吳 濤，孫 菁

（安徽建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院，安徽 合肥 230022）

1 引言

好氧顆粒污泥是特定環(huán)境中由微生物自發(fā)聚集和增殖而構(gòu)成的生物顆粒。相比較一般活性污泥來說，其具備承受沖擊能力強，不易發(fā)生污泥膨脹，可承受高有機負荷，集好氧、兼氧和厭氧微生物于一體等特點。好氧顆粒污泥一般具有十分清晰的形態(tài)，大部分近似圓形或橢圓形[1]，具有結(jié)構(gòu)緊湊、密度高、沉降速度快等特點[2]，大大提高了反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度，減少了反應(yīng)器內(nèi)剩余污泥的排放[3-6]。在好氧顆粒污泥系統(tǒng)中，大量的曝氣是好氧顆粒污泥的培育條件之一，曝氣量的高低主要影響污水中DO（溶氧量）濃度和曝氣導(dǎo)致的水力剪切力兩個方面。大部分研究結(jié)果表明高溶氧情況下形成的顆粒粒徑較大，且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[7]，好氧顆粒污泥技術(shù)應(yīng)用運行能耗較高，影響了工業(yè)化放大技術(shù)的應(yīng)用[8]。所以，研究如何降低好氧顆粒污泥穩(wěn)定運行的能耗，對好氧顆粒污泥技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展具有一定意義。

本文研究降低曝氣量對好氧顆粒污泥形狀、脫氮除磷效果、有機質(zhì)降解效果的影響規(guī)律，為低曝氣條件下好氧顆粒系統(tǒng)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)提供根據(jù)。

2 材料和方法

2.1 試驗裝置

本實驗采用總高120 cm，內(nèi)徑為7 cm，有效容積4 L 的有機玻璃柱狀SBR 反應(yīng)器（見圖1）。曝氣階段控制和調(diào)節(jié)使用玻璃轉(zhuǎn)子流量計，供氣使用微孔曝氣器和空氣壓縮機，整個SBR 系統(tǒng)的運行過程中，進水、曝氣、沉淀、出水各階段時間均由微電腦控制。

圖1 小型序批式反應(yīng)器工藝流程

2.2 分析方法

在整個試驗期間，需要對反應(yīng)器出水污染物的去除效果進行定時取樣檢測，常規(guī)分析項目的測定方法均采用國家標準方法，如表1 所示。

表1 常規(guī)分析項目與測定方法

2.3 試驗方案

成熟的好氧污泥顆粒接種后完成污泥顆?；瘍H需15 d[9]。本試驗在兩個相同的SBR 反應(yīng)器（N1、N2）內(nèi)接種前期自己培養(yǎng)成熟的好氧污泥顆粒，從第16 d 降低N2 的曝氣量，保持好氧顆粒污泥在反應(yīng)器底部均勻分布的上限，底部無顆粒污泥沉積。N1 的曝氣量不做調(diào)整，其曝氣量大小如表2 所示。反應(yīng)器的運轉(zhuǎn)形式為：每周期為4.8 h，其中進水2 min，曝氣280 min，沉淀2 min，排水2 min，閑置2 min。

表2 反應(yīng)器內(nèi)曝氣量大小

2.4 接種顆粒污泥及污水

接種的成熟好氧顆粒為實驗室自行培養(yǎng)，混合液懸浮固體（MLSS）的質(zhì)量濃度約為5 590 mg?L-1，污泥體積指數(shù)（SVI）的值為39 mL?g-1，合肥市內(nèi)某大學(xué)生活污水作為實驗用水，水質(zhì)見表3。

表3 合肥市某大學(xué)生活污水水質(zhì)

3 結(jié)果與討論

3.1 曝氣量對顆粒污泥特性的影響

3.1.1 形態(tài)與粒徑分布

圖2 第20 d 時不同曝氣量下兩反應(yīng)器內(nèi)好氧顆粒污泥粒徑分布

N1 和N2 反應(yīng)器在前15 d 顆?；^程相同，從第16 d 開始出現(xiàn)差別，第20 d 發(fā)現(xiàn)兩組之間在形狀上有顯著差別，N2 反應(yīng)器的顆粒尺寸在低曝氣條件下大于N1 反應(yīng)器，N1 中的好氧顆粒污泥構(gòu)造更加規(guī)則，如圖2 所示。由此可知，反應(yīng)器中顆粒污泥的平均粒徑隨著曝氣量的減小而增大。

3.1.2 好氧顆粒污泥的污泥濃度和沉降性能

如圖3 所示，N2 中的污泥濃度MLSS、MLVSS相對于 N1 均變小了，運行 15 d 后，F(xiàn) 比值（MLVSS/MLSS）均保持較高程度，N2 中的F 比值略高于N1。高曝氣量時，好氧顆粒污泥的整體活性因為其內(nèi)部微生物營養(yǎng)基質(zhì)的缺乏而降低，然而，低曝氣速率導(dǎo)致MLSS 緩慢增加，最終穩(wěn)定下來，低曝氣量對穩(wěn)態(tài)顆粒污泥系統(tǒng)的活性更有利。

