不同曝氣強度下SBR污染物去除性能研究

于陽陽， 于少亭， 張淑君， 馮 騫， 王 蕭， 閆玉濤， 鐘天意

（1.河海大學環境學院， 江蘇 南京 210098；2.河海大學力學與材料學院， 江蘇 南京 210098）

0 引言

活性污泥工藝是城市生活、工業污水處理中應用最為廣泛的處理技術。活性污泥是由細菌、微型動物為主的微生物與懸浮、膠體物質組成的絮凝體顆粒[1]，在微生物群體新陳代謝作用下，將有機物轉化為穩定無機物，實現污染物的降解。活性污泥作為工藝中的主體因素，其濃度、活性及污染物降解特性的變化直接關系到出水水質的好壞[2]。

反應器內水動力條件是影響污泥活性、污染物去除效率等特性的重要因素，其與系統內物質傳遞及反應器運行性能緊密相關[3-4]。反應器曝氣過程引起紊動是造成水動力條件—水流剪切作用差異的重要原因之一[5]。曝氣過程為活性污泥提供必要的溶解氧、促進泥水混合，通過改變水動力條件加強傳質作用[6－7]，且曝氣所形成水力剪切作用對污泥理化、生物特性產生直接影響[8－10]，進而影響系統處理能力。曝氣過程所需電量占整個污水廠能耗的大部分[11]。綜上所述，在不同曝氣強度的條件下，探究其對系統污染物去除能力的影響機制，對合理安排曝氣強度、提升處理效果、降低系統能耗具有重要的理論和現實意義[5]。

目前，有關曝氣強度對活性污泥系統運行及處理能力影響機制的研究主要集中在污泥理化特性、污泥結構、胞外聚合物變化、微生物種群結構等[3,6,12－13]方面，而通過考察不同曝氣條件下污泥活性及內部氧傳質行為，來解釋系統污染物去除能力差異的報道較少。因而本文采用在不同曝氣強度下運行小型序批式反應器（Sequencing batch reactor，SBR）的方式，探究其對污泥活性、氧滲透深度的作用，闡述曝氣強度的變化對系統污染物去除能力的影響。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

實驗裝置為6組相同柱狀SBR反應器，見圖1。整個裝置由反應器主體、進水系統、排水系統、曝氣系統及恒溫系統組成。反應器主體直徑15 cm，高30 cm，裝置有效容積為4.0 L，排水比為50%。SBR反應器運行周期為6 h，包括進水10 min，曝氣4 h，沉淀 1 h，排水 15 min，閑置 35 min。實驗采用砂芯曝氣頭曝氣，空氣流量計(LZB－6WB，20～200 L/h)控制6組裝置的曝氣強度Q分別為40，80，100，120，140，160 L/h。 由水浴恒溫裝置提供25℃左右的回流水以保證反應溫度恒定。實驗中污泥質量濃度基本保持在3 000 mg/L左右。

圖1 反應器示意

1.2 接種污泥與進水水質

接種污泥取自城市生活污水處理廠，清水沖洗，曝氣6～8 h去除原有基質，避免其對實驗結果產生影響。

進水水質參考生活污水指標，分別以無水乙酸鈉(404 mg/L)、氯化銨(120 mg/L)、磷酸二氫鉀(24 mg/L)為碳、氮、磷源，并加入七水合硫酸鎂(10 mg/L)、二水合氯化鈣(15 mg/L)及微量元素混合液（0.5 mL/L）進行配制。微量元素混合液組成：H3BO3(2 mg/L)，Fe-Cl2·4H2O(2 mg/L)，EDTA(2 mg/L)，ZnCl2·4H2O(0.4 mg/L)，MnCl2·4H2O(0.8 mg/L)，CuCl2·2H2O(0.2 mg/L)，(NH4)6MO7·4H2O(1.1 mg/L)，NiCl2·6H2O(1.0 mg/L)。

