温度对高负荷活性污泥法的影响及动力学分析

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

乙酸钠，食品级；硫酸铵、磷酸二氢钾、磷酸氢二钾、碳酸氢钠、硫酸亚铁、硫酸镁、氯化钙均为分析纯；进水为人工配制的模拟废水，化学组成见表1，化学需氧量(COD)、总氮(TN)分别为1 000 mg/L和50 mg/L，污泥来源于周口枣花淀粉厂内循环工艺的厌氧颗粒污泥与实验室培养的颗粒污泥。

表1 进水的化学组成Table 1 Chemical characteristics of the synthetic water

ACO-002型空气曝气泵；SYC-1015D型恒温循环水箱；SX-5-12型马弗炉；LZB-6型气体流量计；KG316T型可编程逻辑控制器；BT100-2J型蠕动泵；PLD-1205型隔膜排水泵；AUY220型分析天平；哈希DRB-200型COD消解仪；哈希DR1010型COD测定仪；U-1810型紫外可见分光光度计；ICS-900型离子色谱仪;WTW Multi 3410型手持式多参数测定仪。

1.2 实验方法

1.2.1 实验装置与传统的HRAS不同，本研究使用SBR反应器作为HRAS的反应装置，使得反应器的体积大幅度减小。见图1，反应器由有机玻璃制作，有效容积为1.3 L，内径50 mm，高700 mm；在器壁垂直方向上距离底部 50，350，650 mm处分别设置进水口、出水口和溢流口。反应器上端敞口、下端密闭，并在下端设置曝气口。

图1 实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of the experimental equipment

此外，反应器还搭配有恒温循环水箱、蠕动泵、出水水泵、曝气泵、转子流量计、高压氮气瓶和时控开关等装置。

1.2.2 反应器运行两种污泥经过清水清洗、去除掉杂质后混合接种到反应器中。研究中，准备了对照组(R1) 与实验组(R2) 两组反应器，R1的温度保持在25 ℃；R2的温度在反应器启动阶段设定为25 ℃，待反应器稳定后从30 ℃上升至35 ℃，最后上升至40 ℃。反应器的时间控制见表2，反应器的周期为360 min，10 min的进水结束后开始15 min的厌氧反应阶段(此过程中向反应器通入N2使污水混匀)，随后进行60 min的好氧反应阶段(此过程中曝气量不变)，待10 min的沉降结束后，于1 min内排出反应器内500 mL的上清液，最后反应器进入长达284 min的微曝气阶段(每30 min进行一次混匀)。反应器SRT设置为4 d。此设置实现了交替饱食和饥饿的动态环境，有利于微生物在接触阶段大量吸收易生物降解的有机物。

表2 HRAS运行时间安排Table 2 The time table of HRAS

1.3 检测方法

2 结果与讨论

2.1 不同温度下的COD、TN去除

反应器运行450 d，按温度不同，将实验组R2分为4个阶段：(1)温度25 ℃的启动阶段；(2)温度升至30 ℃的实验阶段；(3)温度升至35 ℃的实验阶段；(4)温度升至40 ℃的实验阶段。本研究着重研究了40 ℃条件下HRAS去除水中COD、TN的效率。

2.1.1 温度对HRAS去除COD和TN效果的影响 MLVSS的变化见图2。污泥在培养过程中由颗粒状变为絮状；反应器的结构使部分污泥在沉降时堆积在出水口上方，导致排水时会排出不定量污泥，使MLVSS不稳定。在实验后期，R1的MLVSS基本保持在1.25～3.37 g/L，R2的MLVSS基本保持在1.03～3.36 g/L。

图2 反应器内MLVSS浓度Fig.2 MLVSS concentration in the reactor

由图3(A)可知，温度升高后,出水COD仅小幅下降。R1出水COD在稳定期后平均值为95.60 mg/L，中值为75.69 mg/L，COD去除率平均值为90.44%，中值为92.43%；R2在温度上升到40 ℃ 的高温阶段，出水COD平均值为71.60 mg/L，中值为53.44 mg/L，COD去除率平均值为92.84%，中值为94.66%。R1和R2两组反应器均能去除污水中90%以上的COD。

图3 反应器出水中COD与TN浓度Fig.3 COD and TN concentrations in the effluent

由图3(B)可知，HRAS出水中TN较不稳定，且随着温度升高，HRAS去除TN的能力下降。稳定期结束后，R1出水TN平均值为12.39 mg/L，中值为11.61 mg/L；而在升温至40 ℃的过程中，R2内微生物受到高温的影响，使得出水TN持续升高。在温度保持在40 ℃阶段，出水TN平均值为21.21 mg/L，中值21.23 mg/L。

2.1.2 温度对HRAS降解COD和TN动力学的影响本研究针对不同温度条件下一个周期中HRAS内COD、TN的动力学变化做了比较分析。

COD对比结果见图4(A)，在不同的温度条件下，HRAS内COD呈一致的变化趋势。由于SBR反应器的进水特点，进水后HRAS内COD较污水COD(1 000 mg/L)有大幅的降低。在厌氧阶段，HRAS内COD缓慢下降。好氧阶段开始后，HRAS内COD快速下降。在此阶段，好氧微生物活性达到最大，大量捕集有机物来进行新陈代谢和生长繁殖，使污水COD快速下降。在45～55 min时，COD下降变慢，表明HRAS已基本完成COD去除。在微曝气阶段，HRAS反应器内DO小于0.5 mg/L,COD较稳定，可判断此阶段HRAS内环境较为平稳，无剧烈生化反应发生。在周期末期观察到COD缓慢增长，推测该阶段微生物处于饥饿的内源性呼吸状态，分泌了属于TB-EPS的高分子聚合物[8]。

