活性污泥混合液對微孔曝氣系統氧傳質效率的影響研究進展

張 鳴

(上海竹園第二污水處理廠，上海 200137)

活性污泥法是城鎮污水生物處理中最常見的工藝，而曝氣供氧是活性污泥法的關鍵步驟。曝氣不僅為微生物的基本生命活動提供足夠的氧氣，而且使污泥保持懸浮狀態，促進氧氣均勻分布。曝氣系統能耗占污水處理廠總能耗的45%～70%[1]，微孔曝氣器因其較高的氧傳質效率而被廣泛應用。然而在實際工況中，由于污染物質的存在，微孔曝氣器在活性污泥混合液中的氧傳質效率明顯低于在清水中測得的理論值。為了優化曝氣能耗，精確量化氧傳質效率并了解其主要影響因素非常重要。本文綜述了活性污泥混合液中各組分對氧傳質效率的影響研究進展，以期為污水處理廠曝氣系統的優化節能運行措施提供參考。

1 氧傳質過程

活性污泥系統是三相共存的系統，其中固體(微生物聚集體)懸浮在混合液中，空氣被通入池底的曝氣設備，形成氣泡上升[2]。氧氣必須從氣相穿過氣液界面轉移到液相，再從液相轉移到微生物絮凝物中。氣液傳質取決于氣泡界面的傳遞特性、液相和氣相的物理化學特性、兩相的局部速度場以及界面的拓撲結構[3]。氣液傳質經典理論有雙膜理論、表面更新理論、淺層理論等[4]。目前應用最多的是雙膜理論，其基于氣液兩相界面存在氣膜和液膜的物理模型，氧氣分子傳質阻力存在于氣膜和液膜[5]。由于氧氣在水中的低溶解度，氣液傳質主要的傳質阻力出現在液膜[6]，通常以液相傳質系數(KL)來表示。氣液兩相接觸面積(a)較難測量，因此常用體積傳質系數，即氧總轉移系數(KLa)來描述污水處理中的氧傳質過程。

假設氧氣通過氣膜的擴散速率遠高于通過液膜的擴散速率，則可以忽略氣膜的阻力。對于一個完整的混合系統，可得到式(1)。

(1)

KLa——氧總轉移系數，s-1；

C*——液相飽和溶解氧質量濃度，mg/L；

C——液相溶解氧質量濃度，mg/L。

在污水中的實際氧傳質效率(αSOTE)一般低于標準氧傳質效率(SOTE)，常用α來衡量實際污水對氧傳質效率的降低效果，即αSOTE與SOTE之比，也可用污水與清水中KLa的比值計算[式(2)]。

(2)

2 活性污泥混合液流體性質對氧傳質的影響

活性污泥混合液是一種極其復雜的多相非牛頓流體，主要包含水(混合液含水率為98.0%～99.7%)、溶質(如碳酸鹽、硝酸鹽和磷酸鹽)和具有可變形表面的絮凝體[如細菌、原生動物、后生動物、胞外聚合物(EPS)和微小顆粒][7-9]。這些絮凝體由于所受剪切應力的不同，可通過絮凝和反絮凝進行重新組合。通常由于環境條件(如溫度、基質、剪切速率、水力負荷)的變化，活性污泥的微觀結構也隨著變化，所有這些變化都會影響活性污泥混合液的流體性質(包括黏度、表面張力等)[10-12]。黏度為剪切應力與剪切速率之比，是評價活性污泥混合液流動和形變的基本參數。流體越黏稠，流動性越差，黏度就越大。由于污泥是非牛頓體，黏度會隨著剪切速率和剪切應力的變化而變化，常用表觀黏度描述這種行為[13-14]。表觀黏度隨著剪切速率的增加而降低，但在極低和較高的剪切速率下表現出牛頓體行為，即剪切稀化現象[12]。

