蔣穎 鄭應(yīng)亨 黃健盛 陳婷婷

(1. 重慶科技學(xué)院建筑工程學(xué)院， 重慶 401331；2. 重慶科技學(xué)院機械工程學(xué)院， 重慶 401331；3. 重慶市環(huán)境科學(xué)研究院， 重慶 401147)

升流式厭氧污泥床(UASB)反應(yīng)器是一種高效厭氧處理系統(tǒng)，在目前的厭氧處理中應(yīng)用廣泛[1]。UASB反應(yīng)器厭氧處理過程具有厭氧過濾法及厭氧活性污泥法的雙重特點，適用于各種廢水的有機負(fù)荷的去除處理。如果要去除廢水中的N、P等物質(zhì)，還需要在后續(xù)工藝中進(jìn)一步處理[2]。

微氧處理技術(shù)是近些年發(fā)展起來的一種新興技術(shù)。通常認(rèn)為，當(dāng)反應(yīng)器環(huán)境內(nèi)溶解氧的質(zhì)量濃度為0.3～1.0 mg/L時，即形成微氧環(huán)境。在這種微氧環(huán)境中，可通過培養(yǎng)微氧顆粒污泥的方式降解有機物[3-4]。傳統(tǒng)的廢水處理工藝研究中，厭氧生物處理與好氧生物處理的方式各自獨立，相互補充。隨著研究的不斷深入，厭氧微環(huán)境的存在被證實，說明好氧菌和厭氧菌能夠在同一個系統(tǒng)中共存[6-7]。

本次研究是在UASB反應(yīng)器中馴化培養(yǎng)污泥，形成微氧-厭氧微生物環(huán)境，進(jìn)行去磷除氮試驗。

1 UASB反應(yīng)器去磷除氮試驗

1.1 試驗裝置

反應(yīng)器由有機玻璃制成，其有效反應(yīng)容積為4.1 L，反應(yīng)器的內(nèi)徑為8 cm，反應(yīng)區(qū)的有效高度為0.81 m。為調(diào)節(jié)試驗過程中反應(yīng)器內(nèi)的溫度，在反應(yīng)器外包裹一層保溫電線。在反應(yīng)器中部設(shè)置有6個攪拌葉片，攪拌機轉(zhuǎn)速為30 r/min，使污染在反應(yīng)器中能形成懸浮狀態(tài)。試驗中UASB反應(yīng)器通過程序控制，自動運行。UASB反應(yīng)器試驗流程如圖1所示。

圖1 UASB反應(yīng)器試驗流程

模擬廢水從水箱通過水泵進(jìn)入反應(yīng)器，在反應(yīng)器中部經(jīng)由攪拌葉片攪拌，再經(jīng)過曝氣、沉淀以調(diào)節(jié)微氧環(huán)境，最后通過出水口進(jìn)行排水、排泥及采樣。反應(yīng)器持續(xù)進(jìn)水，且同時持續(xù)出水。反應(yīng)器溫度保持36～38 ℃。pH保持6.5～8.3，微氧環(huán)境中溶解氧(DO)小于等于0.48 mg/L。

1.2 接種污泥及人工配水

接種污泥采自重慶大九污水處理廠，由3/4的絮狀污泥以及1/4的顆粒污泥組成。經(jīng)測定，接種污泥的質(zhì)量濃度(MLSS)為80 000 mg/L。在試驗過程中，采用人工配水，配水成分見表1。

表1 配水成分

1.3 分析方法

本次試驗中各測量指標(biāo)及其主要分析方法如表2所示。

表2 本試驗測量指標(biāo)及其主要方法

2 試驗結(jié)果分析

馴化培養(yǎng)成功后，系統(tǒng)內(nèi)即形成穩(wěn)定的微氧-厭氧微生物環(huán)境。經(jīng)測定，污泥質(zhì)量濃度(MLSS)為159 33.3 mg/L，進(jìn)水流速為15.66 L/d，水力停留時間為12 h。系統(tǒng)穩(wěn)定以后，連續(xù)運行3個月。在此期間，每天取樣保存，進(jìn)行測定。

2.1 脫氮能力

反應(yīng)器中氨氮(NH3— N)的去除效果如圖2所示。其中，進(jìn)水氨氮的質(zhì)量濃度為52.57～65.43 mg/L。模擬廢水經(jīng)過反應(yīng)器處理，出水平均質(zhì)量濃度為5.02 mg/L，去除率為86.06%～96.78%，平均去除率為91.65%。

模擬廢水中N負(fù)荷來自于NH4Cl，故氨氮質(zhì)量濃度與總氮(TN)相近。進(jìn)水總氮質(zhì)量濃度為58.01～66.42 mg/L，出水總氮平均質(zhì)量濃度為8.45 mg/L，均略高于NH3-N濃度。相對于氨氮，總氮去除效率較低，為77.88%～93.09%，平均去除率為86.32%。反應(yīng)器中總氮的去除效果如圖3所示。

圖2 反應(yīng)器中氨氮的去除效果

圖3 反應(yīng)器中總氮的去除效果

2.2 脫磷能力

圖4所示為微氧-厭氧UASB反應(yīng)器中總磷(GP)的去除效果。其中，進(jìn)水總磷質(zhì)量濃度為9.54～12.88 mg/L，出水總磷平均質(zhì)量濃度為2.61 mg/L。微氧-厭氧體系在脫氮情況下對總磷的去除率為74.12%～82.27%，平均去除率為78.00%。