图4 一个周期中HRAS内COD、TN浓度Fig.4 The concentration of COD and TN in HRAS in one cycle

对比发现，温度的提高使HRAS的COD去除速率和去除量显著提高。在40 ℃条件下，HRAS可在45 min内去除污水中95% COD；而在25 ℃时，在55 min内HRAS仅能去除污水中81% COD。高温增加了微生物的活性,加快了污染物分子的运动速率，进而增加了污染物分子与EPS接触的机会，从而提高了微生物捕获污染物分子的能力。

2.2 快速降温对HRAS内动力学变化的影响

温度对微生物的影响是多方面的，会影响到微生物的种群结构、酶活性、胞外聚合物等多个方面。本实验意在不改变反应器内微生物种群结构的前提下，探究温度对HRAS的影响。本实验将R2的温度由40 ℃降至25 ℃且保持3 d，于降温前及降温后3 d分别进行了动力学检测。

2.2.1 COD 降温前后HRAS内的COD浓度的动力学结果见图5，降温前后HRAS内的COD浓度在厌氧阶段出现了较为明显的区别。据文献报道，微生物的吸附能力随温度的降低而提高[9]，而厌氧微生物在短时间内难以快速降解有机物，所以降温后，厌氧阶段HRAS内的COD由于更活跃的生物吸附作用而明显低于降温前。由于好氧反应阶段开始时反应器内的COD浓度有很大的差别，所以降温前后，HRAS在好氧反应阶段的COD变化趋势有很大不同。微曝气阶段，降温前后HRAS内的COD都保持在较低水平。

图5 降温前后一个周期中HRAS内COD浓度Fig.5 COD concentration in HRAS in one cycle before and after cooling

接下来拟合在好氧阶段不同反应时间去除的COD的经验方程。首先假设：(1)厌氧阶段反应器的内的COD去除主要是由于生物吸附；(2)好氧阶段开始时，反应器内的COD皆为可降解溶解性COD；(3)在好氧阶段，反应器内的污水处于完全混合状态。

满足以上假设后，好氧反应阶段有机污染物的生物降解过程可用Monod方程来描述：

(1)

式中S——在反应过程中不同时刻时，HRAS反应器内的COD浓度，mg/L；

X——在反应过程中HRAS反应器内污泥混合液的质量浓度，g/L；

t——HRAS反应器在好氧反应阶段的工作时间，min；

K——反应速率常数；

Ks——饱和常数。

张玉环等指出，式(1)可适当简化，在好氧阶段，HRAS工艺的有机物降解服从1级动力学关系式[10]：

(2)

式中Sr——当反应时间为t时HRAS反应器去除的COD，mg/L；

K1=KX/2.3。

将实验数据代入式(2)，并利用最小二乘法估计得出K′。最后分别求出在降温前K=0.015；降温后K=0.1。故可求得经验回归方程：

降温前：Sr=(680 mg/L)(1-10-0.015 t/min)

降温后：Sr=(135 mg/L)(1-10-0.1 t/min)

将实际去除的COD与经验回归方程计算结果进行比较，结果见图6。

由图6可知，实验结果与经验回归方程的模拟结果较为接近。其中，降温前的实际Sr与拟合Sr的平均相对误差为13.76%，R2=0.990；降温后的实际Sr与拟合Sr的平均相对误差为3.96%，R2=0.994。表明经验回归方程的精度高，以此方程建立的动力学模型可以较好地反应降温前后HRAS在好氧反应阶段的COD去除规律。

图6 降温前(A)、降温后(B)好氧阶段实际去除COD与回归模型的对比Fig.6 Comparison of actual removal of COD in aerobic stage and regression model before(A) and after(B) cooling

2.2.2 TN HRAS降温前后一个周期中反应器内TN变化见图7。在厌氧阶段，反应器内存在混匀过程，因此反应器内TN在前2 min出现了上升；在后13 min，反应器内TN缓慢下降，降温前后厌氧阶段HRAS的TN去除率分别为8.83%和14.05%。

图7 降温前后一个周期中HRAS内TN浓度Fig.7 TN concentration in HRAS in one cycle before and after cooling

反应器在好氧阶段处于高DO环境，在硝化作用和生物吸附的共同作用下，HRAS反应器内TN明显下降，降温前后好氧阶段HRAS的TN去除率分别为41.73%和31.21%。

在微曝气阶段，反应器内变为低DO环境。降温前反应器内的TN保持平稳，微曝气阶段开始和结束时的TN仅变化了0.02 mg/L；降温后反应器内的TN持续下降，而硝酸根、亚硝酸根浓度依然小于0.09 mg/L。推测在此条件下下，硝化菌和反硝化菌可以在低活性的状态下完成硝化、反硝化反应。

3 结论

(1)温度对HRAS出水COD影响较小，对出水TN影响较大，温度越高出水TN越高。

(2)在实验的温度范围内，温度越高HRAS越早完成COD去除。40 ℃时，HRAS可在进水后45 min 内完成污水中95% COD的去除，而在25 ℃时，在55 min 内，HRAS仅能去除污水中81%的COD。

(3)在实验的COD范围内，40 ℃时HRAS的COD去除可用一级反应动力学方程Sr=(680 mg/L)(1-10-0.015 t/min)描述，平均相对误差为13.76%，R2=0.990；降温到25 ℃后方程变为Sr=(135 mg/L)(1-10-0.1 t/min)，平均相对误差为3.96%，R2=0.994。