污泥微膨胀的特性及Ns和DO对其影响

彭赵旭，王淑莹，彭永臻，，孙治荣，刘旭亮

(1.哈尔滨工业大学市政环境工程学院，哈尔滨150090，pengzhaoxu1983@163.com; 2.北京工业大学环境与能源学院，北京100022)

据统计，目前我国90%以上的城市污水处理厂都采用活性污泥法，而污泥膨胀是活性污泥法问世以来一直困扰人们的难题，所以如何控制和预防污泥膨胀就成了国内外研究的热点和难点问题［1-2］.很多污水处理厂的运行经验表明，由降低DO含量诱导丝状菌过度生长而导致污泥膨胀，若未引起污泥流失，则不仅不会影响溶解性污染物的去除效率，而且还能提高对悬浮物的去除能力;同时，通过节约曝气量达到节能的目的.该方法称为低溶解氧丝状菌活性污泥微膨胀［3］，与当前流行的颗粒污泥法背道而驰［4］.颗粒污泥法有耗能大、无活性生物含量高和出水混浊三大缺陷［5］，而低溶解氧微膨胀污泥法则很好地克服了上述缺点，对解决目前污水处理能耗大、运行费用高具有重要的意义.本文研究了该方法的可行性以及微膨胀状态下各主要污染物的去除特性.

1 试验

1.1 试验用水来源和水质

试验采用模拟生活污水，以葡萄糖作为碳源;投加NaHCO3补充进水碱度，以满足硝化反应对碱度的要求;投加NH4Cl配制进水NH4+-N质量浓度;投加KH2PO4配制进水磷酸盐质量浓度;投加MgSO4和CaCl2满足活性污泥微生物生长对Mg2+和Ca2+等离子的要求，模拟废水水质和配制方法分别见表1和表2.

表1 模拟废水的水质

表2 模拟废水的配制方法

1.2 试验装置和方法

SBR反应器由有机玻璃制成，上部为圆柱形，下部为圆锥体，高为700 mm，直径为200 mm，有效容积为12 L.在反应器壁的垂直方向设置一排间隔为10 cm的取样口，用于取样和排水.底部设有放空管，用于放空和排泥.以曝气砂头作为微孔曝气器，由转子流量计调节曝气量.pH、DO、ORP检测探头置于反应器内，在线监测各个指标变化(见图1).试验期间温度控制在(23±0.5)℃.运行方式为分成瞬时进水、好氧曝气、缺氧搅拌(投加甲醇作为反硝化碳源)、静止沉淀和闲置待机等阶段进行;每周期结束后排放泥水混合液控制MLSS含量位于2 200～2 500 mg·L-1.用处于低氧微膨胀状态的活性污泥进行试验，其污泥容积指数SVI在200 mL·g-1左右［6］.由于好氧阶段DO含量始终处于低水平(＜1 mg·L-1)，硝化反应结束后突越点十分明显，可作为好氧反应结束的标志［7-8］.缺氧过程可以利用ORP曲线上的硝酸盐膝来控制［9］.经计算，反硝化1 g的-N需要1.905 g的CH3OH，为使反硝化能够顺利进行，采用2.5 g来计算CH3OH投量.好氧段结束后-N质量浓度为10 mg·L-1左右，因此缺氧段的CH3OH投量约为0.3 mL.

1.3 试验原理

微生物的生长动力学参数比增值速率常数μ可根据Monod方程来确定:

式中:μmax为最大比增值速率常数，d-1;S为限制底物质量浓度，mg·L-1;Ks为饱和常数，为μ=μmax/2时的底物质量浓度，mg·L-1.

根据Chudoba提出的选择性理论，活性污泥中存在比生长速率不同的两类微生物，即絮状菌和丝状菌.通常丝状菌属的增值动力学常数μmax1和Ks1均比絮状菌属的μmax2和Ks2小，所以在低基质质量浓度下丝状菌具有竞争优势.

当曝气池内DO含量不足时，DO就成为微生物生长的限制性基质.在对低DO含量的竞争过程中，低KDO(0.027 mg·L-1)的丝状菌比高KDO(0.100 mg·L-1)的絮状菌生长更快［10］.结合扩散选择理论，在低DO含量条件下丝状菌将充分利用其比表面积大的生态特征快速繁殖.综上所述，低DO含量和低负荷都容易引发丝状菌污泥膨胀.根据活性污泥的有机负荷率定义:

式中:Ns为有机负荷率，d-1;V1为反应器一次进水量，L;V2为进水前反应器内原有泥水混合液体积，L;So为进水有机物质量浓度(以COD计)，mg·L-1;t为每个运行周期反应时间，h;X为运行阶段反应器中活性污泥平均质量浓度(以MLSS质量浓度计)，mg·L-1.

