微氧水處理技術(shù)的特性及應用研究進展
摘要： 對于傳統(tǒng)的好氧和厭氧而言，微氧水處理技術(shù)是在克服好氧反應能耗較大，厭氧反應器對于設備要求較高而出現(xiàn)的。微氧過程中包含的反應有短程硝化和反硝化、同時硝化與反硝化、氧化降解等反應， 因此微氧水處理技術(shù)可以應用于有機物降解和深度處理。由于顯著降低了曝氣量， 又不需要較高的設備要求， 因此又是一種節(jié)能的技術(shù)。
關鍵詞：微氧；反應器；好氧：厭氧； 污水處理
在水處理反應的分類中，根據(jù)環(huán)境溶解氧濃度的不同將其分為好氧反應(溶解氧的質(zhì)量濃度在1．0mg/L以上)、厭氧反應(溶解氧的質(zhì)量濃度在0.3mg/L以下，且不含有硝態(tài)氧)和兼氧反應(溶解氧的質(zhì)量濃度在0-4～0．7 mg/L之間)。好氧反應具有反應速度快，進行得比較徹底的優(yōu)點，但是為了保持系統(tǒng)中較快的反應速率，常常使溶解氧的質(zhì)量濃度保持在2．0 mg/L左右，這就使得好氧反應能耗很高．一般鼓風曝氣系統(tǒng)的曝氣能耗就可以占到水廠總能耗的40% ～50% 一。厭氧反應的運行費用較低．并可產(chǎn)生提供能源的甲烷氣體，但要維持厭氧的環(huán)境，前期的基建設備投資非常大，而且厭氧反應速率較慢，出水需要后續(xù)處理。微氧技術(shù)正是結(jié)合了好氧和厭氧優(yōu)點而發(fā)展起來的。
傳統(tǒng)的觀點認為，好氧反應和厭氧反應是兩個獨立的過程。好氧反應需要以氧作為電子受體，而氧對厭氧菌有毒害或抑制作用．因此多把好氧與厭氧過程單獨研究。但是事實上，局部或微厭氧環(huán)境的存在(如顆粒污泥的內(nèi)部厭氧與外部好氧)．證明了厭氧菌和好氧菌可以在同一個反應器內(nèi)共存。Zitomer等[2]研究了在微氧條件下．同一污泥體系中可同時進行好氧和產(chǎn)甲烷過程，該過程良好地結(jié)合了好氧和厭氧處理的優(yōu)點： 出水COD濃度低，剩余污泥量小以及可使一系列特殊的有機物礦化。微氧是近幾年才發(fā)展起來的一種水處理技術(shù)，迄今未給出一個嚴格的定義，但從文獻[2—13]中可以看出，微氧一般是指反應器內(nèi)的環(huán)境溶解氧的質(zhì)量濃度在0-3 1．0 mg/L，通過培養(yǎng)的微氧顆粒污泥來降解有機物。微氧顆粒污泥一般是通過消化污泥或厭氧顆粒污泥適當?shù)靥砑尤芙庋醵囵B(yǎng)起來的。
1 微氧水處理技術(shù)的特點
微氧水處理技術(shù)融好氧、厭氧和兼氧環(huán)境于同一反應器中，因此在微生物特性和降解特性上表現(xiàn)出諸多與好氧或厭氧不同的特點。
1．1 微生物特性
由于微氧體系中存在著3種溶解氧條件，因此好氧菌、兼性菌和厭氧菌同時出現(xiàn)，并依據(jù)環(huán)境溶解氧的相對高低決定3種微生物的數(shù)目比例。相比于單純的好氧或厭氧，微氧體系中微生物的種類更加全面，各種微生物相互協(xié)同，共同完成降解功能。初里冰等[3]利用膜生物反應器在微氧條件下處理合成廢水，對厭氧顆粒污泥和微氧顆粒污泥的性質(zhì)作了比較，見表1。
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從表l中可以看出微氧顆粒污泥的性質(zhì)與厭氧顆粒污泥相似，并保持著較好的沉降性能，最主要的是微氧顆粒污泥也保持了較高的產(chǎn)甲烷活性。
1.2 有機物的降解特性
微生物降解有機物是將一部分大分子有機物氧化成小分子有機物或直接氧化成二氧化碳，從而提供微生物生長的能源：另一部分則用于合成自身的細胞物質(zhì)。在好氧反應中氧作為最終的電子受體，而在厭氧反應中則是以化合態(tài)的鹽、碳、硫、氮等作為電子受體，氧對厭氧微生物有毒害作用，兼氧微生物可以分別在有氧和無氧兩種條件下降解有機物。在微氧體系中，好氧菌和兼氧菌利用著環(huán)境中微量氧降解水中小分子有機物，從而解除了有機酸和氧對產(chǎn)甲烷菌的毒害和抑制作用，使產(chǎn)甲烷過程順利進行；另一方面，顆粒污泥的形成保證了在其內(nèi)部的厭氧環(huán)境，從而為厭氧菌的生存提供條件。這樣，好氧、兼氧和厭氧反應同時在同一反應器內(nèi)進行，無需在時間或空間上分開，從而傳質(zhì)及時，反應比較徹底。
