于陽陽， 于少亭， 張淑君， 馮 騫， 王 蕭， 閆玉濤， 鐘天意

（1.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院， 江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院， 江蘇 南京 210098）

0 引言

活性污泥工藝是城市生活、工業(yè)污水處理中應(yīng)用最為廣泛的處理技術(shù)。活性污泥是由細(xì)菌、微型動(dòng)物為主的微生物與懸浮、膠體物質(zhì)組成的絮凝體顆粒[1]，在微生物群體新陳代謝作用下，將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定無機(jī)物，實(shí)現(xiàn)污染物的降解?；钚晕勰嘧鳛楣に囍械闹黧w因素，其濃度、活性及污染物降解特性的變化直接關(guān)系到出水水質(zhì)的好壞[2]。

反應(yīng)器內(nèi)水動(dòng)力條件是影響污泥活性、污染物去除效率等特性的重要因素，其與系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)傳遞及反應(yīng)器運(yùn)行性能緊密相關(guān)[3-4]。反應(yīng)器曝氣過程引起紊動(dòng)是造成水動(dòng)力條件—水流剪切作用差異的重要原因之一[5]。曝氣過程為活性污泥提供必要的溶解氧、促進(jìn)泥水混合，通過改變水動(dòng)力條件加強(qiáng)傳質(zhì)作用[6－7]，且曝氣所形成水力剪切作用對(duì)污泥理化、生物特性產(chǎn)生直接影響[8－10]，進(jìn)而影響系統(tǒng)處理能力。曝氣過程所需電量占整個(gè)污水廠能耗的大部分[11]。綜上所述，在不同曝氣強(qiáng)度的條件下，探究其對(duì)系統(tǒng)污染物去除能力的影響機(jī)制，對(duì)合理安排曝氣強(qiáng)度、提升處理效果、降低系統(tǒng)能耗具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義[5]。

目前，有關(guān)曝氣強(qiáng)度對(duì)活性污泥系統(tǒng)運(yùn)行及處理能力影響機(jī)制的研究主要集中在污泥理化特性、污泥結(jié)構(gòu)、胞外聚合物變化、微生物種群結(jié)構(gòu)等[3,6,12－13]方面，而通過考察不同曝氣條件下污泥活性及內(nèi)部氧傳質(zhì)行為，來解釋系統(tǒng)污染物去除能力差異的報(bào)道較少。因而本文采用在不同曝氣強(qiáng)度下運(yùn)行小型序批式反應(yīng)器（Sequencing batch reactor，SBR）的方式，探究其對(duì)污泥活性、氧滲透深度的作用，闡述曝氣強(qiáng)度的變化對(duì)系統(tǒng)污染物去除能力的影響。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置為6組相同柱狀SBR反應(yīng)器，見圖1。整個(gè)裝置由反應(yīng)器主體、進(jìn)水系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、曝氣系統(tǒng)及恒溫系統(tǒng)組成。反應(yīng)器主體直徑15 cm，高30 cm，裝置有效容積為4.0 L，排水比為50%。SBR反應(yīng)器運(yùn)行周期為6 h，包括進(jìn)水10 min，曝氣4 h，沉淀 1 h，排水 15 min，閑置 35 min。實(shí)驗(yàn)采用砂芯曝氣頭曝氣，空氣流量計(jì)(LZB－6WB，20～200 L/h)控制6組裝置的曝氣強(qiáng)度Q分別為40，80，100，120，140，160 L/h。 由水浴恒溫裝置提供25℃左右的回流水以保證反應(yīng)溫度恒定。實(shí)驗(yàn)中污泥質(zhì)量濃度基本保持在3 000 mg/L左右。

圖1 反應(yīng)器示意

1.2 接種污泥與進(jìn)水水質(zhì)

接種污泥取自城市生活污水處理廠，清水沖洗，曝氣6～8 h去除原有基質(zhì)，避免其對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。