活性污泥混合液流體性質的變化會影響反應器內的湍流、曝氣器產生氣泡的形狀和大小，進而影響氧傳質效果[15]。在研究氧傳質效率時，應將污泥流體性質納入考慮范圍。活性污泥混合液的表觀黏度越大，氣泡停留時間變長且發生并聚，使氣泡尺寸也越大，這導致氣液間接觸面積減少；隨著黏度變大，氣液界面液膜也增厚，使氣泡周圍液體更新速度變慢，傳質阻力變大，液相傳質系數變小，都使氧傳質效率降低。而表面張力是使液體表面積縮小的力，表面張力的增加使氣泡體積變小，較小的氣泡使氣液相比表面積增大，有利于氧傳質。

3 活性污泥混合液中各組分對氧傳質的影響

活性污泥混合液中存在的物質對微孔曝氣器在實際工況中的氧傳質性能有明顯的抑制作用。活性污泥混合液的各組分通過影響混合液黏度，影響氣泡形成、氣液相界面更新速度等。表1列舉了活性污泥混合液各組分對氧傳質的影響效果。

3.1 MLSS和MLVSS

MLSS會阻礙氣相中的氧分子傳遞到液相。在低污泥濃度時，由于污泥具有較大的比表面積，隨著污泥濃度的升高，污泥顆粒增多，增強了污泥混合液的湍流，使得氣液界面不斷更新，提高了氧傳質效率[26]；在污泥濃度升高至一定水平后，污泥濃度越高，污泥越黏稠，顆粒間相互作用更強，污泥表觀黏度越高[7,10-13,15]，污泥混合液湍流程度降低，氣液兩相間更新速度變慢，使氣泡停留時間變長且發生并聚，導致氣泡直徑變大，阻礙氧傳質[16,19,21,25-27]。因此，在保證處理效果的前提下，利用這一規律合理調整污泥濃度[26]，對污水處理廠降低電耗有重要意義。

范海濤等[26]發現當污泥質量濃度低于2 g/L時，KLa隨著污泥濃度的升高而增大；當污泥濃度高于5 g/L時，KLa急劇降低；當污泥質量濃度為12 g/L時，KLa不到2～3 g/L時的1/2。Nittami等[21]發現當MLSS質量濃度為5～20 g/L時，隨著MLSS濃度的升高，α均呈線性或指數下降。Germain等[16]發現當MLSS質量濃度為 7.2～17.9 g/L時，KLa20(20 ℃時氧總轉移系數)急劇下降；當MLSS>17.9 g/L時，KLa20降至最低，不隨著MLSS濃度的進一步升高而降低。Durn等[28]發現MLSS與Ostwald-de Waele流變模型中稠度指數和流動指數密切相關，由于MLSS濃度的增加，污泥黏度升高，促進氣泡間聚結；污泥在氣泡上施加了黏彈性應力，使氣泡生成時間變長；黏度升高導致氣泡阻力系數升高，降低氣泡上升速度，這些都導致了KLa值降低。

懸浮固體中的揮發性成分MLVSS由細菌、原生動物和PS等組成，可結合大量自由水，而污泥中有機物結合的水越多，所形成的污泥絮凝體體積就越大。隨著MLVSS濃度的升高，污泥絮凝體傾向于與氣相界面接觸，進而減少氣液相傳質比表面積。Kim等[18]發現α隨MLSS濃度升高呈指數下降，隨MLVSS濃度升高呈線性下降，其認為MLVSS與α因子具有較高的相關性。Henkel等[19]發現隨著MLVSS濃度的升高，α逐漸減小。

表1 活性污泥混合液各組分對氧傳質的影響效果Tab.1 Effect of Components of Activated Sludge Mixture Liquor on Oxygen Transfer Efficiency

