微氧反應器和好氧對照系統負荷效應對比研究

　　活性污泥系統是目前應用最為廣泛的廢水生物處理系統〔1〕，在實(shí)際運行過(guò)程中，為了保持系統較快的反應速率，常使系統中的溶解氧高于2 mg/L，使得好氧反應能耗很高〔2〕，通常情況下鼓風(fēng)曝氣系統的能耗占到水處理廠(chǎng)總能耗的40%~50%〔3〕。厭氧系統不需要曝氣，但前期的基建費用較高，而且厭氧處理速度較慢，出水還需要后續處理才能達標〔4〕。因此，在保障高處理效率的同時(shí)，研究如何降低供氧造成的運行成本在廢水生物處理領(lǐng)域具有很實(shí)際的意義，研究和探索高效率、低能耗的新型廢水處理技術(shù)迫在眉睫。

　　傳統觀(guān)點(diǎn)認為，好氧反應和厭氧反應是不能在同一個(gè)培養環(huán)境中共存的，在廢水生物處理系統中，好氧過(guò)程和厭氧過(guò)程常常都是分開(kāi)考慮。但近年來(lái)的研究表明，好氧反應和厭氧反應這2個(gè)反應過(guò)程可在同一個(gè)體系中共存〔5, 6〕。D. H. Zitomer〔7〕報道，在微氧條件下，好氧反應和產(chǎn)甲烷過(guò)程可以在同一個(gè)污泥系統中完成，該過(guò)程良好地結合了好氧反應和厭氧反應的優(yōu)點(diǎn)，出水COD低，污泥產(chǎn)量小。近年來(lái)，微氧系統因其所具有的獨特性受到研究者的廣泛關(guān)注，但對于微好氧廢水處理系統方面的研究非常欠缺，對于微氧系統的運行特征以及與好氧系統的差異有待進(jìn)一步深入研究。

　　1 材料與方法

　　1.1 接種污泥和實(shí)驗配水

　　取河流底泥、腐爛樹(shù)葉下表面土壤、污水處理廠(chǎng)活性污泥樣品各2 g，混合后加水100 mL，然后放入盛有玻璃珠的三角瓶中振蕩20 min，將土樣徹底打碎以釋放出其中的微生物。靜置1 min后，取50 mL上清液作為接種污泥接入反應器。

　　為便于分析，實(shí)驗采用人工配制廢水作為進(jìn)水。模擬廢水中用食品級葡萄糖、硫酸銨、KH2PO4來(lái)模擬COD、TN和TP，添加量分別為3.5、0.7、0.2 g/L，即COD、TN、TP分別為(3 472±65)、(154±6)、(41±2)mg/L。

　　1.2 實(shí)驗裝置

　　實(shí)驗采用2個(gè)相同的連續小試實(shí)驗裝置平行運行，單個(gè)裝置結構如圖 1所示。

 圖 1 處理系統結構示意

　　反應器為圓形有機玻璃柱，底部為漏斗狀，高100 cm，內徑10 cm，有效容積為6.3 L。沿柱高每隔20 cm處設一個(gè)取樣孔，取樣孔直徑1 cm，長(cháng)度5 cm。曝氣頭安置在反應器底部，通過(guò)空氣流量計控制氣體流量進(jìn)行曝氣，進(jìn)水通過(guò)計量泵從底部泵入。

　　1.3 運行條件

　　在批量培養階段，先將培養液加到反應柱半高處，加入接種污泥進(jìn)行培養�？刂坪醚鯇φ障到y(aerobic control system，ACS)DO在2.5~4.0 mg/L，上升流式微氧污泥床反應器(upflow microaerobic sludge blanket reactor，UMSB)系統DO在0.5~0.9 mg/L，調整系統pH在6.5~7.5。每天檢測系統COD，待COD去除率達到90%以后，按照HRT=96 h連續進(jìn)水，溫度保持在25~28 °C。

　　批量培養結束后，連續進(jìn)水，HRT為25 h。在連續運行過(guò)程中，先后考察了3個(gè)COD負荷水平3.2~3.5、4.5~5.1、1.3~1.5 kg/(m3·d)。ACS和UMSB各階段運行條件如表 1所示。在第1階段獲得穩定運行的情況下，第2階段考察了沖擊負荷對系統運行的影響，而第3階段考察了較低負荷對系統運行的影響。

　　1.4 水質(zhì)分析方法

　　COD的測定采用重鉻酸鉀法(GB 11914—1989);TN的測定采用紫外分光光度法(GB 11894—1989);TP的測定采用鉬酸銨分光光度法(GB 11893—1989)。pH采用HI 8424 型電子 pH 檢測儀進(jìn)行測定;DO采用HI 9143 型電子自動(dòng)溶解氧檢測儀進(jìn)行測定。

　　2 結果與討論

　　3種COD負荷條件下UMSB和ACS系統穩定期的運行特征如表 2所示。

　　2.1 UMSB和ACS的COD去除效果對比分析

　　由表 2可知，在第1階段穩定期，當進(jìn)水COD負荷為3.2~3.5 kg/(m3·d)時(shí)，UMSB和ACS的COD去除率分別為(91±3)%、(94±2)%，二者之間無(wú)顯著(zhù)性差異(P=0.804>0.05)。在第2階段，當進(jìn)水COD負荷升高至4.5~5.1 kg/(m3·d)時(shí)，UMSB和ACS的COD去除率分別降低到(88±5)%和(93±2)%，二者之間有顯著(zhù)性差異(P=0.00 < 0.05)。在第3階段，當進(jìn)水COD負荷降低至1.3~1.5 kg/(m3·d)時(shí)，UMSB和ACS的COD去除率分別穩定在(94±1)%、(95±1)%，二者之間無(wú)顯著(zhù)性差異(P=0.780>0.05)。

