近幾年的研究表明，好氧顆粒污泥對于生活污水、高濃度有機廢水、工業(yè)廢水等均有良好的處理效果。好氧顆粒污泥法具有培養(yǎng)簡便，脫氮除磷效果好，沉降性能好，微生物立體空間結構密實，無需后續(xù)處理等特點。在采用好氧顆粒污泥處理廢水過程中，延長曝氣時間有助于COD的去除及硝化反應的進行，但不利于短程硝化反硝化，并可能引起能源的浪費。因此，在常規(guī)的處理過程中由于曝氣而引起的能耗問題成為好氧顆粒污泥法大規(guī)模應用的瓶頸。
J. H. Tay等〔1〕認為，好氧顆粒污泥系統(tǒng)最小曝氣量不應低于1.12m3/s，否則即使不改變其他變量，也較難形成好氧顆粒污泥。因此，為滿足好氧顆粒污泥對溶解氧及水力剪切的需求，多數(shù)實驗室采用較大的曝氣量來確保反應器的穩(wěn)定運行。另外，曝氣量過低，溶解氧太小，可能引發(fā)非絲狀菌膨脹。而劉旭亮等〔2〕的研究表明，當曝氣量為80L/s以上時，好氧顆粒污泥系統(tǒng)會出現(xiàn)黏性污泥膨脹，從而導致出水水質變差。針對上述問題，本研究采用低曝氣量(0.3、0.2、0.1m3/h)運行好氧顆粒污泥系統(tǒng)，考察了低曝氣量下好氧顆粒污泥對生活污水中污染物的處理效果，以期達到低能高效處理污廢水 的目的。
1 試驗材料和方法
1.1 反應器及運行方式
試驗采用SBR反應器。該反應器由有機玻璃制成，直徑為17cm，高125cm，總體積為28L，有效容積控制為25L。在反應器邊壁垂直方向上設置5個間距為20cm的取樣口，反應器上端設有溢流口，底部設有排泥管，采用砂芯曝氣頭曝氣，轉子流量計控制曝氣量。以微電腦時控制開關實現(xiàn)反應過程的自動控制，每天運行4個周期，每個周期6 h，包括1min進水，5.5 h曝氣，3min出水，沉淀時間按試驗的進行確定(由開始的15min逐漸降低至3min)。從反應器中部的取樣口進行取樣或排水，排水比控制在50%～60%。
1.2 試驗水質與接種污泥
接種污泥采用蘭州市安寧污水廠二沉池回流污泥，接種污泥體積為8L左右。試驗污水取自蘭州理工大學西校區(qū)化糞池污水，原水的COD、氨氮和磷波動較大，COD為307～2 300mg/L，氨氮為71.7～688.5mg/L，磷為1.642～61.01mg/L，m(COD)/m(NH4+-N) 平均為6.572，碳源較充足，有機負荷大。
1.3 試驗方法
試驗運行過程中，通過調(diào)整曝氣量的方法形成好氧顆粒污泥。經(jīng)過30 d左右的污泥馴化期后，開始出現(xiàn)顆粒污泥，顆粒污泥的數(shù)量較少，肉眼可見。待反應器穩(wěn)定運行后，開始調(diào)整曝氣量，從一開始的0.3m3/h逐漸下降到0.1m3/h。MLSS在2.5～3.0 g/L左右，SVI平均為64。
1.4 分析方法
COD的測定采用重鉻酸鉀法，NH4+-N的測定采用納氏試劑分光光度法，TP的測定采用鉬銻抗分光光度法，NO3--N的測定采用酚二磺酸光度法，NO2--N的測定采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法。DO采用溶氧儀進行測定，MLSS采用烘干法測定，SV和SVI采用國家標準方法測定〔3〕，污泥形態(tài)及微生物相用微生物顯微鏡觀察。
2 試驗結果與討論
2.1 COD去除效果
圖 1為不同曝氣量下COD的去除情況，其中，第1—15天是曝氣量為0.3m3/h時COD的變化情況，第16—30天是曝氣量為0.2m3/h時COD的變化情況，第31—45天是曝氣量為0.1m3/h時COD的變化情況。