進(jìn)水水質(zhì)參考生活污水指標(biāo)，分別以無水乙酸鈉(404 mg/L)、氯化銨(120 mg/L)、磷酸二氫鉀(24 mg/L)為碳、氮、磷源，并加入七水合硫酸鎂(10 mg/L)、二水合氯化鈣(15 mg/L)及微量元素混合液（0.5 mL/L）進(jìn)行配制。微量元素混合液組成：H3BO3(2 mg/L)，F(xiàn)e-Cl2·4H2O(2 mg/L)，EDTA(2 mg/L)，ZnCl2·4H2O(0.4 mg/L)，MnCl2·4H2O(0.8 mg/L)，CuCl2·2H2O(0.2 mg/L)，(NH4)6MO7·4H2O(1.1 mg/L)，NiCl2·6H2O(1.0 mg/L)。

1.3 分析項(xiàng)目與方法

1.3.1 水動(dòng)力條件表征

反應(yīng)器曝氣強(qiáng)度的不同，導(dǎo)致其水動(dòng)力條件（剪切作用）存在差異。不同強(qiáng)度剪切作用是導(dǎo)致污泥特性變化的重要原因。鑒于此，量化表征反應(yīng)器水動(dòng)力條件，以便分析剪切作用對(duì)污泥活性、氧滲透深度的影響。本文采用速度梯度（G）值表征各反應(yīng)器中水動(dòng)力條件的差異，其值按下式進(jìn)行計(jì)算[5,14]：

式中：WA為曝氣過程所輸入的能量，J/s；μ為流體動(dòng)力粘滯系數(shù)，N·s/m2；V為攪動(dòng)水體體積，m3；VA為單位體積污水曝氣量，m3/m3；Qw為污水量，m3/d；H為曝氣深度，m。

6組反應(yīng)器的G值見表1。

表1 反應(yīng)器水動(dòng)力條件

1.3.2 污泥活性指標(biāo)及常規(guī)指標(biāo)

本研究采用污泥比耗氧速率(SOUR)表征污泥活性[15]，即通過測(cè)定污泥呼吸速率間接表征污泥的微生物活性。

常規(guī)檢測(cè)指標(biāo)及方法[16]：COD濃度采用消解法測(cè)定；氨氮濃度采用納氏試劑分光光度法測(cè)定；pH值測(cè)定采用HACH－sension2型pH計(jì)；溶解氧測(cè)定采用HACH－HQ30d便攜式溶儀。

2 結(jié)果與討論

2.1 污染物去除效率

不同曝氣強(qiáng)度對(duì)各組反應(yīng)器COD去除率的影響見圖2。

圖2 不同曝氣強(qiáng)度對(duì)COD去除率的影響

不同曝氣強(qiáng)度對(duì)各組反應(yīng)器氨氮去除率的影響見圖3。

圖3 不同曝氣強(qiáng)度對(duì)氨氮去除率的影響

由圖2，圖3可見，不同曝氣強(qiáng)度下各組反應(yīng)器COD及氨氮去除效率的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)具有一定相似性：隨時(shí)間增加，各組反應(yīng)器對(duì)兩類污染物的去除率均逐步增高。運(yùn)行30 d后，各反應(yīng)器COD去除率均趨于穩(wěn)定。穩(wěn)定后，6組反應(yīng)器COD平均去除率分別為 87.49%，91.37%，95.60%，91.88%，90.96%和88.14%。而各組反應(yīng)器氨氮去除率在運(yùn)行40 d后至穩(wěn)定，平均去除率分別為達(dá)到90.83%，93.21%，95.86%，91.47%，89.50%和88.48%。而對(duì)比穩(wěn)定期各組反應(yīng)器的處理效率數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，隨曝氣量的增加，COD及氨氮的去除率均先升后降，在R3(Q=100 L/h)反應(yīng)器中COD與氨氮的去除率均達(dá)到最高。