圖4 反應(yīng)器中對總磷的去除效果

在傳統(tǒng)UASB反應(yīng)器中，可去除廢水中有機負(fù)荷，但幾乎不具備去磷除氮的功能。在UASB反應(yīng)器中培養(yǎng)構(gòu)建微氧-厭氧體系，就可以在脫氮的情況下同時達(dá)到除磷的目的。磷的釋放及反硝化的過程中，都需要以有機物作為能源來消耗。系統(tǒng)在去磷除氮的同時，也可以去除化學(xué)需氧量(COD)。

2.3 COD去除能力

圖5所示為反應(yīng)器中COD的去除效果。其中，進(jìn)水COD為5 895～6 120 mg/L。微氧-厭氧UASB反應(yīng)器在氮、磷負(fù)荷處理效果較好的情況下，COD去除率為76.94%～85.48%，出水平均COD為1 113.89 mg/L，平均去除率為81.38%。

圖5 反應(yīng)器中COD的去除效果

3 反應(yīng)特性分析

3.1 微氧顆粒特性研究

在顆粒污泥研究中，污泥粒徑這項關(guān)鍵性指標(biāo)，能直觀反映污泥培養(yǎng)的效果。馴化微氧顆粒，對培養(yǎng)完成的顆粒污泥進(jìn)行觀察，觀察結(jié)果如圖6所示。污泥粒徑在厭氧培養(yǎng)階段逐漸增大，穩(wěn)定之后以1～2 mm粒徑為主；經(jīng)過間歇微氧期，顆粒在受到微量溶解氧的沖擊作用下部分解體，并且原本相對穩(wěn)定的污泥粒徑也在此作用下逐漸減小。隨后，微生物逐漸適應(yīng)微氧環(huán)境，顆粒污泥又逐步增大，恢復(fù)到以1～2 mm粒徑為主，但其占比相對厭氧階段減少。

由于溶解氧的沖擊，微生物顆粒在馴化培養(yǎng)過程中部分解體，污泥含量相比培養(yǎng)初期相對減小，MLSS由厭氧期的80 000 mg/L降至15 933.3 mg/L，其顏色也由厭氧時的黑色變?yōu)榱嘶液谏?/p>

3.2 系統(tǒng)反應(yīng)特性分析

污水生物處理過程中的脫氮分氨化、硝化和反硝化等3個步驟完成[8]。污水生物脫氮的基本原理如下：首先含氮有機物被異養(yǎng)型微生物轉(zhuǎn)化為氨氮；然后，在好氧(Oxic)條件下，通過好氧的自養(yǎng)型硝化和亞硝化菌的作用，將污水中的氨氮氧化為亞硝酸鹽氮或硝酸鹽氮；最后，在缺氧條件下，利用反硝化細(xì)菌(脫氮菌)將亞硝酸鹽和硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氮氣從廢水中逸出，從而達(dá)到從污水中脫氮的目的。污水中磷的存在形式取決于污水的類型，最常見的是磷酸鹽、聚磷酸鹽和有機磷[9-11]。污水生物除磷是通過厭氧段和好氧段的交替操作來完成，利用活性污泥的超量吸磷特性，通過排放富磷污泥，達(dá)到從污水中除去總磷的效果[12]?；谏锩摰?、脫磷的基本原理，在UASB反應(yīng)器內(nèi)的微氧環(huán)境中，主要同時進(jìn)行硝化、反硝化反應(yīng)(SDN)，以及短程同步硝化、反硝化反應(yīng)，從而在去除COD的同時，達(dá)到去磷除氮的目的。

圖6 微氧顆粒馴化完成后觀察圖

4 結(jié) 語

本次試驗，在UASB反應(yīng)器中馴化培養(yǎng)污泥顆粒，形成微氧-厭氧微生物環(huán)境系統(tǒng)，氨氮、總氮、總磷和COD的平均去除率分別達(dá)到91.65%、86.32%、78.00%和81.38%。在微氧環(huán)境中，微氧沖擊導(dǎo)致顆粒部分解體，粒徑略微變小。在后期系統(tǒng)穩(wěn)定情況下，對反應(yīng)器處理并未產(chǎn)生不良影響。與傳統(tǒng)UASB反應(yīng)器相比，本次試驗中對COD的處理效果相對減弱。但是，由于微氧環(huán)境引起的同時硝化、反硝化反應(yīng)(SDN)以及短程同步硝化、反硝化反應(yīng)，使得同步去磷除氮得以實現(xiàn)。 微氧-厭氧UASB反應(yīng)器中對于廢水中的COD負(fù)荷及氮、磷負(fù)荷均有較好的去除效果。與其他水處理工藝相比，其成本低，耐沖擊，易于操作，且處理效果好，具有市場發(fā)展?jié)摿?。控制好微生物環(huán)境中的溶解氧及反應(yīng)器中的各項運行參數(shù),是將其成功投放到工程實際應(yīng)用需解決的關(guān)鍵技術(shù)。