溫度對高負荷活性污泥法的影響及動力學分析

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

乙酸鈉，食品級；硫酸銨、磷酸二氫鉀、磷酸氫二鉀、碳酸氫鈉、硫酸亞鐵、硫酸鎂、氯化鈣均為分析純；進水為人工配制的模擬廢水，化學組成見表1，化學需氧量(COD)、總氮(TN)分別為1 000 mg/L和50 mg/L，污泥來源于周口棗花淀粉廠內循環工藝的厭氧顆粒污泥與實驗室培養的顆粒污泥。

表1 進水的化學組成Table 1 Chemical characteristics of the synthetic water

ACO-002型空氣曝氣泵；SYC-1015D型恒溫循環水箱；SX-5-12型馬弗爐；LZB-6型氣體流量計；KG316T型可編程邏輯控制器；BT100-2J型蠕動泵；PLD-1205型隔膜排水泵；AUY220型分析天平；哈希DRB-200型COD消解儀；哈希DR1010型COD測定儀；U-1810型紫外可見分光光度計；ICS-900型離子色譜儀;WTW Multi 3410型手持式多參數測定儀。

1.2 實驗方法

1.2.1 實驗裝置與傳統的HRAS不同，本研究使用SBR反應器作為HRAS的反應裝置，使得反應器的體積大幅度減小。見圖1，反應器由有機玻璃制作，有效容積為1.3 L，內徑50 mm，高700 mm；在器壁垂直方向上距離底部 50，350，650 mm處分別設置進水口、出水口和溢流口。反應器上端敞口、下端密閉，并在下端設置曝氣口。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental equipment

此外，反應器還搭配有恒溫循環水箱、蠕動泵、出水水泵、曝氣泵、轉子流量計、高壓氮氣瓶和時控開關等裝置。

1.2.2 反應器運行兩種污泥經過清水清洗、去除掉雜質后混合接種到反應器中。研究中，準備了對照組(R1) 與實驗組(R2) 兩組反應器，R1的溫度保持在25 ℃；R2的溫度在反應器啟動階段設定為25 ℃，待反應器穩定后從30 ℃上升至35 ℃，最后上升至40 ℃。反應器的時間控制見表2，反應器的周期為360 min，10 min的進水結束后開始15 min的厭氧反應階段(此過程中向反應器通入N2使污水混勻)，隨后進行60 min的好氧反應階段(此過程中曝氣量不變)，待10 min的沉降結束后，于1 min內排出反應器內500 mL的上清液，最后反應器進入長達284 min的微曝氣階段(每30 min進行一次混勻)。反應器SRT設置為4 d。此設置實現了交替飽食和饑餓的動態環境，有利于微生物在接觸階段大量吸收易生物降解的有機物。

表2 HRAS運行時間安排Table 2 The time table of HRAS

1.3 檢測方法

2 結果與討論

2.1 不同溫度下的COD、TN去除

反應器運行450 d，按溫度不同，將實驗組R2分為4個階段：(1)溫度25 ℃的啟動階段；(2)溫度升至30 ℃的實驗階段；(3)溫度升至35 ℃的實驗階段；(4)溫度升至40 ℃的實驗階段。本研究著重研究了40 ℃條件下HRAS去除水中COD、TN的效率。

2.1.1 溫度對HRAS去除COD和TN效果的影響 MLVSS的變化見圖2。污泥在培養過程中由顆粒狀變為絮狀；反應器的結構使部分污泥在沉降時堆積在出水口上方，導致排水時會排出不定量污泥，使MLVSS不穩定。在實驗后期，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。

圖2 反應器內MLVSS濃度Fig.2 MLVSS concentration in the reactor

由圖3(A)可知，溫度升高后,出水COD僅小幅下降。R1出水COD在穩定期后平均值為95.60 mg/L，中值為75.69 mg/L，COD去除率平均值為90.44%，中值為92.43%；R2在溫度上升到40 ℃ 的高溫階段，出水COD平均值為71.60 mg/L，中值為53.44 mg/L，COD去除率平均值為92.84%，中值為94.66%。R1和R2兩組反應器均能去除污水中90%以上的COD。

圖3 反應器出水中COD與TN濃度Fig.3 COD and TN concentrations in the effluent

由圖3(B)可知，HRAS出水中TN較不穩定，且隨著溫度升高，HRAS去除TN的能力下降。穩定期結束后，R1出水TN平均值為12.39 mg/L，中值為11.61 mg/L；而在升溫至40 ℃的過程中，R2內微生物受到高溫的影響，使得出水TN持續升高。在溫度保持在40 ℃階段，出水TN平均值為21.21 mg/L，中值21.23 mg/L。

2.1.2 溫度對HRAS降解COD和TN動力學的影響本研究針對不同溫度條件下一個周期中HRAS內COD、TN的動力學變化做了比較分析。

COD對比結果見圖4(A)，在不同的溫度條件下，HRAS內COD呈一致的變化趨勢。由于SBR反應器的進水特點，進水后HRAS內COD較污水COD(1 000 mg/L)有大幅的降低。在厭氧階段，HRAS內COD緩慢下降。好氧階段開始后，HRAS內COD快速下降。在此階段，好氧微生物活性達到最大，大量捕集有機物來進行新陳代謝和生長繁殖，使污水COD快速下降。在45～55 min時，COD下降變慢，表明HRAS已基本完成COD去除。在微曝氣階段，HRAS反應器內DO小于0.5 mg/L,COD較穩定，可判斷此階段HRAS內環境較為平穩，無劇烈生化反應發生。在周期末期觀察到COD緩慢增長，推測該階段微生物處于饑餓的內源性呼吸狀態，分泌了屬于TB-EPS的高分子聚合物[8]。

