大量曝氣并額外添加有機(jī)物，導(dǎo)致水處理成本高，運(yùn)營操作難度高。CANON是一種低能耗、可持續(xù)的新型脫氮工藝[1-2]，以往對(duì)CANON顆粒污泥工藝的研究重點(diǎn)大多集中于溶解氧控制[3-4]和底物濃度[5～7]，對(duì)污泥顆?；^程的水力影響因素的研究相對(duì)較少[8-9]。

水力剪切力是影響顆粒污泥的形成和性質(zhì)的重要因素，當(dāng)水力條件較強(qiáng)時(shí)，可以促使顆粒污泥緊致密實(shí)，而當(dāng)水力條件較弱時(shí)，較難形成顆粒污泥[10-11]。水力剪切力由氣、液、固三相共同作用的結(jié)果，高的水力剪切力不但能夠強(qiáng)化微生物與污染物的傳質(zhì)效果，同時(shí)也增大了污泥被洗出和碎裂的風(fēng)險(xiǎn)，從而降低了顆粒污泥反應(yīng)器的穩(wěn)定運(yùn)行[12]。因此在顆粒污泥膨脹床(Expanded Granular Sludge Bed，EGSB)這類高效升流式反應(yīng)器中，水力剪切力儼然成為十分重要的運(yùn)行參數(shù)。

綜上可知，假若CANON工藝能夠快速啟動(dòng)并具有較好的脫氮效果，同時(shí)顆粒污泥的特性能夠深入剖析，則對(duì)于高效利用CANON顆粒污泥進(jìn)行脫氮分析具有十分重要的意義。針對(duì)上述問題，本實(shí)驗(yàn)采用EGSB小試裝置，采用表面曝氣的方式，探究了不同水力條件下CANON顆粒污泥的濃度變化和粒徑變化情況，以期能夠?yàn)镃ANON工藝顆粒污泥反應(yīng)器的優(yōu)化和推廣提供有力的技術(shù)支持。

1 材料與方法

CANON工藝是指在單反應(yīng)器內(nèi)通過控制溶解氧(Dissolved Oxygen，DO)來實(shí)現(xiàn)硝化和厭氧氨氧化，繼而達(dá)到脫氮目的[13]。在微好氧條件下，氨氧化菌(AerAOB)將氨部分氧化為亞硝酸鹽，消耗氧氣形成厭氧氨氧化菌(AnAOB)所需的厭氧環(huán)境，產(chǎn)生的亞硝酸鹽與剩余的氨經(jīng)AnAOB結(jié)合生成氮?dú)猓浞磻?yīng)過程見公式(1)[14-15]。

(1)

CANON顆粒污泥因具有污泥停留時(shí)間久、生物量濃度高和沉降性能好等優(yōu)點(diǎn)，比污水廠中的傳統(tǒng)絮狀污泥更具優(yōu)勢(shì)．因此是目前CANON工藝中主流的污泥形態(tài)[16]。

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置系統(tǒng)如圖1所示，其核心裝置為三個(gè)同步間歇運(yùn)行的有機(jī)玻璃EGSB反應(yīng)器(R1～R3)，反應(yīng)器的主要尺寸參數(shù)為：有效高度為800mm，有效直徑為80mm，有效容積約為4L，反應(yīng)器外部采用黑色材料進(jìn)行避光處理，同時(shí)內(nèi)桶與外壁之間設(shè)有水浴層進(jìn)行循環(huán)加熱保溫，保持反應(yīng)區(qū)的溫度介于30～32℃之間。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental device

R1～R3三個(gè)反應(yīng)器均通過蠕動(dòng)泵采用同步間歇運(yùn)行的方式，進(jìn)水、沉淀和出水的時(shí)間均為0.5h，反應(yīng)時(shí)長為22.5h，單個(gè)運(yùn)行周期為1d。

結(jié)合前人關(guān)于升流式反應(yīng)器平均剪切速率的研究結(jié)論[17]，結(jié)合本試驗(yàn)中EGSB小試裝置的特性，確定不同速度梯度下平均剪切力公式如下：