2.2 影響機(jī)理分析

2.2.1 污泥SOUR活性

反應(yīng)器內(nèi)污泥的代謝活性對(duì)系統(tǒng)降解污染物能力具有重要影響。為進(jìn)一步解釋活性污泥在不同曝氣強(qiáng)度下污染物去除能力的差異，在穩(wěn)定期對(duì)各反應(yīng)器內(nèi)的污泥進(jìn)行SOUR測(cè)定，表征污泥代謝活性。不同曝氣強(qiáng)度對(duì)活性污泥SOUR的影響見圖4。隨著曝氣強(qiáng)度的逐步增大，穩(wěn)定狀態(tài)下的污泥SOUR活性呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律。Q為100 L/h時(shí)，污泥活性最強(qiáng)，SOUR值達(dá)到46.0 mg/(g·h)，曝氣強(qiáng)度為160 L/h條件下污泥活性最低，SOUR值低至25.1 mg/(g·h)。

以上表明，在一定范圍內(nèi)增加曝氣強(qiáng)度有助提高污泥活性[5]，而曝氣強(qiáng)度過大卻會(huì)對(duì)污泥活性產(chǎn)生抑制。這是因?yàn)槲⑸锾幱谝欢◤?qiáng)度剪切力作用下，會(huì)調(diào)節(jié)代謝途徑、提升代謝作用強(qiáng)度以維持自身結(jié)構(gòu)。一定范圍內(nèi)，曝氣強(qiáng)度越大對(duì)微生物代謝的促進(jìn)作用越大。而過強(qiáng)曝氣剪切條件下微生物種群發(fā)生了變化，普通菌膠團(tuán)菌減少，可能是微生物活性受到抑制的原因[17]。

圖4 不同曝氣強(qiáng)度對(duì)活性污泥SOUR的影響

2.2.2 氧滲透

由同步硝化反硝化及微環(huán)境理論[18-19]可知，污泥內(nèi)部存在氧傳遞行為，但受到傳質(zhì)阻力的影響導(dǎo)致污泥內(nèi)部存在溶解氧濃度梯度，因而在污泥內(nèi)部形成了好氧與缺氧區(qū)域，使得硝化反硝化反應(yīng)能同時(shí)在污泥內(nèi)部進(jìn)行。因此在實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定期，對(duì)各反應(yīng)器內(nèi)活性污泥氧滲透深度進(jìn)行測(cè)算，為了對(duì)比不同污泥粒徑條件下氧滲透深度與污染物去除能力的關(guān)系，以污泥內(nèi)部缺氧區(qū)域占比(η)作為表征指標(biāo)。所采取的計(jì)算方法為[20]：

式中：δ為污泥平均半徑，μm；δpf為氧滲透深度，μm；D為氧擴(kuò)散系數(shù)，取 1.97 × 10-9m2/s；Csi為污泥表面溶解氧質(zhì)量濃度，mg/L；qmax為各反應(yīng)器內(nèi)最大比耗氧速率；cxf為污泥質(zhì)量濃度，g/L。

由上述公式可知，活性污泥的氧滲透深度受曝氣剪切（影響污泥聚集體尺寸及污泥活性）、溶解氧濃度和污泥濃度等多因素共同影響。結(jié)果見圖5。

圖5 不同曝氣強(qiáng)度下污泥內(nèi)部缺氧區(qū)域占比

由圖5可見，曝氣作用增大，導(dǎo)致各反應(yīng)器內(nèi)缺氧區(qū)域占比先增后減，曝氣強(qiáng)度為100 L/h時(shí)，缺氧區(qū)域占比最大，約68.45%，這可能是由于流體剪切的適當(dāng)提高增加了污泥耗氧活性，同時(shí)刺激胞外聚合物分泌從而增大污泥內(nèi)部溶解氧傳遞阻力[20]所共同導(dǎo)致的。而繼續(xù)提高曝氣量，微生物活性受剪切作用抑制，耗氧量降低，且剪切作用影響污泥聚集體的結(jié)構(gòu)，減小粒徑，導(dǎo)致氧滲透的深度增大，缺氧占比減小。