改变Ns可通过改变进水COD质量浓度So、每周期反应时间t、活性污泥含量MLSS和每周期进水量V1四种方法实现.本试验通过调节气体流量大小来控制溶解氧的高低，通过调节每周期进水量和曝气时间来改变Ns.

1.4 检测分析项目

2 结果与分析

在曝气量一定的前提下，低Ns易产生高DO含量，高Ns易产生低DO含量;改变曝气量则影响好氧反应时间，导致Ns产生变化.由于Ns与DO含量关系密切，在考察两者对污泥沉降性的影响时应综合分析.

2.1 SVI与DO含量的关系

控制好氧阶段的 DO质量浓度在0.10～0.85 mg·L-1，初期Ns控制在0.10 d-1左右.整个微膨胀期间的SVI和平均DO含量变化曲线如图2所示.初始阶段SVI在200 mL·g-1上下波动.从图2看出DO含量对SVI的影响比较明显，第32周期，将 DO质量浓度由0.20 mg·L-1骤增到0.70 mg·L-1，SVI随之很快由200 mL·g-1降到150 mL·g-1.第33～36周期将DO质量浓度控制在0.15 mg·L-1，SVI很快反弹到180 mL·g-1.第58周期将Ns增到0.22 d-1，DO质量浓度仍控制在0.25 mg·L-1左右，其间SVI稳定在200 mL·g-1左右.第72周期将Ns增到0.27 d-1.由于Ns的增大，尽管DO质量浓度仍在0.3 mg·L-1的低水平上，但是丝状菌在和絮状菌的竞争中失去优势，SVI在20周期内从200 mL·g-1降到160 mL·g-1.第 90周期将DO质量浓度控制在0.15～0.20 mg·L-1的极低范围，SVI终于出现反弹迹象，第100周期回升到188 mL·g-1，但随后又开始下降.由于DO已降到极限值，因此在该Ns条件下，单独靠低DO已不能有效地控制污泥沉降性.第116周期将Ns增到0.32 d-1，此阶段DO质量浓度控制在0.25 mg·L-1左右，与前面情况相似，由于Ns过大，低DO含量已不能维持污泥沉降性，142周期SVI已降到122 mL·g-1.第144周期将Ns下调到0.19 d-1，DO质量浓度提高到0.4 mg·L-1左右.尽管DO质量浓度比前段时间有所升高，但是低Ns使丝状菌在和絮状菌的竞争中又强势起来，SVI呈现升高趋势，170周期升到157 mL·g-1，继续保持在污泥微膨胀状态.

图2 微膨胀状态下SVI与DO含量变化图

2.2 SVI与Ns的关系

Ns与污泥膨胀间的关系比较复杂［11］，Pipes调查了32个活性污泥处理厂，发现Ns在0.25～0.45 d-1范围内污泥沉降性能好.Chao和Keinath［12］在研究中发现Ns在0.6～1.3 d-1和大于1.8 d-1时易发生污泥膨胀.德国一研究组经过多年的调查研究指出，当完全混合式曝气池中比较频繁地出现污泥膨胀时，其Ns小于0.05 d-1.图3显示了微膨胀期间Ns和SVI之间的关系.

可以看出Ns与SVI之间呈现出较好负相关性.实验前40周期，Ns维持在0.05～0.10 d-1，其间SVI在200 mL·g-1上下浮动，其中SVI从第32周期开始大幅降到150 mL·g-1，又逐渐反弹至200 mL·g-1.从前面分析可知，该波动是由DO含量引起的.从第46周期，当 Ns在0.10～0.15 d-1，DO质量浓度在0.30～0.70 mg·L-1范围内大幅波动时，SVI稳定在200 mL·g-1左右.第74周期起，当Ns在0.20～0.25 d-1，DO质量浓度在0.20～0.70 mg·L-1时，DO含量和Ns的波动都会对沉降性产生较大影响，SVI可短期在150～200 mL·g-1内大幅波动.从第120周期，当Ns大于0.25 d-1时，由于底物质量浓度较高，絮状菌在和丝状菌的竞争中逐步取得优势，单独靠降低DO质量浓度已无法改变SVI下降趋势.为了维持微膨胀状态，第140周期开始，通过控制每周期结束后的排水体积，将Ns下调到0.15～0.20 d-1时，SVI维持在150 mL·g-1上下，此时DO质量浓度在0.20～0.40 mg·L-1内波动不会影响污泥的沉降性，污泥稳定维持在微膨胀状态.DO质量浓度和Ns对SVI影响具体情况如表3所示.