(2)

ψ=ρμlg

(3)

τ=μg

(4)

公式(3)、(4)中：ψ—水力循環(huán)攪拌中單位體積水流消耗的功率(Pa)；ρ—混合液的密度(kg/m3)；μl—反應(yīng)器中水流上升流速(m/s)；γ—平均剪切速率(s-1)；μ—水的動(dòng)力粘滯系數(shù)(Pa·s)；τ—反應(yīng)器中的平均剪切應(yīng)力(N/m2)。

R1～R3三個(gè)反應(yīng)器的上升流速分布分別2 m/h、3 m/h和4m/h，水力剪切力分布分別0.024N/m2、0.030N/m2和0.035N/m2，溶解氧濃度分別為0.05±0.03、0.29±0.07和0.57±0.09 mg/L。

1.2 試驗(yàn)材料

本研究所用的污泥由AnAOB顆粒污泥和市政污泥按照體積比1∶1的比例混合而成。AnAOB顆粒污泥和市政污泥分別取自實(shí)驗(yàn)室中長期穩(wěn)定運(yùn)行的ANAMMOX-EGSB試驗(yàn)裝置和城市污水處理廠中的好氧池，二者的MLVSS/MLSS值分別為0.433和0.548。兩種污泥在R1～R3三個(gè)反應(yīng)器中的接種量均為0.5L。

試驗(yàn)進(jìn)水水質(zhì)參考前人的研究成果，同時(shí)結(jié)合本試驗(yàn)前期的研究基礎(chǔ)，采用人工模擬高氨氮濃度廢水的方法。進(jìn)水氨氮濃度根據(jù)出水水質(zhì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，使進(jìn)水氨氮濃度保持在350mg/L左右，同時(shí)C/N比保持在1左右。

1.3 分析方法

顆粒污泥沉降速度測(cè)定方法為：取反應(yīng)器中混合狀態(tài)下的混合液5 mL，取其中的顆粒污泥逐個(gè)放入裝有1L自來水的量筒中，分別記錄各顆粒污泥開始從量筒中液面處到沉入量筒底部的時(shí)間t，測(cè)量量筒中液面高度H并按H/t計(jì)算出各顆粒的沉降速度。

溶解氧：HACH-HQ30d型便攜式溶氧儀測(cè)定；MLSS：重量分析法；MLVSS：600℃灼燒法，污泥表面結(jié)構(gòu)采用JEOLJEM-1400(JAPAN)型掃描電鏡測(cè)定；粒徑分布采用LS1332(美國貝克庫爾特有限公司)型全自動(dòng)激光粒度分析儀測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 顆粒污泥濃度變化與分析

CANON顆粒污泥培養(yǎng)過程中污泥濃度的變化如圖2所示。三個(gè)反應(yīng)器在污泥接種2～3天后，由于采用無機(jī)培養(yǎng)，導(dǎo)致反應(yīng)器中異養(yǎng)菌自身內(nèi)源降解，致使部分污泥變松散，在水流剪切應(yīng)力作用下，生物膜剝落，由于其沉淀性能不佳導(dǎo)致最后排水時(shí)易被排除系統(tǒng)中，從而污泥濃度下降。

圖2 不同水力條件下各系統(tǒng)啟動(dòng)過程中污泥濃度變化圖Fig.2 Variation of sludge concentration during start-up of each system under different hydraulic conditions

開始污泥濃度幾乎相同，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，在試驗(yàn)初始階段，三個(gè)反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度均減少，R3污泥濃度下降了869mg COD/L，R2污泥濃度下降了508mg/L，R1污泥濃度下降了275mg/L，污泥濃度減小值呈現(xiàn)R3>R2>R1，主要因?yàn)榉磻?yīng)器內(nèi)水力剪切力越大，在反應(yīng)器啟動(dòng)初期被洗出的絮狀污泥量越多，加上環(huán)境突變，AnAOB顆粒污泥上的生物膜開始變得松散，從顆粒污泥上剝落的生物膜也越多，原因二可能為系統(tǒng)初始微生物中存在著一部分異養(yǎng)菌，由于系統(tǒng)內(nèi)為自養(yǎng)環(huán)境，不適宜異養(yǎng)菌生長，導(dǎo)致異養(yǎng)菌死亡，因此啟動(dòng)期間初始條件相同的3個(gè)反應(yīng)器運(yùn)行一段時(shí)間后，污泥量和顆粒污泥粒徑均減小，且剪切應(yīng)力越大被洗出的污泥量也越大。

