微壓內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器與序批式反應(yīng)器的污染物去除及污泥特性比較*

邊德軍 王喜超 艾勝書,4 王 帆 劉松林 朱遂一

(1.吉林省城市污水處理重點實驗室，吉林 長春 130012；2.長春工程學(xué)院水利與環(huán)境工程學(xué)院，吉林 長春 130012；3.東北師范大學(xué)吉林省城市污水處理與水質(zhì)保障科技創(chuàng)新中心，吉林 長春 130117；4.吉林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，吉林 長春 130021)

微壓內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器(MPSR)是在序批式反應(yīng)器(SBR)基礎(chǔ)上研制的一種新型污水處理裝置。MPSR通過增加反應(yīng)器出口水位高度以產(chǎn)生微小壓力來提高氧的傳質(zhì)效率，并使溶解氧(DO)在反應(yīng)器內(nèi)存在空間差異，形成厭氧、缺氧、好氧3種環(huán)境，有利于污染物的去除。邊德軍[1]利用智能流速儀和示蹤粒子圖像法研究分析MPSR內(nèi)流速、DO濃度分布顯示，MPSR內(nèi)流速由外向內(nèi)逐漸減小，外環(huán)流速高達(dá)36 mm/s，而內(nèi)環(huán)流速低于3 mm/s；DO濃度也呈現(xiàn)明顯的由外向內(nèi)的梯度變化，外環(huán)DO質(zhì)量濃度達(dá)到2.02 mg/L，內(nèi)環(huán)DO質(zhì)量濃度低于0.05 mg/L。萬立國等[2]的研究結(jié)果顯示，采用同一接種污泥，MPSR和SBR平行運行91個周期后，兩個反應(yīng)器內(nèi)微生物種群數(shù)有明顯差異。這可能是因為MPSR和SBR內(nèi)部不同的DO環(huán)境及流態(tài)影響了微生物生長繁殖和代謝，進(jìn)而影響污泥特性[3-5]。

本研究在MPSR和SBR中接種同一污泥，通過對比研究MPSR和SBR在相同運行條件下的COD、TP、氨氮和TN去除效果，并對污泥胞外聚合物(EPS)、脫氫酶活性(DHA)、粒徑以及硝化和反硝化速率等特性進(jìn)行分析，重點嘗試從污泥特性角度闡明兩種反應(yīng)器的區(qū)別。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置與運行條件

實驗裝置見圖1，兩個反應(yīng)器設(shè)計有效容積均為36 L。SBR尺寸為300 mm×300 mm×500 mm；MPSR主反應(yīng)區(qū)直徑900 mm，高度90 mm，微壓力形成區(qū)130 mm×90 mm×400 mm。MPSR污泥樣品為圖1中9個點位的混合液樣品，SBR污泥樣品在反應(yīng)器中液面下200 mm左右處取樣。接種污泥取自長春市某污水處理廠曝氣池，初始混合液懸浮固體(MLSS)質(zhì)量濃度為2 000 mg/L。兩個反應(yīng)器每日均運行兩個周期，每個周期12 h，采用非限制性曝氣方式在進(jìn)水開始的同時進(jìn)行曝氣(曝氣量為1.5 L/min)，進(jìn)水共5 min，曝氣共8 h，然后沉淀3 h，排水10 min，閑置50 min，污泥齡(SRT)為22 d，排水比為0.5，運行溫度為(20±1) ℃。

圖1 實驗裝置示意圖

1.2 污水水質(zhì)

實驗所用污水通過人工模擬配制，1 L污水中含淀粉0.13 g、牛肉膏0.02 g、蛋白胨0.02 g、乙酸鈉0.46 g、NH4Cl 0.13 g、KH2PO40.015 g、NaHCO30.15 g、MgSO40.006 g、CaCl20.012 5 g、FeSO40.012 5 g、微量元素溶液1 mL。其中微量元素溶液組成為1 L溶液中含ZnCl20.05 g、CuSO40.02 g、MnSO40.027 g、AlCl30.05 g、CoCl20.023 g。

1.3 檢測方法

出水水樣中COD、TP、氨氮和TN均達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級A標(biāo)準(zhǔn)后，開始正式檢測進(jìn)出水污染物指標(biāo)濃度，每兩天檢測一次，共檢測27 d。水樣經(jīng)中性定性濾紙過濾后檢測。同時，取污泥樣品檢測EPS、DHA、粒徑、硝化和反硝化速率。