Linlin Hu等[4]在不同的通氣量下對SBR反應器中的有機物的去除做過研究：在通氣量分別為60、40 I/h(溶解氧的質(zhì)量濃度在0．5 mg/L左右，為微氧環(huán)境)的條件下，300 min后COD的質(zhì)量濃度就從300 mg/L左右降到了50 mg/L左右的較低水平，之后變化不大。初里冰等[3]利用膜生物反應器在微氧條件下同時去除COD和氮，結(jié)果證明系統(tǒng)的COD去除率在94% 以上，膜出水一直穩(wěn)定在l5 35 mg/L，反應器上清液COD的質(zhì)量濃度可達90—141 mg/L。
1.3 污泥產(chǎn)量
微氧條件下，污泥產(chǎn)量比較低，也比厭氧條件下的污泥產(chǎn)量低。Zitomer[5] 在血清瓶中分別以乙醇和丙酸為底物，氧氣的添加量分別為COD質(zhì)量的0%、10% 、30%，用于考察系統(tǒng)的污泥產(chǎn)率系數(shù)和COD轉(zhuǎn)化的情況。不同氧添加量和底物條件下的污泥產(chǎn)率系數(shù)見表2。
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其中l(wèi)0%和30%的氧添加量屬于微氧的范圍，相對于好氧條件下乙醇和丙酸為底物的污泥產(chǎn)率系數(shù)(分別為0．45和0．42 g[VSS]/g[COD])，微氧的污泥產(chǎn)率系數(shù)還是很小的，因此，處理相同水量只產(chǎn)生少量污泥，減小后續(xù)處理的壓力，節(jié)約成本。另外，Zitomer同時對微氧條件下COD的轉(zhuǎn)化情況作了研究，表明微氧條件下有45% 一95% 的COD直接轉(zhuǎn)化為甲烷，5% 一10% 的COD用于生物合成。而傳統(tǒng)好氧處理系統(tǒng)在SRT為10 d的情況下，有約60% 用于生物合成。
1．4 氮的去除
微氧條件下氮的去除較為復雜，主要是因為溶解氧低時反應器中出現(xiàn)了一些新現(xiàn)象．包括污泥顆粒化(sludge granulation)、短程硝化作用(short—cutnitrification—denitrification)、同時硝化和反硝化(si—muhaneous nitrification and denitrification． SND)以及自養(yǎng)細菌反硝化作用[6]。微氧條件下的污泥顆粒化是由于微曝氧量時．氣泡對于污泥絮凝體的剪切力變小．從而有利于污泥的顆粒化。正常的污泥絮凝體的粒徑通常為幾十微米，而顆粒化的污泥粒徑可達幾百微米甚至幾毫米，污泥的沉降性能良好，并且反應器中的生物濃度也相應增加。污泥顆粒化實質(zhì)是微生物的自同定化過程．使得多種微生物(包括硝化細菌和反硝化細菌在內(nèi))在同一反應器內(nèi)保持良好的共生關系。由于顆粒污泥有較大的粒徑，在微氧環(huán)境中氧的傳遞就受到了來自于顆粒污泥表面的阻力．這樣就形成由內(nèi)及表的厭氧、兼氧和好氧的環(huán)境體系．從而硝化細菌和反硝化細菌就在同一反應器內(nèi)各得其所．導致同時硝化和反硝化作用的發(fā)生。
同時硝化和反硝化(SND)現(xiàn)象是在氧化溝等工藝中發(fā)現(xiàn)的[14]，是在有氧條件下發(fā)生了反硝化作用而導致總氮減少的現(xiàn)象。已證實SND是由物理原因引起的．其中溶解氧濃度和污泥絮凝體的大小是SND的主要影響因素：[15]將環(huán)境溶解氧控制在較低水平．缺氧環(huán)境所占比例增大．有利反硝化作用的進行．從而有利于SND的發(fā)生。初里冰等[3]利用微氧條件下培養(yǎng)的顆粒污泥．研究了污泥粒徑對于COD和氮去除的影響，結(jié)果表明，在SND發(fā)生以后．污泥顆粒被破碎成懸浮物．氮的去除效率明顯降低 可見，微氧條件下的污泥顆粒化是同時硝化與反硝化發(fā)生的必要條件。
在微氧條件下，氮的去除途徑除了上述的同時硝化與反硝化外，還有短程硝化和反硝化。在常規(guī)的硝化反應中．氮的硝化分為兩步，分別由不同的微生物完成。
其反應為：亞硝酸化：2NH4+ + 302— 2NO2- +4H+ +2H20(由氨氧化菌完成)硝化：2 NO- +02 一 2 NO3 -(由亞硝酸氧化菌完成)