隨著反應(yīng)器內(nèi)微生物逐漸適應(yīng)了新環(huán)境，且R1、R2成功啟動(dòng)了CANON反應(yīng)，導(dǎo)致CANON系統(tǒng)中功能微生物利用環(huán)境中的營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行同化作用促使微生物增殖，從宏觀上來說表現(xiàn)為污泥濃度均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。待反應(yīng)器啟動(dòng)成功和穩(wěn)定后，污泥濃度呈現(xiàn)出R2>R1>R3，其中R1污泥濃度相比初始條件增加了267mg/L，R2污泥濃度相比初始條件增加了370mg/L。R3中上升流速過大導(dǎo)致反應(yīng)器溶解氧過高抑制了CANON反應(yīng)，導(dǎo)致CANON顆粒污泥工藝啟動(dòng)未能成功，盡管實(shí)現(xiàn)了部分硝化作用，但污泥濃度仍僅能維持在較低水平。而R1上升流速較低導(dǎo)致傳質(zhì)效果和反應(yīng)速率均較低，雖然污泥濃度實(shí)現(xiàn)了增加，但污泥濃度增加幅度不如R2，可知R2中CANON反應(yīng)速率較大，故污泥生長速率也較大，導(dǎo)致污泥濃度增長也最多。

2.2 顆粒污泥粒徑分布變化與分析

圖3為R1和R2啟動(dòng)成功后形成的CANON顆粒污泥，由圖3可知(a)、(b)為自然狀態(tài)下觀察R1、R2粒徑分布，(c)、(d)為在電鏡掃描狀態(tài)下單個(gè)CANON顆粒污泥狀態(tài)。由圖3可知R1和R2顆粒污泥的形態(tài)均較為完整且均勻，其中R1略大于R2。

圖3 R1和R2系統(tǒng)內(nèi)顆粒污泥照片F(xiàn)ig.3 Photos of granular sludge in R1 and R2 systems

圖4為初始系統(tǒng)及不同水力條件長期作用下各系統(tǒng)內(nèi)污泥粒徑分布圖，從圖4中可以看出，長期試驗(yàn)下系統(tǒng)內(nèi)的粒徑變化明顯，啟動(dòng)過程中逐漸發(fā)現(xiàn)R1、R2中出現(xiàn)愈來愈多的顆粒污泥，在數(shù)量及粒徑上均出現(xiàn)了較大提升。在初始階段，系統(tǒng)內(nèi)由AnAOB顆粒污泥和市政好氧池污泥組成，故粒徑分布呈現(xiàn)兩極分化，粒徑占比最多的粒徑在120μm和1150μm左右，分別代表市政好氧池污泥和初始AnAOB顆粒污泥。隨著不同水力條件長期作用下，R1、R2成功實(shí)現(xiàn)CANON顆粒污泥啟動(dòng)，其中R1的平均粒徑為1550μm左右，R2粒徑為1400μm左右，可見R1粒徑大于R2，均實(shí)現(xiàn)了顆?；?。

圖4 系統(tǒng)初始狀態(tài)及150d穩(wěn)定時(shí)粒徑分布圖Fig.4 The initial state of the system and the particle size distribution when it is stable for 150 days