圖3 不同曝氣量條件下兩反應(yīng)器內(nèi) MLSS、MLVSS 及 f值變化情況

SVI 值作為衡量污泥沉降性能的指標之一也具有一定的差異，結(jié)果見圖4。

圖4 不同曝氣量條件下兩反應(yīng)器內(nèi) SVI 值變化情況

由圖4 可見，N1 中的SVI 值保持在32 mL?g-1，然而N2 中的SVI 值隨著曝氣量的減小而增大，略高于N1 顆粒污泥，SVI 值接近于35 mL?g-1。盡管從SVI 值來看，減小N2 反應(yīng)器的曝氣量導(dǎo)致其顆粒污泥的沉降性能變差，然而其差距并不足以抵消好氧顆粒污泥工藝的優(yōu)勢，與傳統(tǒng)的活性污泥工藝相比，N2 低曝氣系統(tǒng)還可以減小二沉池的體積[10]。

圖5 不同曝氣量下兩反應(yīng)器內(nèi) EPS 及其組分 PN、PS變化情況

研究表明，EPS（好氧顆粒污泥的胞外聚合物）對好氧顆粒污泥的構(gòu)成具有顯著的作用[11]，圖5為不同曝氣量下兩反應(yīng)器內(nèi)EPS 及其組分PN、PS變化情況。

由圖5 可見，減小曝氣量使得顆粒污泥中PN和PS 含量降低，更大的曝氣量會分泌更多的EPS促進細胞間的吸附和聚集，形成穩(wěn)定的固體微生物群落，提高顆粒結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。然而好氧顆粒污泥具有粘性的特點，可能增大堵塞顆粒結(jié)構(gòu)的孔隙通道的概率，阻礙溶解氧和營養(yǎng)鹽的生成，導(dǎo)致顆粒內(nèi)部厭氧無機化[12,13]。因而，按照EPS分析，減小曝氣量并不會影響顆粒污泥系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.2 曝氣量對反應(yīng)器除污效能的影響

3.2.1 對降解COD 效能影響

圖6 為不同曝氣量條件下兩反應(yīng)器內(nèi)COD 去除情況。反應(yīng)器N1、N2 顆?；?5 d 后，使N2的曝氣量發(fā)生變化，由圖6 可以看出，COD 去除率在前15 d 基本保持不變，二者顆?；潭扔l(fā)完整，其去除率的變化幾乎一致，N2 稍高于N1，COD 出水濃度始終保持較低水平。可以看出，其他操作條件一致，增加曝氣量對去除COD 的效果影響不顯著。

圖6 不同曝氣量條件下兩反應(yīng)器內(nèi)COD 去除情況

3.2.2 對脫氮除磷效能影響

圖7 為不同曝氣量下兩反應(yīng)器內(nèi)NH4+-N 去除情況。

圖7 不同曝氣量下兩反應(yīng)器內(nèi) NH4+-N 去除情況

從圖7 可以看出，N1、N2 運行15 d 后氨氮去除率分別達到92%和89%。曝氣量與氨氮的去除率成正比。影響好氧顆粒污泥硝化的主要因素之一是DO，高曝氣加快了水中氧的擴散速率，顆粒內(nèi)被微生物的利用的氧氣有所減少，導(dǎo)致DO 濃度高，有利于硝化細菌的富集、硝化作用的增強，提高了底物中NH4+-N 轉(zhuǎn)化率，更有利于氨氮的去除。但N1、N2 出水氨氮濃度均在3 mg?L-1之下，去除率也沒有大的差別。因此，氨氮的長期穩(wěn)定降解并不受減少曝氣量的影響。

反硝化除磷脫氮菌（DPB）的生理過程也受到DO 的影響。曝氣量會影響DO 濃度從而影響DPB生存，進而對脫氮除磷效能產(chǎn)生影響，但這種影響并不是決定性的。只有硝酸鹽時，系統(tǒng)反硝化吸收磷；只有溶解氧存在時，系統(tǒng)需氧吸收磷；既沒有氧也沒有硝酸鹽時，系統(tǒng)中磷的濃度基本保持不變。

圖8 是兩個反應(yīng)器對TN 和TP 的去除率。

由圖8 可得，N1 和N2 的TN 去除率并不理想。在除磷過程中，高曝氣量使得DPB 的反硝化除磷進程受到抑制，降低曝氣量對除磷效果略有改善。對成熟好氧顆粒系統(tǒng)運行時，減少曝氣量不會顯著降低去污效率。

圖8 不同曝氣量條件下兩反應(yīng)器內(nèi) TN、TP 去除情況

4 結(jié)論

好氧顆粒污泥在高曝氣條件下具備較好的物理性能、較好的沉降性能、較高的污泥濃度以及較多的EPS 的分泌，保持穩(wěn)定的顆粒結(jié)構(gòu)，顆粒尺寸相對低曝氣條件下來說更小。在去污性能方面高曝氣量的N1 對TP 的去除不利。COD 和氨氮去除與曝氣量大小無關(guān)，且濃度已經(jīng)達到GB18918-2002“城市污水處理廠排放標準”二級標準。好氧顆粒污泥系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時，曝氣量適當(dāng)?shù)臏p小不會危害到系統(tǒng)的生物降解能力和穩(wěn)定性，但減少了不必要的能耗，降低了運行成本。