COD采用重鉻酸鉀法測定；氨氮采用納氏試劑分光光度法測定；TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定；TP采用鉬酸銨分光光度法測定；硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮采用瑞士萬通885離子色譜儀測定；MLSS采用重量法測定；EPS采用熱提取法提取,其中的多糖采用蒽酮比色法測定,蛋白質(zhì)采用Folin酚試劑法測定，均以單位質(zhì)量MLSS中的EPS質(zhì)量計；DHA采用2,3,5-氯化三苯基四氮唑(TTC)法測定；粒徑采用荷蘭艾米德EyeTech激光粒度粒型分析儀測定；硝化與反硝化速率采用文獻(xiàn)[6]的方法測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 污染物去除效果

圖2是兩個反應(yīng)器穩(wěn)定運行期間的COD去除曲線。兩個反應(yīng)器進(jìn)水COD平均質(zhì)量濃度均為349.4 mg/L，SBR出水COD平均質(zhì)量濃度為28.2 mg/L，平均去除率為91.93%；MPSR出水COD平均質(zhì)量濃度為21.0 mg/L，平均去除率為93.99%。

圖3是兩個反應(yīng)器穩(wěn)定運行期間的TP去除曲線。兩個反應(yīng)器進(jìn)水TP平均質(zhì)量濃度均為3.92 mg/L，SBR出水TP平均質(zhì)量濃度為0.16 mg/L，平均去除率為95.92%；MPSR出水TP平均質(zhì)量濃度為0.05 mg/L，平均去除率為98.72%。

圖3 TP去除曲線

圖4為兩個反應(yīng)器穩(wěn)定運行期間的氮去除曲線。由圖4(a)可見，兩個反應(yīng)器進(jìn)水TN平均質(zhì)量濃度均為34.7 mg/L，SBR出水TN平均質(zhì)量濃度為11.7 mg/L，平均去除率為66.28%；MPSR出水TN平均質(zhì)量濃度為8.4 mg/L，平均去除率為75.79%，MPSR對TN的去除率比SBR高出9.51百分點。由圖4(b)可見，兩個反應(yīng)器進(jìn)水氨氮平均質(zhì)量濃度為32.70 mg/L，SBR出水氨氮平均質(zhì)量濃度為0.38 mg/L，平均去除率為98.84%；MPSR出水氨氮平均質(zhì)量濃度為0.40 mg/L，平均去除率為98.78%，兩反應(yīng)器氨氮去除效果基本相同。由于TN去除率存在差異，而氨氮去除率幾乎無差異，因此進(jìn)一步檢測兩個反應(yīng)器出水的亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮，發(fā)現(xiàn)沒有亞硝態(tài)氮檢出，MPSR出水硝態(tài)氮平均質(zhì)量濃度為7.9 mg/L，SBR為10.3 mg/L。由此可見，MPSR主要是反硝化脫氮能力強于SBR。

圖4 氮去除曲線

總體而言，MPSR對碳、氮、磷的去除能力均強于SBR，主要是由于MPSR的反硝化能力強于SBR，原因可能是：(1)MPSR中反硝化菌比例高于SBR；(2)受內(nèi)循環(huán)流態(tài)影響，MPSR污泥絮體粒徑小于SBR，DO更易透過絮體因而利用率更高，同時吸附污染物的能力也更強；(3)MPSR在曝氣階段存在DO濃度不同的區(qū)域，有利于進(jìn)行同步硝化反硝化(SND)。

2.2 污泥EPS、DHA

兩個反應(yīng)器中污泥EPS比較如表1所示。MPSR和SBR的總EPS分別為27.79 、22.40 mg/g。MPSR和SBR中均沒有檢測到松散層多糖，而緊密層多糖分別為19.21、16.82 mg/g；MPSR和SBR中松散層蛋白質(zhì)分別為0.47、0.22 mg/g，緊密層蛋白質(zhì)分別為8.11、5.36 mg/g。污泥EPS中的多糖具有黏性，在污泥絮體對有機污染物初期物理吸附過程中有非常重要的作用，具有很高的COD去除效果。蛋白質(zhì)與多糖的比值能反應(yīng)污泥的親疏水性[7]。MPSR污泥EPS中蛋白質(zhì)與多糖質(zhì)量比為0.447，大于SBR的0.332，表明MPSR的污泥疏水性比SBR好，因而MPSR的污泥沉淀脫水性能更強。周健等[8]研究證明，EPS還具有一定的除磷能力。

MPSR和SBR的DHA分別為68.5、115.9 mg/(g·h)，相比于MPSR，SBR中的DHA處于較高的狀態(tài)。王建輝等[9]研究發(fā)現(xiàn)，一個周期內(nèi)的曝氣階段DHA隨氨氮濃度的減小而降低。由于SBR的硝化過程沒有MPSR快，因而會影響其反硝化過程。本研究中，曝氣階段氨氮的降解過程如圖5所示，可以看出SBR的硝化過程沒有MPSR快。當(dāng)進(jìn)水氨氮濃度相同時，MPSR曝氣5 h，氨氮質(zhì)量濃度就可以降至0.82 mg/L，而SBR則需要將近6 h。