從圖 1可以看出，低曝氣量下好氧顆粒污泥可以穩(wěn)定運行，盡管進水COD變化幅度大，出水COD均比較低，COD去除率穩(wěn)定，基本保持在75%～85%左右。同時在低曝氣量下，在曝氣量從0.3m3/h逐步降低到0.1m3/h的過程中，COD 的去除變化不大，基本不受曝氣量的影響。初步分析，污水中COD的去除主要依靠微生物的吸附作用和代謝作用完成，吸附是去除COD的主要過程，而吸附過程不受曝氣量大小的影響，只與顆粒污泥本身的粒徑、比表面積等有關。在代謝過程中，合成代謝與分解代謝2個過程需氧量也都比較小，較低的曝氣能夠滿足微生物在代謝過程的耗氧量。因此，在低曝氣量下COD的去除并不受曝氣量大小的影響，同時COD去除率能保持在穩(wěn)定水平。
圖 1 不同曝氣量下COD的去除情況
2.2 脫氮除磷的效果
2.2.1 氨氮的去除
圖 2為不同曝氣量下氮的變化情況。
圖 2 不同曝氣量下氮的變化情況
由圖 2可以看出，當曝氣量為0.3m3/h時，由于進水氨氮波動大，對氨氮的去除造成一定的影響，氨氮去除率不穩(wěn)定;亞硝態(tài)氮質量濃度基本在10mg/L以下，在這個過程中沒有發(fā)現(xiàn)亞硝酸鹽的積累;隨著氨氮的去除，硝態(tài)氮濃度緩慢上升，但上升幅度不大，且在第12天后有所下降。初步判斷，在0.3m3/h的曝氣量下，有同步硝化反硝化的脫氮趨勢。當曝氣量為0.2m3/h時，對氨氮的去除已經(jīng)不受進水氨氮變化的影響，基本沒有較大波動;亞硝態(tài)氮質量濃度維持在1mg/L以下，相比于曝氣量為0.3m3/h時有大幅度下降，并且沒有發(fā)現(xiàn)亞硝酸鹽的積累;硝態(tài)氮的濃度也基本趨于穩(wěn)定。因此，可以確定在曝氣量為0.2m3/h時，主要進行的是同步硝化反硝化脫氮，由于亞硝態(tài)氮的濃度很低，反硝化很可能比硝化反應進行得快。當曝氣量為0.1m3/h時，硝態(tài)氮和出水氨氮濃度變化幅度開始變大，氨氮去除率不穩(wěn)定;但亞硝態(tài)氮質量濃度低于曝氣量為0.2m3/h時的情況，基本保持在0.5mg/L以下。由此可以推斷，當曝氣量為0.1m3/h時，脫氮過程中反硝化進程比較順利。
好氧顆粒污泥對污水中氮的去除包括吸附氨氮〔4, 5, 6〕、吹脫氨、生物同化等多種脫氮過程〔7〕，曝氣量不同，脫氮過程不同。曝氣量高時，以傳統(tǒng)脫氮為主;曝氣量低時，溶解氧濃度低，反硝化菌活性強，利于同步硝化反硝化的發(fā)生。通過對比3種曝氣量下的氨氮去除率(見圖 3)可以發(fā)現(xiàn)，低曝氣量下主要發(fā)生的是同步硝化反硝化脫氮。當曝氣量為0.2m3/h時，氨氮去除率較高也比較穩(wěn)定，受進水氨氮濃度的影響小;而當曝氣量為0.1、0.3m3/h時，氨氮去除率不高，并且表現(xiàn)出較大幅度的波動。初步分析，較大的曝氣量有助于提高氨氧化菌和亞硝酸鹽氧化菌的活性，促進硝化反應的進程;但曝氣量較大會抑制反硝化菌的活性。曝氣量為0.3m3/h時，很可能遏制了反硝化進程，因而影響了氨氮的去除。曝氣量為0.1m3/h時，水中DO濃度低，利于反硝化進行，但硝化反應進行緩慢，影響了前期的硝化過程，降低了脫氮效果。曝氣量為0.2m3/h時，可以基本滿足脫氮所需的曝氣量，并且不會對反硝化菌活性產(chǎn)生抑制，能調(diào)節(jié)硝化與反硝化對于溶解氧需求的矛盾，使硝化和反硝化都能順利進行，有助于達到一個更好的脫氮效果。
圖 3 不同曝氣量下氨氮去除率對比
2.2.2 磷的去除
好氧顆粒污泥除磷主要依靠聚磷菌在好氧階段吸收磷，厭氧階段釋放磷這一過程實現(xiàn)〔8, 9〕。圖 4為不同曝氣量下磷的去除情況。
圖 4 不同曝氣量下磷的去除對比
