降低SBR 穩定運行能耗研究

吳 濤，孫 菁

（安徽建筑大學 環境與能源工程學院，安徽 合肥 230022）

1 引言

好氧顆粒污泥是特定環境中由微生物自發聚集和增殖而構成的生物顆粒。相比較一般活性污泥來說，其具備承受沖擊能力強，不易發生污泥膨脹，可承受高有機負荷，集好氧、兼氧和厭氧微生物于一體等特點。好氧顆粒污泥一般具有十分清晰的形態，大部分近似圓形或橢圓形[1]，具有結構緊湊、密度高、沉降速度快等特點[2]，大大提高了反應器內污泥濃度，減少了反應器內剩余污泥的排放[3-6]。在好氧顆粒污泥系統中，大量的曝氣是好氧顆粒污泥的培育條件之一，曝氣量的高低主要影響污水中DO（溶氧量）濃度和曝氣導致的水力剪切力兩個方面。大部分研究結果表明高溶氧情況下形成的顆粒粒徑較大，且結構穩定[7]，好氧顆粒污泥技術應用運行能耗較高，影響了工業化放大技術的應用[8]。所以，研究如何降低好氧顆粒污泥穩定運行的能耗，對好氧顆粒污泥技術的應用和發展具有一定意義。

本文研究降低曝氣量對好氧顆粒污泥形狀、脫氮除磷效果、有機質降解效果的影響規律，為低曝氣條件下好氧顆粒系統穩定運轉提供根據。

2 材料和方法

2.1 試驗裝置

本實驗采用總高120 cm，內徑為7 cm，有效容積4 L 的有機玻璃柱狀SBR 反應器（見圖1）。曝氣階段控制和調節使用玻璃轉子流量計，供氣使用微孔曝氣器和空氣壓縮機，整個SBR 系統的運行過程中，進水、曝氣、沉淀、出水各階段時間均由微電腦控制。

圖1 小型序批式反應器工藝流程

2.2 分析方法

在整個試驗期間，需要對反應器出水污染物的去除效果進行定時取樣檢測，常規分析項目的測定方法均采用國家標準方法，如表1 所示。

表1 常規分析項目與測定方法

2.3 試驗方案

成熟的好氧污泥顆粒接種后完成污泥顆粒化僅需15 d[9]。本試驗在兩個相同的SBR 反應器（N1、N2）內接種前期自己培養成熟的好氧污泥顆粒，從第16 d 降低N2 的曝氣量，保持好氧顆粒污泥在反應器底部均勻分布的上限，底部無顆粒污泥沉積。N1 的曝氣量不做調整，其曝氣量大小如表2 所示。反應器的運轉形式為：每周期為4.8 h，其中進水2 min，曝氣280 min，沉淀2 min，排水2 min，閑置2 min。

表2 反應器內曝氣量大小

2.4 接種顆粒污泥及污水

接種的成熟好氧顆粒為實驗室自行培養，混合液懸浮固體（MLSS）的質量濃度約為5 590 mg?L-1，污泥體積指數（SVI）的值為39 mL?g-1，合肥市內某大學生活污水作為實驗用水，水質見表3。

表3 合肥市某大學生活污水水質

3 結果與討論

3.1 曝氣量對顆粒污泥特性的影響

3.1.1 形態與粒徑分布

圖2 第20 d 時不同曝氣量下兩反應器內好氧顆粒污泥粒徑分布

N1 和N2 反應器在前15 d 顆粒化過程相同，從第16 d 開始出現差別，第20 d 發現兩組之間在形狀上有顯著差別，N2 反應器的顆粒尺寸在低曝氣條件下大于N1 反應器，N1 中的好氧顆粒污泥構造更加規則，如圖2 所示。由此可知，反應器中顆粒污泥的平均粒徑隨著曝氣量的減小而增大。

3.1.2 好氧顆粒污泥的污泥濃度和沉降性能

如圖3 所示，N2 中的污泥濃度MLSS、MLVSS相對于 N1 均變小了，運行 15 d 后，F 比值（MLVSS/MLSS）均保持較高程度，N2 中的F 比值略高于N1。高曝氣量時，好氧顆粒污泥的整體活性因為其內部微生物營養基質的缺乏而降低，然而，低曝氣速率導致MLSS 緩慢增加，最終穩定下來，低曝氣量對穩態顆粒污泥系統的活性更有利。

