壓力曝氣條件下微生物活性及沉淀性能研究

陳立波，閆廣平

(1.吉林化工學院 資源與環境工程學院，吉林 吉林 132022；2.吉林化工學院 教師發展中心，吉林 吉林 132022)

微生物降解廢水中有機物的速度與微生物的活性有直接關系.微生物活性越高，其降解有機物的速度就越快.活性污泥微生物的沉淀效率與活性污泥形成絮狀顆粒粒徑大小和微生物組成有關.污水處理系統正常運行的前提條件是：形成活性較高、沉淀性能優良的活性污泥絮凝體.國外研究表明，反應器混合液DO對菌膠團的活性結構、顆粒尺寸有一定影響[1].本研究的目的在于探求不同曝氣壓力條件下，微生物菌群活性、及沉淀性能的變化，為優化壓力曝氣生物反應系統提供最佳的設計參數.

1 試驗原理

目前表征活性污泥活性的指標有很多，包括比耗氧速率(SOUR)、脫氫酶活性(DHA)、電子傳遞體系(ETS)活性、比三磷酸腺苷(SATP)、污泥的沉降比(SV30)、污泥容積指數(SVI)、硝化速率、pH、過氧化氫酶活性等[2].本文采用脫氫酶活性表征活性污泥微生物活性，采用污泥沉降比(SV30)、污泥容積指數(SVI)表征活性污泥微生物沉淀性能，采用顯微攝影反映微生物菌膠團的顆粒大小.

1.1 微生物活性測定原理

在廢水生物氧化分解中，分子氧是生物氧化的最終受氫體，經氧化呼吸傳遞給最終受氫體(O2)的氫(H+/e)越多，說明脫氫酶的活性越高，微生物降解有機物的速度越快.可見，通過檢測經氧化呼吸鏈傳遞氫的速率和強度，可判定脫氫酶活性水平的高低，即微生物降解有機物的活性.本試驗采用2、3、5-氯化三苯基四氮唑(2、3、5-Triphenyl Tetrazolium chloride，即TTC)作為人造受氫體，以取天然受氫體(O2)，TTC在細胞呼吸過程中接受H+(H+/e)以后，還原產物三苯基四氮唑(Triphenyl Formazone即TF)呈現紅色.TF經丙酮萃取后，在波長485 nm波長下用分光光度計測定溶液光密度，測定微生物在單位時間內還原TTC所產生TF的微克數，以此測定脫氫酶的活性[3,4].

1.2 菌膠團沉淀性能測定原理

以活性污泥靜置沉淀30 min為基礎的兩項指標以表示其沉降-濃縮性能.

(1) 污泥沉降比(SV%)：又稱30 min沉淀率.混合液在100 mL量筒內靜置30 min后所形成沉淀污泥的容積占原混合液容積的百分率，以%表示.

(2) 污泥體積指數(污泥指數)(SVI)：曝氣池出口處混合液經30 min靜沉后，每克干污泥所形成的沉淀污泥所占的容積，以mL計.其計算式為；

SVI值能夠反映出活性污泥的凝聚、沉淀性能，SVI值過低，說明泥粒細小，無機物含量高，缺乏活性；SVI過高，說明污泥沉降性能不好，并且已有產生膨脹現象的可能[5].

2 試驗方案

2.1 試驗裝置

試驗裝置以壓力曝氣生物反應器為主體設備，連接外圍設備及檢測儀表，見圖1[6].

圖1 研究試驗裝

2.2 試驗過程

2.2.1 壓力對微生物活性影響試驗過程

在反應器中加入COD約為1 000 mg/L的乙醛廢水，保持反應器內MLSS約為3 000 mg/L，水溫控制在20 ℃左右.改變曝氣壓力(0～0.25 MPa),待曝氣壓力恒定2 h后，讀取反應器上部壓力表讀數和內混合液DO，同時提取反應器內混合液進行分析測試.

