PAC對SBR系統(tǒng)中傳質(zhì)-反應(yīng)過程的影響研究

萬 俐，席英偉，王鴻斌

(1.成都大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，成都 610106；2.四川省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測總站,成都 610091)

前 言

污水處理過程實質(zhì)是傳質(zhì)—反應(yīng)過程，活性污泥微生物進行生化反應(yīng)分解代謝污水中的污染物質(zhì)，必伴隨著傳質(zhì)過程的進行。絮凝劑用于預(yù)處理活性污泥污水處理系統(tǒng)，其殘余量隨著水流進入后續(xù)反應(yīng)系統(tǒng)對系統(tǒng)內(nèi)的活性污泥及其微生物活性的影響各不相同，同一絮凝劑對不同指標(biāo)的影響趨勢也不完全一致[1～3]。由于殘余絮凝劑對活性污泥的作用，除了對活性污泥微生物自身的生物特性等的影響[2]，還會對反應(yīng)系統(tǒng)在污水處理過程中的傳質(zhì)機制產(chǎn)生影響，從而影響活性污泥及其微生物的活性，進而影響污水處理效果。

SBR為好氧生物污水處理系統(tǒng)，則曝氣過程成為系統(tǒng)的重要能耗控制單元。溶解氧的傳質(zhì)速率是描述曝氣過程效率的一個非常重要的指標(biāo)，溶解氧傳質(zhì)速率越高說明反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)氧化還原反應(yīng)速率越高、污水處理效果越好，即提高溶解氧傳質(zhì)速率是降低好氧污水處理工藝能耗的最直接有效的手段。反應(yīng)系統(tǒng)中基質(zhì)的擴散可通過減小活性污泥絮凝體的尺度縮短傳質(zhì)距離，從而提高其傳質(zhì)速率。EPS普遍存在于活性污泥絮體的表面和內(nèi)部，EPS的特性對活性污泥絮體的尺度起著至關(guān)重要的作用[4～7]，EPS中的蛋白質(zhì)是好氧顆粒污泥的形成的關(guān)鍵[8～12]，EPS及其蛋白質(zhì)含量與反應(yīng)系統(tǒng)的傳質(zhì)有著密切的聯(lián)系。

PAC廣泛用于各污水處理廠[13]，為探索PAC對活性污泥活性的影響，通過實驗對加入PAC的SBR反應(yīng)系統(tǒng)以及空白系統(tǒng)中kLa的分析，并進一步分析殘余絮凝劑對活性污泥EPS的影響與系統(tǒng)傳質(zhì)的相關(guān)性，從而考察殘余絮凝劑對活性污泥傳質(zhì)機制的影響情況，進一步分析殘余絮凝劑對SBR系統(tǒng)中活性污泥活性的影響機理。

1 材料與方法

1.1 實驗方法

實驗采用2個SBR反應(yīng)器，由有機玻璃制成，工作容積8L。實驗利用時間程序控制器自動運行，實驗運行周期為8h包括：進水、攪拌、曝氣、沉淀、排水，反應(yīng)裝置如圖1所示。接種污泥采用四川省成都市高新西區(qū)污水處理廠干污泥，污水為人工配水，配制藥劑及水質(zhì)參數(shù)如表1所示。每個運行周期進水后向反應(yīng)器投入10mg/LPAC，另1個反應(yīng)器為空白對照。反應(yīng)期間利用溶氧儀實時監(jiān)測各反應(yīng)系統(tǒng)的溶解氧濃度(DO)，并利用空氣流量計將DO控制在2.5～3mg/L之間。

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of test equipment

表1 配制藥劑濃度及進水水質(zhì)參數(shù)Tab.1 Preparation of reagents concentration and inlet water quality parameters

1.2 KLa測定方法

圖2 檢測裝置圖Fig.2 Detection device diagram

實驗采用如圖2所示的裝置進行溶解氧濃度變化情況的檢測，測量裝置由有機玻璃制成，工作容積1 L(內(nèi)徑d=8 cm)，裝置上端設(shè)有通氣孔，底部設(shè)有曝氣砂芯曝氣，并用流量計維持恒定曝氣量，依靠攪拌器以恒定的轉(zhuǎn)速保證泥水均勻混合，利用溶氧儀監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)溶解氧濃度，并與電腦連接采集數(shù)據(jù)。實驗于25℃的空調(diào)房內(nèi)操作以維持實驗溫度的穩(wěn)定。具體實驗方法如下。