3.2 溶解性有機污染物

溶解性有機物是指能通過0.45 μm濾膜的有機物質。污水中的溶解性有機物包括天然有機物和污水處理過程中產生的可溶性微生物產物等。由于可溶性且易生物降解的基質在氣泡表面上快速積累，大大降低了氧傳質效率[29-30]。Mery-Araya等[31]、Jiang等[20]、Yuan等[32]、Zhao等[33]、Fan等[34]已通過試驗證明了進水有機負荷率對曝氣效率的影響，并且可根據有機物濃度，對污水處理廠進行精確曝氣，可實現對污水處理廠節能降耗運行。

Jiang等[20]通過24 h實時監測污水處理廠相應指標，發現COD與α呈負相關關系(r2=0.7)；隨著COD濃度升高，氧傳質效率也進一步降低。Germain等[16]發現可溶性有機物質量濃度為54～198 mg/L時，會阻礙活性污泥系統中氧傳質，并將這種影響歸因于表面活性劑。Jamnongwong等[35]發現隨著葡萄糖質量濃度由0.05 g/L升至100 g/L時，黏度逐漸升高，氣泡直徑逐漸變小，KL由4.6×10-4ms-1降至2.2×10-4ms-1。Rivas-Interin等[3]探究葡萄糖和蔗糖對氧傳質的影響，發現相對于清水，葡萄糖和蔗糖表觀黏度分別增加了16%和24%；在葡萄糖溶液中，氣泡直徑減少了27%，并且指出水溶液中葡萄糖抑制氣泡聚結的現象可能歸因于溶劑化和表面張力的變化。Ahmed等[36]發現在活性污泥中，由于添加纖維素和乙酸鈉，α因子在低風量下分別降低了48%和19%，在高風量下無變化；在失活污泥中，不論風量高低，α因子都因乙酸鈉的添加而降低。

3.3 電解質

電解質在生活污水和工業廢水中普遍存在[37-41]，它會影響溶液的離子強度，改變氣泡分子間作用力和液膜的表面流變性，阻礙氣泡的聚結，從而影響氣液相間氧傳質[42-43]。電解質對氣泡聚結的阻礙作用，可歸結于以下幾方面原因：雙電層排斥[44-45]、Gibbs-Marangoni效應[46]、液體黏度的變化[43,47]、氣體溶解度的降低[3]等。電解質增大了液體黏度，延緩了氣泡的聚結，使氣泡尺寸變小，氣液傳質面積變大；但液體黏度增大使得氣泡周圍液體更新速度變慢，傳質阻力變大，KL變小。而且電解質濃度的增加會引起活性污泥顆粒的大小和形狀的變化，可能會導致氧傳質效率的降低。

3.4 表面活性劑

表面活性劑通常用于洗滌劑、清潔劑、化妝品、紡織品工業中[48-49]，其對氧傳質的抑制作用在污水處理領域被廣泛研究[6,22,50-55]。表面活性劑是微溶的大有機分子，具有強親水性頭部和強疏水性脂肪族或芳香族尾部，由8～20個碳原子組成[56-58]。根據極性基因解離性質分為陰離子、陽離子、兩性離子和非離子表面活性劑[54]，其中陰離子表面活性劑在日常生活和工業生產中應用最廣泛。

表面活性劑降低氣液界面的表面張力，延緩了氣泡的聚結，使氣泡尺寸變小，較小的氣泡會增加比表面面積，降低氣泡上升速度并提高氣體滯留率，改善氧傳質效率。Campbell等[22]發現陰離子表面活性劑十二烷基硫酸鈉(SDS)分子形成的晶格結構影響氫鍵作用，使氫鍵在氣泡的氣液界面均勻分布，當污水中SDS質量濃度為10 mg/L時，水力停留時間為10 d和20 d的氧傳質效率(OTE)分別增加了13.1%和8.3%。