從圖 4可以看出，當曝氣量為0.3m3/h時，出水磷濃度較高，是3種曝氣量情況中出水最差的1種，且去除率不穩(wěn)定。當曝氣量為0.1、0.2m3/h時，出水磷基本穩(wěn)定在2mg/L左右，并且在曝氣量為0.2m3/h時，盡管反應器運行至第22天時，進水磷濃度產(chǎn)生了一定波動，但出水磷依然較低。相比于0.2m3/h的曝氣量，以0.1m3/h曝氣量運行時，磷的去除率雖然有一定的波動，但整體呈上升趨勢。結合對氮的變化過程的分析，在脫氮過程中，低曝氣量下有利于反硝化進行，因此，在除磷過程中，聚磷菌中的大部分可能是反硝化聚磷菌。而好氧顆粒污泥本身的結構也為反硝化聚磷菌的生長提供了良好的條件，根據(jù)溶解氧濃度梯度，好氧顆粒污泥由外到內(nèi)呈好氧、缺氧、厭氧的氧濃度梯度，缺氧區(qū)更利于反硝化聚磷菌的生長。通過試驗發(fā)現(xiàn)，表面溶解氧濃度越大，溶解氧的濃度梯度越大，氧穿過顆粒污泥的徑向距離越遠。過度曝氣會導致好氧階段后期聚磷菌體內(nèi)PHB的不足，從而使得系統(tǒng)除磷性能惡化。因此，初步分析在曝氣量為0.1m3/h的情況下，好氧顆粒污泥內(nèi)部更容易形成缺氧區(qū)，聚磷菌體內(nèi)有充足的PHB，同時更利于反硝化聚磷菌富集和釋磷過程，進而保證除磷的效果。
2.3 DO的變化過程
DO對好氧顆粒污泥脫氮過程有很大影響，DO濃度不同，脫氮過程也會不同。不同曝氣量下DO的變化如圖 5所示。
從圖 5可以看出，曝氣量為0.3m3/h時，DO發(fā)生2次突躍，并且DO的變化波動大。當曝氣量為0.2m3/h時，DO只發(fā)生了1次突躍，DO逐漸趨于穩(wěn)定，保持在2mg/L左右。當曝氣量下降至0.1m3/h時，DO不再發(fā)生突躍和驟變，變化浮動小，基本保持在1～1.5mg/L。有研究表明，好氧顆粒污泥內(nèi)層的DO由顆粒表面的DO和顆粒內(nèi)部的擴散系數(shù)決定。因此初步分析，曝氣量越大，好氧顆粒污泥表面的DO越大，DO傳遞過程越快，而好氧顆粒污泥的傳質受內(nèi)部結構的影響大，越靠近核心的地方，傳質阻力越大，所以在傳遞DO的過程中，當外部DO擴散至阻力較大的區(qū)域時，擴散會停止，或可能發(fā)生反向擴散，進而使水中DO回升。但曝氣量小，DO低時，擴散速度本身較慢，DO傳遞至阻力大的地方，由于內(nèi)外部DO濃度差小，反向擴散的可能性也小，導致水中DO不會發(fā)生突躍，且DO較為穩(wěn)定。因此，低DO有利于好氧顆粒污泥內(nèi)層形成厭(缺)氧條件，增強反硝化作用，利于PHB產(chǎn)量的增加，減少剩余污泥的產(chǎn)量。同時，從圖 5還可以看出，曝氣量在0.3m3/h以下時，繼續(xù)降低曝氣，DO的變化不顯著。具體參見http://www.bnynw.com更多相關技術文檔。
圖 5 不同曝氣量下DO的變化
3 結論
(1)低曝氣量下，好氧顆粒污泥能穩(wěn)定地處理校園污水，達到碳、氮、磷高效同步去除，COD、氨氮、磷的去除率最高分別達到93.8%、87.7%、87.8%，同時去除效果能保證一定的穩(wěn)定性。
(2)采用好氧顆粒污泥在低曝氣量下對廢水進行處理，COD的去除不受曝氣量大小的影響;脫氮過程中，當曝氣量為0.2m3/h時，脫氮效果最好，硝化和反硝化都能順利進行，能夠平衡脫氮過程中好氧和厭氧微生物對氧的需求。低曝氣量有利于磷的去除，主要是內(nèi)部的厭氧環(huán)境利于聚磷菌釋磷，曝氣量為0.1、0.2m3/h下的除磷效果優(yōu)于曝氣量為0.3m3/h下的除磷效果。曝氣量降低，DO會有小幅度下降，但下降過程并不顯著，且當曝氣量<0.3m3/h時，水中DO濃度基本不隨曝氣量降低而降低。