图3 微膨胀状态下SVI与有机负荷变化图

表3 有机负荷率和DO含量对SVI的影响

2.3 污泥微膨胀状态下的脱氮特性

虽然SBR反应器长期处于低DO含量状态，但是系统仍保持了理想的硝化效果，平均氨氮去除率达94.5%，如图4所示.试验期间观察到发生了明显的同步硝化反硝化(SND)现象［13］，在整个污泥微膨胀期间，平均 DO质量浓度为0.32 mg·L-1，与此同时平均 SND率达到了49.59%，在一个反应周期内，氮元素主要通过好氧阶段的SND、缺氧阶段的反硝化、剩余污泥的排放等途径得到去除.由图5可知，在一个周期内通过SND作用可去除掉20%的氮.

SND率k的计算方法如下:

图4 污泥微膨胀期间的氨氮去除效果

图5 微膨胀状态下氮元素的物料平衡(质量组成)

2.4 污泥微膨胀状态下的COD去除特性

进水COD平均为301.81 mg·L-1，出水为64.26 mg·L-1，去除率一直维持在70% ～80%，如图6所示.本文认为，导致该现象发生的主要原因有两点:1)低DO含量低Ns条件下，活性污泥生长速率缓慢，不少细菌处于内源呼吸期，其分解代谢作用产生了一些非可生物降解COD;2)缺氧段投加的甲醇没有被完全利用掉.以上两种情况都会导致出水COD的升高.

2.5 污泥微膨胀状态下的除磷特性

系统在污泥微膨胀期间，正磷平均去除率达到86.08%，如图7所示.有趣的是SBR并没有设置厌氧段，但是正磷仍然得到理想地去除，分析主要有两部分原因.1)活性污泥出于自身的生长需要会同化掉一部分磷.按进水比为1∶2计算(12 L反应器进4 L水)，原水的301.00 mg·L-1COD和上周期反应后残余的64.26 mg·L-1COD经过瞬时混合之后为143.17 mg·L-1COD，减去出水的64.26 mg·L-1COD，实际去除的 COD为78.91 mg·L-1，按微生物组分的C/P比为100∶1计算，会同化掉0.79 mg·L-1的正磷，占去除总磷的67.5%;2)好氧初期存在释磷现象，系统中富集了一定数量的聚磷菌.

图7 微膨胀状态下的正磷去除效果

从反应过程的ORP变化曲线上可以看到，曝气初期ORP曲线呈现明显下降趋势，这表明在此阶段，活性污泥中的聚磷菌吸收新鲜污水中的小分子有机酸，在曝气情况下出现释磷现象［14］.分析其原因可能是在DO含量很低的情况下，氧扩散受到限制，活性污泥絮体内存在着DO质量浓度梯度，导致絮体内部出现厌氧区，发生释磷现象.随着曝气时间的延长，DO逐扩散进入絮体内部，聚磷菌开始过量吸磷.

2.6 生物相的观察

在微膨胀期间，SVI大多为 150～200 mL·g-1.沉淀阶段的污泥紧密厚实，不像沉降性能很好时的污泥那样致密细小，也不像严重膨胀时的污泥那样疏松多孔.活性污泥中丝状菌所占比例适中，能够在沉降时有效地网捕卷扫水中的微小悬浮物，使沉后水非常清澈.

3 结论

1)低溶解氧污泥微膨胀是一种节能、降低出水SS的新技术，是处理污泥膨胀的新理念.

2)当Ns在0.05～0.10 d-1时，DO含量对污泥沉降性影响显著;当Ns在0.10～0.20 d-1，DO质量浓度在0.30～0.70 mg·L-1时，SVI可在150～200 mL·g-1内任意小范围内保持稳定;当Ns在0.20～0.25 d-1，DO质量浓度在0.20～0.70 mg·L-1时，SVI在150～200 mL·g-1内波动明显;当Ns大于0.25 d-1时，单独靠降低DO含量已经不能维持污泥微膨胀状态.

3)低氧微膨胀并不会影响系统的硝化效果，且存在明显的SND现象，由氮的物料平衡可知，每周期可通过SND作用去除掉20%的氮.

4)低氧微膨胀状态下曝气前期出现释磷现象，系统内能够聚集少量聚磷菌.

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