1.3 分析項目與方法

1.3.1 水動力條件表征

反應器曝氣強度的不同，導致其水動力條件（剪切作用）存在差異。不同強度剪切作用是導致污泥特性變化的重要原因。鑒于此，量化表征反應器水動力條件，以便分析剪切作用對污泥活性、氧滲透深度的影響。本文采用速度梯度（G）值表征各反應器中水動力條件的差異，其值按下式進行計算[5,14]：

式中：WA為曝氣過程所輸入的能量，J/s；μ為流體動力粘滯系數，N·s/m2；V為攪動水體體積，m3；VA為單位體積污水曝氣量，m3/m3；Qw為污水量，m3/d；H為曝氣深度，m。

6組反應器的G值見表1。

表1 反應器水動力條件

1.3.2 污泥活性指標及常規指標

本研究采用污泥比耗氧速率(SOUR)表征污泥活性[15]，即通過測定污泥呼吸速率間接表征污泥的微生物活性。

常規檢測指標及方法[16]：COD濃度采用消解法測定；氨氮濃度采用納氏試劑分光光度法測定；pH值測定采用HACH－sension2型pH計；溶解氧測定采用HACH－HQ30d便攜式溶儀。

2 結果與討論

2.1 污染物去除效率

不同曝氣強度對各組反應器COD去除率的影響見圖2。

圖2 不同曝氣強度對COD去除率的影響

不同曝氣強度對各組反應器氨氮去除率的影響見圖3。

圖3 不同曝氣強度對氨氮去除率的影響

由圖2，圖3可見，不同曝氣強度下各組反應器COD及氨氮去除效率的長期變化趨勢具有一定相似性：隨時間增加，各組反應器對兩類污染物的去除率均逐步增高。運行30 d后，各反應器COD去除率均趨于穩定。穩定后，6組反應器COD平均去除率分別為 87.49%，91.37%，95.60%，91.88%，90.96%和88.14%。而各組反應器氨氮去除率在運行40 d后至穩定，平均去除率分別為達到90.83%，93.21%，95.86%，91.47%，89.50%和88.48%。而對比穩定期各組反應器的處理效率數據可發現，隨曝氣量的增加，COD及氨氮的去除率均先升后降，在R3(Q=100 L/h)反應器中COD與氨氮的去除率均達到最高。

2.2 影響機理分析

2.2.1 污泥SOUR活性

反應器內污泥的代謝活性對系統降解污染物能力具有重要影響。為進一步解釋活性污泥在不同曝氣強度下污染物去除能力的差異，在穩定期對各反應器內的污泥進行SOUR測定，表征污泥代謝活性。不同曝氣強度對活性污泥SOUR的影響見圖4。隨著曝氣強度的逐步增大，穩定狀態下的污泥SOUR活性呈現先增大后減小的規律。Q為100 L/h時，污泥活性最強，SOUR值達到46.0 mg/(g·h)，曝氣強度為160 L/h條件下污泥活性最低，SOUR值低至25.1 mg/(g·h)。

以上表明，在一定范圍內增加曝氣強度有助提高污泥活性[5]，而曝氣強度過大卻會對污泥活性產生抑制。這是因為微生物處于一定強度剪切力作用下，會調節代謝途徑、提升代謝作用強度以維持自身結構。一定范圍內，曝氣強度越大對微生物代謝的促進作用越大。而過強曝氣剪切條件下微生物種群發生了變化，普通菌膠團菌減少，可能是微生物活性受到抑制的原因[17]。

圖4 不同曝氣強度對活性污泥SOUR的影響

2.2.2 氧滲透

由同步硝化反硝化及微環境理論[18-19]可知，污泥內部存在氧傳遞行為，但受到傳質阻力的影響導致污泥內部存在溶解氧濃度梯度，因而在污泥內部形成了好氧與缺氧區域，使得硝化反硝化反應能同時在污泥內部進行。因此在實驗穩定期，對各反應器內活性污泥氧滲透深度進行測算，為了對比不同污泥粒徑條件下氧滲透深度與污染物去除能力的關系，以污泥內部缺氧區域占比(η)作為表征指標。所采取的計算方法為[20]：

式中：δ為污泥平均半徑，μm；δpf為氧滲透深度，μm；D為氧擴散系數，取 1.97 × 10-9m2/s；Csi為污泥表面溶解氧質量濃度，mg/L；qmax為各反應器內最大比耗氧速率；cxf為污泥質量濃度，g/L。