表1 MPSR和SBR污泥中的EPS

圖5 曝氣階段MPSR和SBR內(nèi)氨氮降解過程

2.3 污泥粒徑分布

MPSR和SBR中的污泥粒徑體積分?jǐn)?shù)如圖6所示。MPSR中106.28 μm的污泥體積分?jǐn)?shù)最大，SBR中146.41 μm的污泥體積分?jǐn)?shù)最大。SBR中粒徑大于106.28 μm的污泥累積體積分?jǐn)?shù)有81.65%，而MPSR中只有59.13%?？傮w而言，MPSR的污泥粒徑比SBR小，因此MPSR的污泥吸附能力更強。KLANGDUEN等[10]研究認(rèn)為，適當(dāng)粒徑(50～110 μm)的污泥有利于SND的進(jìn)行。從本研究的測定結(jié)果來看，MPSR中更有可能存在有利于SND進(jìn)行的微環(huán)境。SBR污泥粒徑大于MPSR的主要原因可能是水力條件不同，在SBR中有較大的渦流區(qū)，更多的污泥易受渦流二次流影響，容易發(fā)生剪切凝聚；MPSR雖然在中心有較大的渦流結(jié)構(gòu)[11]，但由于污泥重力、氣體推動力及混合液黏滯力的相對平衡，實際上在反應(yīng)器中心并不會有渦流形成。

2.4 污泥硝化與反硝化速率

圖6 污泥粒徑體積分?jǐn)?shù)

表2 污泥硝化與反硝化速率測定結(jié)果

硝化速率與反硝化速率測定結(jié)果如表2所示。MPSR污泥硝化速率及比硝化速率分別為4.26 mg/(L·h)和1.47 mg/(g·h)，SBR污泥硝化速率及比硝化速率分別為3.59 mg/(L·h)和1.50 mg/(g·h)。兩個反應(yīng)器比硝化速率幾乎沒有差別，說明MPSR和SBR的硝化能力基本相當(dāng)。

兩個反應(yīng)器的反硝化過程都有明顯的3個變化階段。MPSR在第1、2、3段的反硝化速率分別為17.23、3.84、2.12 mg/(L·h)，比反硝化速率分別為7.53、1.68、0.93 mg/(g·h)，平均比反硝化速率為3.38 mg/(g·h)。SBR在第1、2、3段的反硝化速率分別為11.65、4.51、1.57 mg/(L·h)，比反硝化速率分別為5.83、2.26、0.79 mg/(g·h)，平均比反硝化速率為2.96 mg/(g·h)。第1段比反硝化速率最大，此階段微生物和菌膠團大量吸附硝態(tài)氮，反硝化菌充分利用易生物降解的有機物進(jìn)行脫氮，水中硝態(tài)氮下降較快，在反應(yīng)20 min左右時，MPSR中硝態(tài)氮質(zhì)量濃度下降了6.6 mg/L，而SBR中硝態(tài)氮質(zhì)量濃度僅下降了4.2 mg/L，MPSR的比反硝化速率要比SBR大1.82 mg/(g·h)。兩個反應(yīng)器反硝化過程的第2段相比第1段比反硝化速率都明顯變小，因為此階段水中快速可生物降解有機物已幾乎消失殆盡，反硝化菌通過中慢速可生物降解有機物獲得電子還原含氮化合物。在第3段，反硝化菌通過內(nèi)源代謝進(jìn)行反硝化，因此比反硝化速率最小。從第2、3段的比反硝化速率看，兩個反應(yīng)器的反硝化水平相差不大。MPSR的平均比反硝化速率比SBR大0.42 mg/(g·h) 。由此可見，MPSR反硝化能力大于SBR，并且主要差別體現(xiàn)在第1段，這也進(jìn)一步驗證了2.1節(jié)中的結(jié)論。

3 結(jié) 論

MPSR對碳、氮、磷的去除能力強于SBR，主要是MPSR的反硝化能力強于SBR。MPSR中總EPS濃度高于SBR，并且MPSR中蛋白質(zhì)與多糖質(zhì)量比也大于SBR，因而MPSR的污泥沉淀脫水性能更強，除磷效果更好。MPSR污泥的粒徑總體小于SBR，也有利于提高M(jìn)PSR的污泥吸附性能。MPSR和SBR的硝化能力基本相當(dāng)，但反硝化能力MPSR大于SBR。