2.2.2 壓力對微生物沉淀性能影響試驗過程

與1.試驗過程相同，在提取微生物活性測試試驗樣品的同時，提取沉淀性能測試樣品，按照活性污泥SV30和污泥指數(SVI)的測定方法分別測定不同曝氣壓力和DO條件下，反應器中活性污泥微生物的沉淀性能指標.

3 試驗結果與分析

3.1 微生物活性測定結果與分析

按照2.2試驗步驟，分別測定不同曝氣壓力條件下，活性污泥微生物的吸光度，根據吸光度和TF濃度標準曲線，繪制TF濃度隨曝氣壓力和混合液DO的變化曲線見圖2.

DO濃度/mg/L圖2 TF濃度隨曝氣壓力、DO變化趨

圖2顯示：在曝氣壓力為0 MPa時(即常壓曝氣)，混合液中TF濃度約為20 μg/mL，在曝氣壓力為0.1、0.15、0.20 MPa時混合液中TF濃度分別為45、60、72 μg/mL.說明壓力曝氣可明顯增大反應器混合液微生物的活性，曝氣壓力每增加0.1 MPa，微生物活性增大約1倍，降解有機物的速度也相應增大1倍.由此可見，壓力曝氣生物反應器在提高微生物活性及其降解有機物速度方面是非常有效的.

3.2 微生物菌膠團結構

對不同曝氣壓力下的微生物菌膠團結構進行顯微攝影.圖3、圖4所示的是放大1 000倍的菌膠團顯微照片(10倍目鏡，100倍物鏡).照片顯示：曝氣壓力為0.20 MPa時，活性污泥微生物菌膠團結構較大，質地較緊密，相對比重較大，易于沉淀.

圖3 P=0.10 MPa微生物菌膠團顯微照片

圖4 P=0.20 MPa微生物菌膠團顯微照片

3.3 活性污泥微生物沉淀性能分析

分別提取不同曝氣壓力條件下反應器中活性污泥混合液，按照1.2的檢驗過程，測定混合液相應的SV30和脫氣(攪拌0.5 h)后SVI指標，結果見圖5、圖6.

DO濃度/mg/L圖5 活性污泥沉降性能(SV30)隨曝氣壓力的變化趨勢

DO濃度/mg/L圖6 活性污泥沉降性能(脫氣后SVI)隨曝氣壓力的變化趨勢

圖5表明：在曝氣壓力為0.10～0.15 MPa時，污泥SV30值達到70～80%，主要是由于曝氣壓力的增加，溶解與水中的氣體量增大，黏附在活性微生物菌膠團上，使污泥菌膠團比重變小，不易沉淀；曝氣壓力接近0.20 MPa時，由于溶解于水中的氣體進一步增多，黏附在活性微生物菌膠團上的氣泡使菌膠團比重小于水的比重，污泥發生上浮現象，上浮比隨曝氣壓力的增大而減小.

圖6所示,常壓曝氣條件下活性污泥SVI在120～150之間，曝氣壓力為0.25 MPa時，攪拌脫氣后活性污泥SVI在75～110之間，由此可見，提高反應器曝氣壓力，活性污泥沉淀性能有所改善.

曝氣壓力低于0.1 MPa時，可以采用沉淀方式進行泥水分離；曝氣壓力大于0.1 MPa時，可采取脫氣-沉淀工藝進行泥水分離.

4 結 論

通過上述分析，出以下結論：

(1) 曝氣壓力每增加0.1 MPa，微生物活性增大約1倍，壓力曝氣生物反應器在提高微生物活性及其降解有機物速度方面是非常有效.

(2) 曝氣壓力為0.20 MPa時活性污泥菌膠團結構較大，質地較緊密，相對比重較大，易于沉淀.

(3) 曝氣壓力為0.25 MPa時，脫氣后活性污泥SVI在75～110之間，易于沉淀.

(4) 根據反應器曝氣壓力的大小，可以采取沉淀、脫氣-沉淀等工藝進行泥水分離.