由上述公式可知，活性污泥的氧滲透深度受曝氣剪切（影響污泥聚集體尺寸及污泥活性）、溶解氧濃度和污泥濃度等多因素共同影響。結果見圖5。

圖5 不同曝氣強度下污泥內部缺氧區域占比

由圖5可見，曝氣作用增大，導致各反應器內缺氧區域占比先增后減，曝氣強度為100 L/h時，缺氧區域占比最大，約68.45%，這可能是由于流體剪切的適當提高增加了污泥耗氧活性，同時刺激胞外聚合物分泌從而增大污泥內部溶解氧傳遞阻力[20]所共同導致的。而繼續提高曝氣量，微生物活性受剪切作用抑制，耗氧量降低，且剪切作用影響污泥聚集體的結構，減小粒徑，導致氧滲透的深度增大，缺氧占比減小。

從上述結果及分析可知，SBR反應器中曝氣強度不同所導致的水動力差異（主要是剪切作用）是污泥活性以及缺氧區域占比變化的重要因素。而剪切作用又將通過污泥活性的變化以及氧滲透的差異進一步影響到污染物的降解去除。

2.2.3 機理分析

綜合反應器內活性污泥SOUR活性及氧滲透比例的變化，對不同曝氣強度下系統處理能力的差異加以分析。曝氣強度由40 L/h增加至100 L/h，G值隨之由57.8 s-1增至91.3 s-1，使流體剪切力增大，而適當加強剪切作用提高污泥代謝活性，加速消耗有機質，進而提升了COD去除效率。繼續增加160 L/h（G=115.5 s-1），COD去除率呈現下降趨勢，這是因為：一方面剪切作用過強使污泥代謝活性降低，減緩了有機物的消耗；另一方面，強剪切作用剝蝕污泥且促使污泥分泌更多的溶解性微生物產物(SMP)，從而使得污水中有機質含量升高。

根據同步硝化反硝化及微環境理論，結合各組活性污泥穩定期的氧滲透變化結果，可以更好地解釋好氧實驗條件下氨氮去除能力的變化。反應器R1，R2及R3中，隨曝氣強度增加，氨氮去除效率提高的原因為：提升曝氣強度，G值增大導致剪切作用加強，促進微生物活性；污泥外部溶解氧充足，硝化過程不受明顯影響，而污泥內部缺氧區域隨曝氣強度增加而增大，更有利于反硝化過程進行，進而使其氨氮去除能力加強。而進一步增大曝氣，反應器內過大的水力剪切可能對硝化菌活性產生抑制。同時，缺氧區域隨氧滲透深度減小而減小也限制了氨氮的去除。

3 結論

（1）6組反應器內活性污泥系統對COD及氨氮的去除效率均呈現先增大后逐漸穩定的趨勢。隨著曝氣強度增大，穩定期COD和氨氮去除效率呈現出先增大后減小的規律，R3（Q=100 L/h）反應器COD及氨氮去除率最高，分別為95.6%和95.86%。

（2）在穩定期，曝氣強度的增大，使污泥SOUR活性呈現先增大后減小的規律。其中反應器R3(G=91.3 s-1)中的污泥活性最強，SOUR值達到46.0 mg/(g·h)，而反應器 R6(G=115.5 s-1)污泥活性最低，僅25.1 mg/(g·h)；各反應器中污泥內部的缺氧區域比例隨曝氣強度增大而呈現先增大后減小的趨勢，R3中缺氧比例最大，約為68.45%。據分析可知，曝氣引起的剪切作用是影響污泥活性及氧滲透的重要因素。

（3）從反應器曝氣條件變化對污泥SOUR活性、氧滲透比例及污染物去除效果影響的結果來看，適當增加反應器曝氣強度有助于污泥活性的提升，增大污泥內部缺氧區域占比，增強污泥系統的污染物去除能力。在本文的實驗條件下，曝氣強度為100 L/h,速度梯度為91.3 s-1時提供了最優的反應條件。