另一方面，由于化學排斥，表面活性劑分子親水性頭部在氣液界面聚集，疏水性尾部在氣泡內排列，覆蓋部分氣泡表面，使得氣泡表面剛度增加，而且由于氣泡內疏水性尾部的存在，降低了氣相傳質膜的更新，抑制氣液界面運動，傳質阻力變大，液相傳質系數降低，減少了空氣向液相的擴散[22,52,59]。Kotti等[51]探究陽離子和陰離子表面活性劑對氧傳質效率的影響，發現KLa(清水)>KLa(陽離子表面活性劑)>KLa(陰離子表面活性劑)，且陰離子表面活性劑還使液體黏度增加，阻礙氧傳質。Rosso等[23]發現SDS分子向氣液界面移動，阻礙了界面更新，與清水試驗相比，KLa降低了30%～70%。羅濤等[41]在中試規模通過添加不同濃度的十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)，發現隨著SDBS濃度的升高，KLa不斷降低，在SDBS質量濃度為10 mg/L時達到最低。而隨著SDBS濃度繼續升高，KLa逐漸升高。這表明在一定濃度范圍內，隨著SDBS濃度的升高，界面阻力不斷升高，表面活性劑使氣泡呈剛性，抑制表面湍流；而隨著SDBS濃度的繼續升高，剪切應力增大，破壞剛性表面膜，進而促進氧傳質。

3.5 絲狀菌和菌膠團菌

絲狀菌是活性污泥工藝中常見的好氧細菌[60]。絲狀菌的菌絲較長，柔軟又纖細的菌絲難以刺破氣泡，而是直接黏附于氣液界面，降低了液膜更新，增加了液膜厚度，直接導致KLa降低[60]。同時絲狀菌的菌絲傾向于增加污泥絮體的有效流體力學半徑，進而導致活性污泥混合液表觀黏度的增加，阻礙氣液界面的氧氣轉移，同時增強了氣泡的并聚，使氣泡尺寸變大，進一步降低氧傳質效率[24,27,60-61]。Wu等[60]發現引起污泥膨脹的絲狀菌Thiothrixeikelboomii也會阻礙氧傳質；且在相同的污泥濃度下，絲狀菌大量存在導致污泥表觀黏度升高，使得團狀污泥的氧傳質系數比絮凝狀污泥降低了43%。Liu等[61]也發現長菌絲會增加混合液黏度，降低氧傳質效率。Campbell等[24]發現當菌絲長度由9.61×106μm/g增至6.88×107μm/g時，表觀黏度增加41.4%，KLa降低了24.6%。這與另一研究結果一致，當絲狀菌的菌絲長度由2.0×109μm/g增加至6.0×1010μm/g，表觀黏度由4.5×10-4m2/s增加至1.2×10-3m2/s，氧傳質效率下降了29%[27]。

在正常情況下，絲狀菌和菌膠團比例均衡，可以積聚成不規則致密結實的絮體結構，從而產生性質良好的活性污泥[62]。在污泥膨脹情況下，絲狀菌不斷膨脹形成大絮體，絮體對水流攪拌作用減弱，邊界層厚度增加，傳質阻力增加，并且絮體還使反應器中氧傳質路徑改變，使得局部溶解氧濃度不均，導致KLa降低[63]。李志華等[63]對污泥膨脹條件下的絲狀菌進行結構分析，當膨脹進入中后期，發硫菌為優勢菌，KLa從0.34 min-1降至0.25 min-1。活性污泥混合液中絲狀菌密度越大，污泥沉降比(SV30)越高[22,24,27,64]。因此,Campbell等[29]采用SV30評價絲狀菌對氧傳質效率的影響，當SV30由20%增加至100%時，混合液表觀黏度增大，氧傳質效率降低了28%。在極端情況(如污水水溫低且污泥負荷過高或進水營養物質缺乏)，菌膠團菌會分泌大量黏性物質引起黏性膨脹[65-66]，導致混合液黏度增加，極有可能降低氧傳質效率，但由于出現頻率較低且調控相對容易，黏性膨脹對氧傳質過程的影響暫未見文獻報道。因此，控制污泥膨脹不僅有利于污泥的沉降，還有利于氧傳質。