(1)取反應(yīng)系統(tǒng)曝氣剛好停止時的泥水混合液500 mL于測量裝置內(nèi)(此500 mL泥水混合液待測定完成后，作為反應(yīng)系統(tǒng)排泥量排出，即本研究SBR反應(yīng)系統(tǒng)的污泥齡為16 d)。

(2)曝氣，使裝置內(nèi)污泥溶解氧達到飽和并平穩(wěn)5 min左右，停止曝氣。

(3)攪拌，關(guān)閉通氣孔保證裝置內(nèi)的密閉性，當(dāng)溶解氧下降到1 mg/L左右，停止攪拌。

(4)繼續(xù)曝氣，打開通氣孔維持裝置內(nèi)外氣壓平衡，直到溶解氧達到飽和并平穩(wěn)15～20 min后完成測試。

(5)將數(shù)據(jù)擬合得到kLa值(如圖3所示)，第一次曝氣停止后溶解氧曲線的下降斜率為污泥耗氧速率OUR，第二次曝氣即得出溶解氧變化速率：

(1)

公式(1)中:kLa—體積溶氧傳遞系數(shù)，min-1；

OUR—污泥耗氧速率，mg/L·min;

C∞—飽和溶解氧濃度，mg/L；

C—為溶解氧濃度，mg/L。

圖3 kLa擬合示意圖 Fig.3 KLa fitting schematic diagram

1.3 EPS中蛋白質(zhì)含量測定方法

EPS提取方法采用加熱法[11-12]；蛋白質(zhì)檢測采用改進型Lowry法，以牛血清蛋白作為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。

2 結(jié)果討論

2.1 殘余PAC對SBR系統(tǒng)kLa影響分析

通過考察加入PAC、空白兩個反應(yīng)系統(tǒng)中KLa的變化情況，結(jié)果如圖4所示。

在PAC系統(tǒng)內(nèi)，kLa一直低于空白，平穩(wěn)至13 d后，隨著殘余PAC在SBR系統(tǒng)中的不斷積累，kLa迅速降低最終于第31 d低于檢出限。說明殘余PAC進入SBR系統(tǒng)不利于系統(tǒng)內(nèi)活性污泥的溶解氧傳質(zhì)，并且隨著殘余PAC不斷進入，會抑制反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)的溶解氧傳質(zhì)，從而抑制反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)的氧化還原等生化反應(yīng)，從而使污水處理效果降低。分析原因，PAC對活性污泥微生物有生物毒性作用，且能抑制活性污泥微生物活性[14]。由于殘余PAC對反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)活性污泥微生物的毒性作用是生物累積作用的結(jié)果，反應(yīng)前13 d內(nèi)殘余PAC量較少、生物毒性較弱，較其生物毒性作用，殘余PAC的絮凝特性對活性污泥絮體發(fā)揮的作用更大，反應(yīng)系統(tǒng)的氧化還原反應(yīng)也較正常，則反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)kLa相對較穩(wěn)定。隨著殘余PAC不斷進入反應(yīng)系統(tǒng)，其生物毒性作用逐漸增強對反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)活性污泥微生物活性的抑制作用也逐漸加強。在反應(yīng)系統(tǒng)中，殘余PAC除對活性污泥微生物的毒性作用外，其還可以通過破壞活性污泥微生物細胞的細胞壁、細胞膜，使細胞滲透功能紊亂、細胞膜流動受阻[15-16]?；|(zhì)中的溶解氧需要通過EPS、細胞壁、細胞膜等傳質(zhì)進入活性污泥微生物細胞內(nèi)，則在13 d后隨著殘余PAC不斷進入反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)，反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)的kLa快速降低并于30 d后低于檢出限。此外，第37 d開始阻止殘余PAC進入反應(yīng)系統(tǒng)，均未能檢測出kLa。

