近幾年的研究表明，好氧顆粒污泥對于生活污水、高濃度有機(jī)廢水、工業(yè)廢水等均有良好的處理效果。好氧顆粒污泥法具有培養(yǎng)簡便，脫氮除磷效果好，沉降性能好，微生物立體空間結(jié)構(gòu)密實(shí)，無需后續(xù)處理等特點(diǎn)。在采用好氧顆粒污泥處理廢水過程中，延長曝氣時間有助于COD的去除及硝化反應(yīng)的進(jìn)行，但不利于短程硝化反硝化，并可能引起能源的浪費(fèi)。因此，在常規(guī)的處理過程中由于曝氣而引起的能耗問題成為好氧顆粒污泥法大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸。
J. H. Tay等〔1〕認(rèn)為，好氧顆粒污泥系統(tǒng)最小曝氣量不應(yīng)低于1.12m3/s，否則即使不改變其他變量，也較難形成好氧顆粒污泥。因此，為滿足好氧顆粒污泥對溶解氧及水力剪切的需求，多數(shù)實(shí)驗(yàn)室采用較大的曝氣量來確保反應(yīng)器的穩(wěn)定運(yùn)行。另外，曝氣量過低，溶解氧太小，可能引發(fā)非絲狀菌膨脹。而劉旭亮等〔2〕的研究表明，當(dāng)曝氣量為80L/s以上時，好氧顆粒污泥系統(tǒng)會出現(xiàn)黏性污泥膨脹，從而導(dǎo)致出水水質(zhì)變差。針對上述問題，本研究采用低曝氣量(0.3、0.2、0.1m3/h)運(yùn)行好氧顆粒污泥系統(tǒng)，考察了低曝氣量下好氧顆粒污泥對生活污水中污染物的處理效果，以期達(dá)到低能高效處理污廢水 的目的。
1 試驗(yàn)材料和方法
1.1 反應(yīng)器及運(yùn)行方式
試驗(yàn)采用SBR反應(yīng)器。該反應(yīng)器由有機(jī)玻璃制成，直徑為17cm，高125cm，總體積為28L，有效容積控制為25L。在反應(yīng)器邊壁垂直方向上設(shè)置5個間距為20cm的取樣口，反應(yīng)器上端設(shè)有溢流口，底部設(shè)有排泥管，采用砂芯曝氣頭曝氣，轉(zhuǎn)子流量計控制曝氣量。以微電腦時控制開關(guān)實(shí)現(xiàn)反應(yīng)過程的自動控制，每天運(yùn)行4個周期，每個周期6 h，包括1min進(jìn)水，5.5 h曝氣，3min出水，沉淀時間按試驗(yàn)的進(jìn)行確定(由開始的15min逐漸降低至3min)。從反應(yīng)器中部的取樣口進(jìn)行取樣或排水，排水比控制在50%～60%。
1.2 試驗(yàn)水質(zhì)與接種污泥
接種污泥采用蘭州市安寧污水廠二沉池回流污泥，接種污泥體積為8L左右。試驗(yàn)污水取自蘭州理工大學(xué)西校區(qū)化糞池污水，原水的COD、氨氮和磷波動較大，COD為307～2 300mg/L，氨氮為71.7～688.5mg/L，磷為1.642～61.01mg/L，m(COD)/m(NH4+-N) 平均為6.572，碳源較充足，有機(jī)負(fù)荷大。
1.3 試驗(yàn)方法
試驗(yàn)運(yùn)行過程中，通過調(diào)整曝氣量的方法形成好氧顆粒污泥。經(jīng)過30 d左右的污泥馴化期后，開始出現(xiàn)顆粒污泥，顆粒污泥的數(shù)量較少，肉眼可見。待反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行后，開始調(diào)整曝氣量，從一開始的0.3m3/h逐漸下降到0.1m3/h。MLSS在2.5～3.0 g/L左右，SVI平均為64。
1.4 分析方法
COD的測定采用重鉻酸鉀法，NH4+-N的測定采用納氏試劑分光光度法，TP的測定采用鉬銻抗分光光度法，NO3--N的測定采用酚二磺酸光度法，NO2--N的測定采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法。DO采用溶氧儀進(jìn)行測定，MLSS采用烘干法測定，SV和SVI采用國家標(biāo)準(zhǔn)方法測定〔3〕，污泥形態(tài)及微生物相用微生物顯微鏡觀察。
2 試驗(yàn)結(jié)果與討論
2.1 COD去除效果