圖4 一個周期中HRAS內COD、TN濃度Fig.4 The concentration of COD and TN in HRAS in one cycle

對比發現，溫度的提高使HRAS的COD去除速率和去除量顯著提高。在40 ℃條件下，HRAS可在45 min內去除污水中95% COD；而在25 ℃時，在55 min內HRAS僅能去除污水中81% COD。高溫增加了微生物的活性,加快了污染物分子的運動速率，進而增加了污染物分子與EPS接觸的機會，從而提高了微生物捕獲污染物分子的能力。

2.2 快速降溫對HRAS內動力學變化的影響

溫度對微生物的影響是多方面的，會影響到微生物的種群結構、酶活性、胞外聚合物等多個方面。本實驗意在不改變反應器內微生物種群結構的前提下，探究溫度對HRAS的影響。本實驗將R2的溫度由40 ℃降至25 ℃且保持3 d，于降溫前及降溫后3 d分別進行了動力學檢測。

2.2.1 COD 降溫前后HRAS內的COD濃度的動力學結果見圖5，降溫前后HRAS內的COD濃度在厭氧階段出現了較為明顯的區別。據文獻報道，微生物的吸附能力隨溫度的降低而提高[9]，而厭氧微生物在短時間內難以快速降解有機物，所以降溫后，厭氧階段HRAS內的COD由于更活躍的生物吸附作用而明顯低于降溫前。由于好氧反應階段開始時反應器內的COD濃度有很大的差別，所以降溫前后，HRAS在好氧反應階段的COD變化趨勢有很大不同。微曝氣階段，降溫前后HRAS內的COD都保持在較低水平。

圖5 降溫前后一個周期中HRAS內COD濃度Fig.5 COD concentration in HRAS in one cycle before and after cooling

接下來擬合在好氧階段不同反應時間去除的COD的經驗方程。首先假設：(1)厭氧階段反應器的內的COD去除主要是由于生物吸附；(2)好氧階段開始時，反應器內的COD皆為可降解溶解性COD；(3)在好氧階段，反應器內的污水處于完全混合狀態。

滿足以上假設后，好氧反應階段有機污染物的生物降解過程可用Monod方程來描述：

(1)

式中S——在反應過程中不同時刻時，HRAS反應器內的COD濃度，mg/L；

X——在反應過程中HRAS反應器內污泥混合液的質量濃度，g/L；

t——HRAS反應器在好氧反應階段的工作時間，min；

K——反應速率常數；

Ks——飽和常數。

張玉環等指出，式(1)可適當簡化，在好氧階段，HRAS工藝的有機物降解服從1級動力學關系式[10]：

(2)

式中Sr——當反應時間為t時HRAS反應器去除的COD，mg/L；

K1=KX/2.3。

將實驗數據代入式(2)，并利用最小二乘法估計得出K′。最后分別求出在降溫前K=0.015；降溫后K=0.1。故可求得經驗回歸方程：

降溫前：Sr=(680 mg/L)(1-10-0.015 t/min)

降溫后：Sr=(135 mg/L)(1-10-0.1 t/min)

將實際去除的COD與經驗回歸方程計算結果進行比較，結果見圖6。

由圖6可知，實驗結果與經驗回歸方程的模擬結果較為接近。其中，降溫前的實際Sr與擬合Sr的平均相對誤差為13.76%，R2=0.990；降溫后的實際Sr與擬合Sr的平均相對誤差為3.96%，R2=0.994。表明經驗回歸方程的精度高，以此方程建立的動力學模型可以較好地反應降溫前后HRAS在好氧反應階段的COD去除規律。

圖6 降溫前(A)、降溫后(B)好氧階段實際去除COD與回歸模型的對比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降溫前后一個周期中反應器內TN變化見圖7。在厭氧階段，反應器內存在混勻過程，因此反應器內TN在前2 min出現了上升；在后13 min，反應器內TN緩慢下降，降溫前后厭氧階段HRAS的TN去除率分別為8.83%和14.05%。

圖7 降溫前后一個周期中HRAS內TN濃度Fig.7 TN concentration in HRAS in one cycle before and after cooling

反應器在好氧階段處于高DO環境，在硝化作用和生物吸附的共同作用下，HRAS反應器內TN明顯下降，降溫前后好氧階段HRAS的TN去除率分別為41.73%和31.21%。

在微曝氣階段，反應器內變為低DO環境。降溫前反應器內的TN保持平穩，微曝氣階段開始和結束時的TN僅變化了0.02 mg/L；降溫后反應器內的TN持續下降，而硝酸根、亞硝酸根濃度依然小于0.09 mg/L。推測在此條件下下，硝化菌和反硝化菌可以在低活性的狀態下完成硝化、反硝化反應。

3 結論

(1)溫度對HRAS出水COD影響較小，對出水TN影響較大，溫度越高出水TN越高。

(2)在實驗的溫度范圍內，溫度越高HRAS越早完成COD去除。40 ℃時，HRAS可在進水后45 min 內完成污水中95% COD的去除，而在25 ℃時，在55 min 內，HRAS僅能去除污水中81%的COD。

(3)在實驗的COD范圍內，40 ℃時HRAS的COD去除可用一級反應動力學方程Sr=(680 mg/L)(1-10-0.015 t/min)描述，平均相對誤差為13.76%，R2=0.990；降溫到25 ℃后方程變為Sr=(135 mg/L)(1-10-0.1 t/min)，平均相對誤差為3.96%，R2=0.994。