圖4 PAC系統(tǒng)中kLa變化趨勢Fig.4 Variation trend of kLa in PAC system

2.2 PAC投加對EPS中蛋白質(zhì)含量的影響

蛋白質(zhì)作為EPS中的重要組分，與EPS的疏水特性緊密相關(guān)，對PAC和空白反應(yīng)系統(tǒng)中EPS的蛋白質(zhì)含量及其所占比例變化情況進行研究，結(jié)果如圖5所示。在PAC系統(tǒng)內(nèi)EPS的蛋白質(zhì)含量均低于空白系統(tǒng)，并且隨著PAC的加入蛋白質(zhì)含量平緩至10 d左右后迅速下降，此趨勢與圖4所示的kLa變化趨勢一致。通過對PAC系統(tǒng)中反應(yīng)30 d內(nèi)的kLa與EPS的蛋白質(zhì)含量的相關(guān)性分析，求得相關(guān)系數(shù)r=0.9462，則兩者表現(xiàn)為顯著正相關(guān)性。這說明在PAC系統(tǒng)中，EPS中的蛋白質(zhì)對溶解氧傳質(zhì)的有著重要的影響作用，EPS中的蛋白質(zhì)含量的升高能促進溶解氧的傳質(zhì)，進而提高生化反應(yīng)率、促進活性污泥活性。此外，第31 d后PAC系統(tǒng)中的kLa值已低于檢出限，則kLa與EPS的蛋白質(zhì)含量的正相關(guān)性并不適用于說明本研究的整個反應(yīng)周期，僅對反應(yīng)的前30 d內(nèi)適用。

圖5 PAC系統(tǒng)中前30 d EPS的蛋白質(zhì)含量變化趨勢Fig.5 Variation trend of protein content of EPS in the first 30 d in PAC system

2.3 PAC系統(tǒng)中kLa與EPS的蛋白質(zhì)含量的相關(guān)性分析影響

傳統(tǒng)的活性污泥系統(tǒng)中或多或少有好氧顆粒污泥的存在，相對于活性污泥絮體，顆粒污泥在氣液傳質(zhì)上有著更明顯的優(yōu)勢。EPS及其蛋白質(zhì)組分在好氧顆粒污泥形成的過程中扮演著重要角色，在顆?；^程中EPS的蛋白質(zhì)含量和蛋白/多糖比值明顯增大，并與疏水性、表面電荷等污泥表面特性指標(biāo)呈正相關(guān)[17]。通過對PAC系統(tǒng)中反應(yīng)30 d內(nèi)的kLa與EPS的蛋白質(zhì)含量的相關(guān)性分析，求得相關(guān)系數(shù)r=0.9462，則兩者表現(xiàn)為顯著正相關(guān)性。這說明在PAC系統(tǒng)中，EPS中的蛋白質(zhì)對溶解氧傳質(zhì)的有著重要的影響作用，EPS中的蛋白質(zhì)含量的升高能促進溶解氧的傳質(zhì)，進而提高生化反應(yīng)率、促進活性污泥活性。此外，第31 d后PAC系統(tǒng)中的kLa值已低于檢出限，則kLa與EPS的蛋白質(zhì)含量的正相關(guān)性并不適用于說明本研究的整個反應(yīng)周期，僅對反應(yīng)的前30 d內(nèi)適用。

3 結(jié) 論

3.1 PAC可對活性污泥微生物造成生物毒性，降低SBR系統(tǒng)中kLa及活性泥泥EPS的蛋白質(zhì)含量，阻礙系統(tǒng)內(nèi)的傳質(zhì)-反應(yīng)過程；且隨著PAC在系統(tǒng)中的積累，系統(tǒng)內(nèi)生物毒性越大，傳質(zhì)-反應(yīng)過程越慢。

3.2 活性污泥EPS中蛋白質(zhì)對溶解氧傳質(zhì)有著重要的影響作用，其含量越高溶解氧傳質(zhì)速率越快，反應(yīng)系統(tǒng)中kLa與EPS的蛋白質(zhì)含量表現(xiàn)為顯著正相關(guān)性(相關(guān)系數(shù)r=0.9462)。

3.3 PAC作為絮凝劑在污水處理系統(tǒng)中至關(guān)重要，鑒于殘余PAC會阻礙后續(xù)生物處理系統(tǒng)的傳質(zhì)-反應(yīng)過程，故在實際污水處理應(yīng)用過程中應(yīng)嚴控其用量。