很顯然，在生物脫氮的過程中，由NO3-氧化成NO3-，把NO3-還原成NO3-的兩步反應是多余的。如果能夠避免這兩個環(huán)節(jié)就可以節(jié)省25% 的氧氣和約40% 的有機碳源[6、9]。短程硝化和反硝化就是將硝化過程中將反應控制在亞硝酸化階段．從而直接進行反硝化。因此，如何能將硝化反應控制在反硝化階段是實現(xiàn)短程硝化和反硝化的關鍵。廢水中氨和微溶解氧對亞硝酸氧化菌有抑制作用，有利于氨氧化菌在微氧條件下成為優(yōu)勢菌種，從而有利于短程硝化與反硝化的進行。但不等于溶解氧越低越好，楊寧等 ．利用CSTR(連續(xù)攪拌流反應器)反應器，對高氨(氨的質(zhì)量濃度為856 mg/L)廢水進行處理，發(fā)現(xiàn)：溶解氧的質(zhì)量濃度在0．2 mg/L持續(xù)運行會顯著降低氨氧化菌的活性。
1．5 一些難降解污染物的去除特征
一些有機物由于對微生物有毒性和其難降解性會在環(huán)境中持久存在，而在微氧條件下卻顯示出了特有的降解特性。由于微氧條件下好氧與厭氧環(huán)境在同一反應器中同時存在，使得微生物的代謝中間產(chǎn)物傳質(zhì)及時，氧化與還原作用可同時發(fā)生，微氧體系中的產(chǎn)甲烷菌可使一些難降解物質(zhì)如有機氯溶劑PEC、多氯聯(lián)苯等得到有效降解： 另一方面．CH4與02同時存在使甲烷菌能以CH4為初級基質(zhì)通過共代謝而降解一些物質(zhì)(如三氯乙烯、四氯乙烯等)[8]。
2 微氧的應用研究
當前針對微氧條件下特殊的微生物和降解特征也作了一些應用性的研究。北京市環(huán)境保護科學研究院的王凱軍等[ll]分別應用并比較了沉淀、多級厭氧、生物吸附和微氧工藝來處理生活污水的厭氧出水，并提出了微氧升流式污泥床反應器的概念結(jié)果顯示：在13℃并且HRT(水力停留時間)1．0 h的條件下，微氧工藝基本上可以完全處理孫艷玲等[12]開發(fā)了處理城市污水的水解一厭氧一微氧工藝，結(jié)果表明：在總HRT不超過8．5 h(水解2．5 h、厭氧4．0 h、微氧2．0 h)，平均溫度l9℃進水COD的質(zhì)量濃度為(300 4-50)mg/L時．總COD和SS的去除率分別可達75% 和80% 以上。微氧單元對厭氧出水中殘余有機物的去除效果良好．在HRT不超過2 h．溶解氧的質(zhì)量濃度控制在0．2～0．5 mg/L之問．進水COD的質(zhì)量濃度為150 mg/L時，去除率可達53% 以上。作為厭氧后續(xù)處理．將微氧工藝與好氧工藝相比較：微氧工藝曝氣量減少(氣水比僅為l：4)，從而大大節(jié)約了能耗：微氧工藝中污泥生長量為0．061 kg/(kg·d)左右．污泥產(chǎn)量低；微氧工藝有效地控制污泥膨脹問題．但污泥粘性稍差。
胡穎華等[13]利用微氧條件取代好氧條件來消化剩余污泥．結(jié)果表明：在低污泥濃度下．曝氣量為好氧消化的1/2(溶解氧的質(zhì)量濃度為0．5～1．0mg/L)時．經(jīng)過20 d的消化，污泥中總有機物降解率在50% 左右．達到穩(wěn)定化效果．并且此工藝的投資和運營費用較低。
由此可見．微氧水處理技術(shù)在現(xiàn)實應用中大大降低了能耗．將其作為處理工藝中的后處理或直接應用都達到了較好的效果．建設和運營費用也比較少。明顯地降低了廢水的處理成本。
3 結(jié)語
微氧水處理技術(shù)以其特有的微生物特性和降解特性顯示出其優(yōu)勢：處理效果好、節(jié)能、污泥產(chǎn)量少等。但同時也有許多需要繼續(xù)研究的方面：① 加強對微氧條件的厭氧菌、兼性菌和好氧菌相互作用及其機理的研究．從而更好地指導實際應用。② 擴大微氧技術(shù)的應用范圍。微氧技術(shù)的應用目前主要集中于易于生物降解的城市污水．而將微氧處理技術(shù)應用于工業(yè)廢水卻不多見．因此如何將微氧技術(shù)應用于難降解．濃度高的工業(yè)廢水也是需要我們繼續(xù)研究的一個課題。③ 制作適于微氧條件下微生物生長的反應器。進而優(yōu)化反應器生物學和水力學參數(shù)．使微氧技術(shù)在水處理工藝中高效發(fā)揮作用。④ 對微氧技術(shù)作更為詳細的經(jīng)濟技術(shù)評價。從而指導我們合理地選擇微氧工藝。
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