水力剪切力對(duì)污泥顆?；姓蜃饔煤鸵种谱饔脙煞N[18]。正向作用：高的水力剪切力不但能夠強(qiáng)化微生物與污染物的傳質(zhì)效果，促進(jìn)微生物增殖；同時(shí)能強(qiáng)化EPS的分泌，增強(qiáng)各個(gè)微生物之間的黏附作用。抑制作用：高的水力剪切力也增大了污泥被洗出和碎裂的風(fēng)險(xiǎn)，使微生物與微生物之間存在著靜電斥力與水力剪切力的兩種阻礙作用。顆?；纬傻倪^程就是以上兩種作用共同作用的結(jié)果，R1中上兩種作用產(chǎn)生的顆?；蛴绊戇h(yuǎn)遠(yuǎn)大于R2，故R1粒徑大于R2。而R3中較高的水力剪切力導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)污泥易碎裂從而洗出系統(tǒng)，故R3形成了絮體細(xì)小的活性污泥形態(tài)，其平均粒徑在400μm左右。

顆粒污泥具有良好的沉降性能以解決顆粒污泥的流失問題，從而有效將微生物持留在反應(yīng)器內(nèi)，提高單位容積的微生物持有量，進(jìn)而提高反應(yīng)器的水力負(fù)荷與處理能力[19]。初始系統(tǒng)內(nèi)AnAOB及R1、R2系統(tǒng)內(nèi)顆粒污泥沉降速度見圖5。

圖5 初始系統(tǒng)及150d穩(wěn)定時(shí)顆粒污泥粒徑大小及沉降速度Fig.5 The particle size and settling velocity of granular sludge in the initial system and when it is stable for 150 days

根據(jù)圖5可知粒徑越大，顆粒污泥的沉降速度也越大，與劉永紅等[20]的研究結(jié)果一致，根據(jù)公式(5)計(jì)算其理論的沉降速度[21]，與實(shí)際的沉降速度進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)與理論的沉降速度十分接近，顆粒污泥粒徑越大，致使其密度越大，加快了其沉降的速度，能夠在盡量短的時(shí)間內(nèi)使其沉降到反應(yīng)器底部防止被出水洗出反應(yīng)器內(nèi)。

μt=0.781[d1.6(ρs-ρ)/ρ0.4μ0.6]0.714

(5)

公式(5)中：d-顆粒污泥粒徑(mm)；

μt-沉降速度(m/h)；

ρ-上清液密度(kg/m3)；

μ-粘滯系數(shù)(Pa·s)；

ρs-混合液密度(kg/m3)。

3 結(jié) 論

(1)在不同水力條件長期作用下，R3中水力剪切力過大致使污泥絮體變得細(xì)小從而沉淀效果變差致使其容易洗出反應(yīng)器，并且反應(yīng)器溶解氧過高抑制了CANON反應(yīng)，故污泥濃度僅僅能維持在較低水平。而R1傳質(zhì)效果較差導(dǎo)致反應(yīng)速率較低，雖然污泥濃度實(shí)現(xiàn)了增加，但污泥濃度增加幅度不如R2，三個(gè)反應(yīng)器中，R2中CANON反應(yīng)速率最大，故污泥生長速率也最大，導(dǎo)致污泥濃度增長也最多。

(2)長期試驗(yàn)不同階段系統(tǒng)內(nèi)的粒徑變化明顯，在初始階段，粒徑分布呈現(xiàn)兩極分化，原因?yàn)橥瑫r(shí)存在AnAOB顆粒污泥和市政生化池絮狀污泥，粒徑占比最多的粒徑是120μm和1150μm左右。R1、R2成功實(shí)現(xiàn)CANON顆粒污泥啟動(dòng)，但同時(shí)也包含了較多的絮狀污泥，其中R1的平均粒徑為1550μm左右，R2粒徑為1400μm左右。R3系統(tǒng)內(nèi)平均粒徑為400μm，類似于絮狀污泥的粒徑分布規(guī)律。

(3)通過控制CANON-EGSB中合適的上升流速、水力剪切力等參數(shù)，能加快實(shí)現(xiàn)CANON工藝的快速啟動(dòng)，加快實(shí)現(xiàn)CANON工藝應(yīng)用于高濃度氨氮廢水的處理，從而實(shí)現(xiàn)高濃度氨氮廢水的經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性處理。