圖3 不同曝氣量條件下兩反應器內 MLSS、MLVSS 及 f值變化情況

SVI 值作為衡量污泥沉降性能的指標之一也具有一定的差異，結果見圖4。

圖4 不同曝氣量條件下兩反應器內 SVI 值變化情況

由圖4 可見，N1 中的SVI 值保持在32 mL?g-1，然而N2 中的SVI 值隨著曝氣量的減小而增大，略高于N1 顆粒污泥，SVI 值接近于35 mL?g-1。盡管從SVI 值來看，減小N2 反應器的曝氣量導致其顆粒污泥的沉降性能變差，然而其差距并不足以抵消好氧顆粒污泥工藝的優勢，與傳統的活性污泥工藝相比，N2 低曝氣系統還可以減小二沉池的體積[10]。

圖5 不同曝氣量下兩反應器內 EPS 及其組分 PN、PS變化情況

研究表明，EPS（好氧顆粒污泥的胞外聚合物）對好氧顆粒污泥的構成具有顯著的作用[11]，圖5為不同曝氣量下兩反應器內EPS 及其組分PN、PS變化情況。

由圖5 可見，減小曝氣量使得顆粒污泥中PN和PS 含量降低，更大的曝氣量會分泌更多的EPS促進細胞間的吸附和聚集，形成穩定的固體微生物群落，提高顆粒結構的穩定性。然而好氧顆粒污泥具有粘性的特點，可能增大堵塞顆粒結構的孔隙通道的概率，阻礙溶解氧和營養鹽的生成，導致顆粒內部厭氧無機化[12,13]。因而，按照EPS分析，減小曝氣量并不會影響顆粒污泥系統的穩定性。

3.2 曝氣量對反應器除污效能的影響

3.2.1 對降解COD 效能影響

圖6 為不同曝氣量條件下兩反應器內COD 去除情況。反應器N1、N2 顆粒化15 d 后，使N2的曝氣量發生變化，由圖6 可以看出，COD 去除率在前15 d 基本保持不變，二者顆粒化程度愈發完整，其去除率的變化幾乎一致，N2 稍高于N1，COD 出水濃度始終保持較低水平。可以看出，其他操作條件一致，增加曝氣量對去除COD 的效果影響不顯著。

圖6 不同曝氣量條件下兩反應器內COD 去除情況

3.2.2 對脫氮除磷效能影響

圖7 為不同曝氣量下兩反應器內NH4+-N 去除情況。

圖7 不同曝氣量下兩反應器內 NH4+-N 去除情況

從圖7 可以看出，N1、N2 運行15 d 后氨氮去除率分別達到92%和89%。曝氣量與氨氮的去除率成正比。影響好氧顆粒污泥硝化的主要因素之一是DO，高曝氣加快了水中氧的擴散速率，顆粒內被微生物的利用的氧氣有所減少，導致DO 濃度高，有利于硝化細菌的富集、硝化作用的增強，提高了底物中NH4+-N 轉化率，更有利于氨氮的去除。但N1、N2 出水氨氮濃度均在3 mg?L-1之下，去除率也沒有大的差別。因此，氨氮的長期穩定降解并不受減少曝氣量的影響。

反硝化除磷脫氮菌（DPB）的生理過程也受到DO 的影響。曝氣量會影響DO 濃度從而影響DPB生存，進而對脫氮除磷效能產生影響，但這種影響并不是決定性的。只有硝酸鹽時，系統反硝化吸收磷；只有溶解氧存在時，系統需氧吸收磷；既沒有氧也沒有硝酸鹽時，系統中磷的濃度基本保持不變。

圖8 是兩個反應器對TN 和TP 的去除率。

由圖8 可得，N1 和N2 的TN 去除率并不理想。在除磷過程中，高曝氣量使得DPB 的反硝化除磷進程受到抑制，降低曝氣量對除磷效果略有改善。對成熟好氧顆粒系統運行時，減少曝氣量不會顯著降低去污效率。

圖8 不同曝氣量條件下兩反應器內 TN、TP 去除情況

4 結論

好氧顆粒污泥在高曝氣條件下具備較好的物理性能、較好的沉降性能、較高的污泥濃度以及較多的EPS 的分泌，保持穩定的顆粒結構，顆粒尺寸相對低曝氣條件下來說更小。在去污性能方面高曝氣量的N1 對TP 的去除不利。COD 和氨氮去除與曝氣量大小無關，且濃度已經達到GB18918-2002“城市污水處理廠排放標準”二級標準。好氧顆粒污泥系統處于穩態時，曝氣量適當的減小不會危害到系統的生物降解能力和穩定性，但減少了不必要的能耗，降低了運行成本。