圖 1為不同曝氣量下COD的去除情況，其中，第1—15天是曝氣量為0.3m3/h時COD的變化情況，第16—30天是曝氣量為0.2m3/h時COD的變化情況，第31—45天是曝氣量為0.1m3/h時COD的變化情況。
從圖 1可以看出，低曝氣量下好氧顆粒污泥可以穩(wěn)定運(yùn)行，盡管進(jìn)水COD變化幅度大，出水COD均比較低，COD去除率穩(wěn)定，基本保持在75%～85%左右。同時在低曝氣量下，在曝氣量從0.3m3/h逐步降低到0.1m3/h的過程中，COD 的去除變化不大，基本不受曝氣量的影響。初步分析，污水中COD的去除主要依靠微生物的吸附作用和代謝作用完成，吸附是去除COD的主要過程，而吸附過程不受曝氣量大小的影響，只與顆粒污泥本身的粒徑、比表面積等有關(guān)。在代謝過程中，合成代謝與分解代謝2個過程需氧量也都比較小，較低的曝氣能夠滿足微生物在代謝過程的耗氧量。因此，在低曝氣量下COD的去除并不受曝氣量大小的影響，同時COD去除率能保持在穩(wěn)定水平。
圖 1 不同曝氣量下COD的去除情況
2.2 脫氮除磷的效果
2.2.1 氨氮的去除
圖 2為不同曝氣量下氮的變化情況。
圖 2 不同曝氣量下氮的變化情況
由圖 2可以看出，當(dāng)曝氣量為0.3m3/h時，由于進(jìn)水氨氮波動大，對氨氮的去除造成一定的影響，氨氮去除率不穩(wěn)定;亞硝態(tài)氮質(zhì)量濃度基本在10mg/L以下，在這個過程中沒有發(fā)現(xiàn)亞硝酸鹽的積累;隨著氨氮的去除，硝態(tài)氮濃度緩慢上升，但上升幅度不大，且在第12天后有所下降。初步判斷，在0.3m3/h的曝氣量下，有同步硝化反硝化的脫氮趨勢。當(dāng)曝氣量為0.2m3/h時，對氨氮的去除已經(jīng)不受進(jìn)水氨氮變化的影響，基本沒有較大波動;亞硝態(tài)氮質(zhì)量濃度維持在1mg/L以下，相比于曝氣量為0.3m3/h時有大幅度下降，并且沒有發(fā)現(xiàn)亞硝酸鹽的積累;硝態(tài)氮的濃度也基本趨于穩(wěn)定。因此，可以確定在曝氣量為0.2m3/h時，主要進(jìn)行的是同步硝化反硝化脫氮，由于亞硝態(tài)氮的濃度很低，反硝化很可能比硝化反應(yīng)進(jìn)行得快。當(dāng)曝氣量為0.1m3/h時，硝態(tài)氮和出水氨氮濃度變化幅度開始變大，氨氮去除率不穩(wěn)定;但亞硝態(tài)氮質(zhì)量濃度低于曝氣量為0.2m3/h時的情況，基本保持在0.5mg/L以下。由此可以推斷，當(dāng)曝氣量為0.1m3/h時，脫氮過程中反硝化進(jìn)程比較順利。
好氧顆粒污泥對污水中氮的去除包括吸附氨氮〔4, 5, 6〕、吹脫氨、生物同化等多種脫氮過程〔7〕，曝氣量不同，脫氮過程不同。曝氣量高時，以傳統(tǒng)脫氮為主;曝氣量低時，溶解氧濃度低，反硝化菌活性強(qiáng)，利于同步硝化反硝化的發(fā)生。通過對比3種曝氣量下的氨氮去除率(見圖 3)可以發(fā)現(xiàn)，低曝氣量下主要發(fā)生的是同步硝化反硝化脫氮。當(dāng)曝氣量為0.2m3/h時，氨氮去除率較高也比較穩(wěn)定，受進(jìn)水氨氮濃度的影響小;而當(dāng)曝氣量為0.1、0.3m3/h時，氨氮去除率不高，并且表現(xiàn)出較大幅度的波動。初步分析，較大的曝氣量有助于提高氨氧化菌和亞硝酸鹽氧化菌的活性，促進(jìn)硝化反應(yīng)的進(jìn)程;但曝氣量較大會抑制反硝化菌的活性。曝氣量為0.3m3/h時，很可能遏制了反硝化進(jìn)程，因而影響了氨氮的去除。曝氣量為0.1m3/h時，水中DO濃度低，利于反硝化進(jìn)行，但硝化反應(yīng)進(jìn)行緩慢，影響了前期的硝化過程，降低了脫氮效果。曝氣量為0.2m3/h時，可以基本滿足脫氮所需的曝氣量，并且不會對反硝化菌活性產(chǎn)生抑制，能調(diào)節(jié)硝化與反硝化對于溶解氧需求的矛盾，使硝化和反硝化都能順利進(jìn)行，有助于達(dá)到一個更好的脫氮效果。
圖 3 不同曝氣量下氨氮去除率對比
2.2.2 磷的去除
好氧顆粒污泥除磷主要依靠聚磷菌在好氧階段吸收磷，厭氧階段釋放磷這一過程實(shí)現(xiàn)〔8, 9〕。圖 4為不同曝氣量下磷的去除情況。
圖 4 不同曝氣量下磷的去除對比