　　從UMSB和ACS的運行特征來(lái)看，當用葡萄糖作為碳源時(shí)，在一定的COD負荷范圍內(≤3.5kg/(m3·d))，UMSB和ACS的COD去除率沒(méi)有顯著(zhù)性差異。由此可見(jiàn)，在一定的COD負荷范圍內，在較低的DO水平下，UMSB可依然保持較高的有機物去除能力。此研究結果與S. B. He 等〔8, 9〕的報道相一致。與ACS相比，UMSB在低DO水平下運行可以節約曝氣量，降低運行成本。

　　2.2 UMSB和ACS的TN、TP去除效果對比分析

　　由表 2可知，在3個(gè)階段穩定期，UMSB的TN去除率均低于A(yíng)CS，且二者之間均存在顯著(zhù)性差異(P=0.00 < 0.05)。這是由于所用廢水中存在葡萄糖，不適合硝化菌的生存，導致UMSB在TN去除方面不存在優(yōu)勢。在負荷較低的第1和第3階段，UMSB的TP去除率顯著(zhù)高于A(yíng)CS，二者之間均存在顯著(zhù)性差異(P=0.00 < 0.05)。在第2階段，當進(jìn)水COD負荷升高至4.5~5.1 kg/(m3·d)時(shí)，UMSB和ACS的TP去除率分別為(55±4)%、(56±4)%，二者基本一致，不存在顯著(zhù)性差異(P=0.14>0.05)。由此可以看出，在UMSB中，COD負荷對TP的去除具有很大影響。

　　傳統的高效生物除磷(enhanced biological phos-phorus removal，EBPR)系統效率很高，但EBPR的良好運行需要進(jìn)水中有大量的揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)〔10〕，需要一個(gè)前置厭氧區，工藝比較復雜，而且很多因素都會(huì )造成系統運行不正常。因此，在廢水處理領(lǐng)域開(kāi)發(fā)經(jīng)濟高效的除磷系統勢在必行。A. Mullan等〔11〕報道，與傳統的EBPR處理系統相比，單級好氧除磷系統具有獨特優(yōu)勢：(1)處理效率高;(2)能夠耐受高濃度NO3-(傳統EBPR工藝的厭氧段對NO3-很敏感);(3)可降低對廢水濃度的依賴(lài)性;(4)VFAs濃度較低時(shí)也可以正常運行。本研究中在較低COD負荷條件下，UMSB的TP去除率顯著(zhù)高于A(yíng)CS，這說(shuō)明生物除磷可以在微氧條件下運行的單級活性污泥系統中實(shí)現，與傳統的EBPR處理系統相比，該工藝可極大地簡(jiǎn)化處理流程。此外，本研究中UMSB的曝氣量遠低于A(yíng)CS(見(jiàn)表 1)，說(shuō)明過(guò)多的曝氣量不利于生物除磷系統發(fā)揮作用，此現象與D. Brd-janovic 等〔12〕的報道一致。L. K. Ju 等〔13〕報道在微氧條件下，微生物可能可以同時(shí)進(jìn)行好氧呼吸和厭氧呼吸或者發(fā)酵，因此，在此條件下可能同時(shí)存在好氧和厭氧微環(huán)境，所以，微氧系統可能可以發(fā)揮好氧/厭氧交替運行系統的功能。除了磷，微氧處理系統或許可以作為厭氧/好氧處理系統的延伸和補充來(lái)處理很多污染物。

　　根據近年來(lái)的文獻報道，EBPR的整體性質(zhì)是微生物群體功能上相互補充、相互依賴(lài)共同表現出來(lái)的綜合特征，并不完全是某一類(lèi)微生物在起作用。由于EBPR系統中微生物種類(lèi)多樣，隨著(zhù)研究和認識的深入，聚磷菌的定義也應當相應改變，一切能夠超過(guò)自身生長(cháng)所需過(guò)量吸收磷的微生物都可以稱(chēng)為聚磷菌，而且厭氧階段合成聚羥基脂肪酸將不再是必要條件〔14, 15〕。應當認識到，盡管與傳統定義的聚磷菌代謝不完全一致，許多從活性污泥中分離出的菌種都具有聚磷的功能，只是需要在合適的環(huán)境條件和運行條件下才能展現出來(lái)。運行結果表明，在負荷較低的第1和第3階段，UMSB的TP去除率顯著(zhù)高于A(yíng)CS，說(shuō)明在UMSB的運行條件下，其中的微生物群落可以展現出TP去除方面的優(yōu)勢。具體參見(jiàn)http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　3 結論

　　(1)在一定的較低COD負荷范圍內(≤3.5kg/(m3·d))，UMSB和ACS的COD去除率沒(méi)有顯著(zhù)性差異�？梢�(jiàn)，在一定的較低COD負荷范圍內，在較低的DO (0.5~0.9 mg/L)水平下，UMSB依然能保持較高的有機物去除能力(COD去除率>90%)。相比于A(yíng)CS，采用UMSB運行，可以節約曝氣量，降低運行成本。

　　(2)在較低COD負荷條件下，UMSB在單級反應器中就可以實(shí)現有機物和磷的同步去除。與傳統的EBPR處理系統相比，該工藝簡(jiǎn)化了處理流程，減小了常規工藝反應器構筑物的占地面積。此項研究可為新的廢水處理工藝的開(kāi)發(fā)和構筑物設計提供理論參考。