從上述結(jié)果及分析可知，SBR反應(yīng)器中曝氣強(qiáng)度不同所導(dǎo)致的水動(dòng)力差異（主要是剪切作用）是污泥活性以及缺氧區(qū)域占比變化的重要因素。而剪切作用又將通過污泥活性的變化以及氧滲透的差異進(jìn)一步影響到污染物的降解去除。

2.2.3 機(jī)理分析

綜合反應(yīng)器內(nèi)活性污泥SOUR活性及氧滲透比例的變化，對(duì)不同曝氣強(qiáng)度下系統(tǒng)處理能力的差異加以分析。曝氣強(qiáng)度由40 L/h增加至100 L/h，G值隨之由57.8 s-1增至91.3 s-1，使流體剪切力增大，而適當(dāng)加強(qiáng)剪切作用提高污泥代謝活性，加速消耗有機(jī)質(zhì)，進(jìn)而提升了COD去除效率。繼續(xù)增加160 L/h（G=115.5 s-1），COD去除率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，這是因?yàn)椋阂环矫婕羟凶饔眠^強(qiáng)使污泥代謝活性降低，減緩了有機(jī)物的消耗；另一方面，強(qiáng)剪切作用剝蝕污泥且促使污泥分泌更多的溶解性微生物產(chǎn)物(SMP)，從而使得污水中有機(jī)質(zhì)含量升高。

根據(jù)同步硝化反硝化及微環(huán)境理論，結(jié)合各組活性污泥穩(wěn)定期的氧滲透變化結(jié)果，可以更好地解釋好氧實(shí)驗(yàn)條件下氨氮去除能力的變化。反應(yīng)器R1，R2及R3中，隨曝氣強(qiáng)度增加，氨氮去除效率提高的原因?yàn)椋禾嵘貧鈴?qiáng)度，G值增大導(dǎo)致剪切作用加強(qiáng)，促進(jìn)微生物活性；污泥外部溶解氧充足，硝化過程不受明顯影響，而污泥內(nèi)部缺氧區(qū)域隨曝氣強(qiáng)度增加而增大，更有利于反硝化過程進(jìn)行，進(jìn)而使其氨氮去除能力加強(qiáng)。而進(jìn)一步增大曝氣，反應(yīng)器內(nèi)過大的水力剪切可能對(duì)硝化菌活性產(chǎn)生抑制。同時(shí)，缺氧區(qū)域隨氧滲透深度減小而減小也限制了氨氮的去除。

3 結(jié)論

（1）6組反應(yīng)器內(nèi)活性污泥系統(tǒng)對(duì)COD及氨氮的去除效率均呈現(xiàn)先增大后逐漸穩(wěn)定的趨勢(shì)。隨著曝氣強(qiáng)度增大，穩(wěn)定期COD和氨氮去除效率呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律，R3（Q=100 L/h）反應(yīng)器COD及氨氮去除率最高，分別為95.6%和95.86%。

（2）在穩(wěn)定期，曝氣強(qiáng)度的增大，使污泥SOUR活性呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律。其中反應(yīng)器R3(G=91.3 s-1)中的污泥活性最強(qiáng)，SOUR值達(dá)到46.0 mg/(g·h)，而反應(yīng)器 R6(G=115.5 s-1)污泥活性最低，僅25.1 mg/(g·h)；各反應(yīng)器中污泥內(nèi)部的缺氧區(qū)域比例隨曝氣強(qiáng)度增大而呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，R3中缺氧比例最大，約為68.45%。據(jù)分析可知，曝氣引起的剪切作用是影響污泥活性及氧滲透的重要因素。

（3）從反應(yīng)器曝氣條件變化對(duì)污泥SOUR活性、氧滲透比例及污染物去除效果影響的結(jié)果來看，適當(dāng)增加反應(yīng)器曝氣強(qiáng)度有助于污泥活性的提升，增大污泥內(nèi)部缺氧區(qū)域占比，增強(qiáng)污泥系統(tǒng)的污染物去除能力。在本文的實(shí)驗(yàn)條件下，曝氣強(qiáng)度為100 L/h,速度梯度為91.3 s-1時(shí)提供了最優(yōu)的反應(yīng)條件。