從圖 4可以看出，當(dāng)曝氣量為0.3m3/h時，出水磷濃度較高，是3種曝氣量情況中出水最差的1種，且去除率不穩(wěn)定。當(dāng)曝氣量為0.1、0.2m3/h時，出水磷基本穩(wěn)定在2mg/L左右，并且在曝氣量為0.2m3/h時，盡管反應(yīng)器運(yùn)行至第22天時，進(jìn)水磷濃度產(chǎn)生了一定波動，但出水磷依然較低。相比于0.2m3/h的曝氣量，以0.1m3/h曝氣量運(yùn)行時，磷的去除率雖然有一定的波動，但整體呈上升趨勢。結(jié)合對氮的變化過程的分析，在脫氮過程中，低曝氣量下有利于反硝化進(jìn)行，因此，在除磷過程中，聚磷菌中的大部分可能是反硝化聚磷菌。而好氧顆粒污泥本身的結(jié)構(gòu)也為反硝化聚磷菌的生長提供了良好的條件，根據(jù)溶解氧濃度梯度，好氧顆粒污泥由外到內(nèi)呈好氧、缺氧、厭氧的氧濃度梯度，缺氧區(qū)更利于反硝化聚磷菌的生長。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，表面溶解氧濃度越大，溶解氧的濃度梯度越大，氧穿過顆粒污泥的徑向距離越遠(yuǎn)。過度曝氣會導(dǎo)致好氧階段后期聚磷菌體內(nèi)PHB的不足，從而使得系統(tǒng)除磷性能惡化。因此，初步分析在曝氣量為0.1m3/h的情況下，好氧顆粒污泥內(nèi)部更容易形成缺氧區(qū)，聚磷菌體內(nèi)有充足的PHB，同時更利于反硝化聚磷菌富集和釋磷過程，進(jìn)而保證除磷的效果。
2.3 DO的變化過程
DO對好氧顆粒污泥脫氮過程有很大影響，DO濃度不同，脫氮過程也會不同。不同曝氣量下DO的變化如圖 5所示。
從圖 5可以看出，曝氣量為0.3m3/h時，DO發(fā)生2次突躍，并且DO的變化波動大。當(dāng)曝氣量為0.2m3/h時，DO只發(fā)生了1次突躍，DO逐漸趨于穩(wěn)定，保持在2mg/L左右。當(dāng)曝氣量下降至0.1m3/h時，DO不再發(fā)生突躍和驟變，變化浮動小，基本保持在1～1.5mg/L。有研究表明，好氧顆粒污泥內(nèi)層的DO由顆粒表面的DO和顆粒內(nèi)部的擴(kuò)散系數(shù)決定。因此初步分析，曝氣量越大，好氧顆粒污泥表面的DO越大，DO傳遞過程越快，而好氧顆粒污泥的傳質(zhì)受內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響大，越靠近核心的地方，傳質(zhì)阻力越大，所以在傳遞DO的過程中，當(dāng)外部DO擴(kuò)散至阻力較大的區(qū)域時，擴(kuò)散會停止，或可能發(fā)生反向擴(kuò)散，進(jìn)而使水中DO回升。但曝氣量小，DO低時，擴(kuò)散速度本身較慢，DO傳遞至阻力大的地方，由于內(nèi)外部DO濃度差小，反向擴(kuò)散的可能性也小，導(dǎo)致水中DO不會發(fā)生突躍，且DO較為穩(wěn)定。因此，低DO有利于好氧顆粒污泥內(nèi)層形成厭(缺)氧條件，增強(qiáng)反硝化作用，利于PHB產(chǎn)量的增加，減少剩余污泥的產(chǎn)量。同時，從圖 5還可以看出，曝氣量在0.3m3/h以下時，繼續(xù)降低曝氣，DO的變化不顯著。具體參見http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
圖 5 不同曝氣量下DO的變化
3 結(jié)論
(1)低曝氣量下，好氧顆粒污泥能穩(wěn)定地處理校園污水，達(dá)到碳、氮、磷高效同步去除，COD、氨氮、磷的去除率最高分別達(dá)到93.8%、87.7%、87.8%，同時去除效果能保證一定的穩(wěn)定性。
(2)采用好氧顆粒污泥在低曝氣量下對廢水進(jìn)行處理，COD的去除不受曝氣量大小的影響;脫氮過程中，當(dāng)曝氣量為0.2m3/h時，脫氮效果最好，硝化和反硝化都能順利進(jìn)行，能夠平衡脫氮過程中好氧和厭氧微生物對氧的需求。低曝氣量有利于磷的去除，主要是內(nèi)部的厭氧環(huán)境利于聚磷菌釋磷，曝氣量為0.1、0.2m3/h下的除磷效果優(yōu)于曝氣量為0.3m3/h下的除磷效果。曝氣量降低，DO會有小幅度下降，但下降過程并不顯著，且當(dāng)曝氣量<0.3m3/h時，水中DO濃度基本不隨曝氣量降低而降低。