3.6 EPS

活性污泥絮凝體是由多種微生物、有機顆粒、無機顆粒，以及被EPS包圍的死細胞組成的異質結構[67]。EPS是一種復雜的高分子聚合物混合物，由PS、PN、腐植酸、糖醛酸、核酸和脂質等組成[67]。在活性污泥工藝反應器中，微生物以聚集體的形式存在，如生物膜、污泥絮凝物和顆粒，EPS圍繞微生物聚集體形成對外部應力三維保護性基質[68]。大量研究表明，EPS與絮凝強度、表面特性、絮凝體大小密切相關[67-72]。Germain等[16]發現EPS通過促進大絮凝物的形成，增加了絮凝物的孔隙率，從而增加擴散性，提高氧傳質效率。

Fan等[34]發現污水進水F/M值高會導致EPS產生增加，進而阻礙氧傳質。Capodici等[25]將KLa與PN和PS相關聯，發現在傳統活性污泥法和膜生物反應器中KLa與PN/PS呈現良好的相關性，當PN/PS從5增加到8時，傳統活性污泥法中的KLa幾乎增加了100%，而膜生物反應器中的KLa增加了50%。當PN/PS最大時，因絲狀菌的過度生長和絮凝作用，導致活性污泥形態向絮狀結構轉變，這可能有利于氧傳質。此外，由于EPS中PN的含量高于PS，且PN呈疏水性，增加了活性污泥的疏水性，又因為氣泡的疏水性，活性污泥絮凝物之間產生疏水相互作用，所以EPS中PN的增加改善了氧傳質效率。Wu等[60]觀察污泥形態發現，親水性的PS和疏水性的PN可能構成了像“兩親性分子”的表面活性劑，影響污泥絮凝性和黏度，使KLa降低。

4 結論

本文總結了活性污泥混合液中MLSS、溶解性有機物、電解質、EPS、表面活性劑和絲狀菌等對微孔曝氣器氧傳質效率的影響，其中MLSS是影響氧傳質效率的關鍵因素。活性污泥混合液組分主要通過改變活性污泥流體性質(如黏度、表面張力)影響氣泡形成、氣泡大小、氣泡聚結和氣液傳質比表面積等，進而影響氧傳質效率。各組分對氧傳質的影響效果總結如下。

(1)活性污泥混合液的MLSS影響污泥黏度和氣液相界面更新速度，進而影響氧傳質效率，并且混合液揮發性懸浮固體MLVSS與α有較高的相關性。

(2)由于可溶性且易生物降解的基質在氣泡表面上快速積累，大大降低了氧傳質效率。

(3)不同性質的電解質可通過改變氣泡間作用力、黏度和表面張力等，影響氣泡大小和聚結、氣體滯留率和傳質比表面積等，進而阻礙或改善氧傳質效率。

(4)表面活性劑由于獨特的親疏水性結構，一方面抑制氣泡聚結，使氣泡尺寸變小，傳質比表面積變大，改善氧傳質效率；另一方面使污泥黏度升高，影響氣泡形成，使液側傳質系數降低。

(5)具有細長菌絲的絲狀菌，菌絲阻礙氣液界面更新，影響污泥絮凝體結構，使混合液表觀黏度變大。EPS通過影響污泥絮凝體表面性質、大小和親疏水性，影響氧傳質效率。

5 展望

為了綜合考慮活性污泥混合液中影響氧傳質效率的所有因素，有必要開發動態耦合數學模型解釋多個參數。該模型允許污水處理廠操作人員對曝氣系統不同方案進行評估和運行，模型對優化污水處理廠曝氣系統運行調控非常有價值。另外，近年來污水中的新興污染物(如藥品、個人護理品、激素、農藥和納米材料等)備受人們廣泛關注，但對氧傳質過程的研究還相對空缺，對活性污泥混合液組分對氧傳質的影響機制還需完善。