低溶解氧條件A/OSBR工藝污染物去除性能的研究*
導讀:：低溶解氧條件下。發現A/OSBR系統低DO條件下。對比考察城市生活污水中污染物的去除效果。去除效果。
關鍵詞：低溶解氧，A/OSBR，污染物，去除效果
1引言
活性污泥法中，曝氣主要起供氧和擾動混合的作用。曝氣提供的氧被污水中的活性微生物用來氧化有機物并合成細胞。反應器中的溶解氧 (DO)濃度是活性污泥法的重要運行參數 。當曝氣池中DO濃度偏低，好氧微生物不能正常生長和代謝，導致出水水質不達標;當DO濃度過高，不僅曝氣能耗增加，而且活性污泥的活性也會降低。一般情況下要求曝氣池中DO不低于 2mg/L，但在實際工程中卻常常會出現曝氣強度過高的情況。
有研究發現通過有效手段將DO控制在較低的適當水平，不影響微生物的正常生長和有機物的代謝，仍然可保持良好的出水水質[1-3]。本文通過控制平均溶解氧(DO)濃度保持在1mg/L和2mg/L左右的條件下，對比考察城市生活污水中污染物的去除效果。
間歇式活性污泥法(以下簡稱SBR工藝)，由于其較高的處理效率，較少的基建投資和脫氮除磷功能，在污水處理中得到廣泛應用[4-7]。本試驗采用A/O運行方式的SBR工藝進行研究。
2 試驗材料和方法
2.1試驗用水來源和水質
實驗采用哈爾濱工業大學家屬樓生活污水，活性污泥取自哈爾濱文昌污水處理廠，實際生活污水水質成分詳見表1。
表1 實驗用水水質
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水質參數 |
濃度范圍 |
|
pH值 |
6.5-8.2 |
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COD (mg/L) |
300-400 |
|
NH4+-N (mg/L) |
40-50 |
|
PO43-P (mg/L) |
2-4 |
2.2 試驗裝置和方法
SBR反應器由有機玻璃制成，上部為圓柱形，下部為圓錐體，試驗裝置圖如圖1所示，反應器高為700 mm，直徑為200 mm，總有效容積為12 L，排水體積為3 L，充水比為0.25。在反應器壁的垂直方向設置一排間隔為10 cm的取樣口，用于取樣和排水。底部設有放空管，用于放空和排泥。在反應器下方設置曝氣砂頭，由轉子流量計調節曝氣量。pH、DO、ORP(氧化還原電位)探頭置于反應器內，在線監測各個指標的變化。試驗期間溫度穩定在25±1℃之間。
圖1試驗裝置圖
Fig. 1 Schematicdiagram of experimental equipment
本實驗采用缺氧/好氧(A/O)的運行方式，試驗共運行5個月，共400個周期。每天運行3個周期，每周期為8 h，分別為瞬時進水、缺氧攪拌0.5 h、好氧曝氣2.5h、沉淀2 h、其余時間為排水和待機。好氧末期排放一定體積的混合液，控制系統的污泥齡在10 d-15 d，MLSS控制在2500 mg/L -3000 mg/L。
2.3 檢測分析項目
COD采用5B-3型COD快速測定儀測定;NO3--N采用麝香草酚分光光度法;NO2--N采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法;NH4+-N采用納氏試劑分光光度法;MLSS、SS采用濾紙重量法;PO43--P采用鉬酸鹽分光光度法;DO和溫度用WTW inoLab Oxi level2實驗室臺式儀在線檢測;微生物相分析采用OLYMPUS BX51/BX52光學顯微鏡觀測。
3 實驗結果和分析
3.1 COD去除效果
COD是污水處理中用于反映污水中有機物含量的綜合指標，低DO條件下和正常DO條件下COD去除效果如圖2所示。典型周期內A段COD濃度迅速下降，這主要是由于系統的稀釋作用，同時在A段新加入的污水為反硝化過程提供碳源。
低溶解氧條件下，盡管平均DO濃度較低，僅為1mg/L，但是對比正常DO條件下系統COD去除效果差別很小，甚至在典型周期內平均DO=1mg/L時COD去除效果比正常DO濃度下的去除效果更好。如圖2所示。
當平均DO=2mg/L時，隨著反應時間的延長，COD濃度逐漸下降，當曝氣2.5 h后，出水COD穩定在50 mg/L左右，系統COD去除效率可穩定保持在85%~88%之間。而當平均DO=1mg/L時，系統曝氣2.5 h后出水COD基本可以保持在40mg/L左右。系統COD去除效率可穩定保持在87%~91%之間。低DO情況下COD去除效果略微高于正常溶解氧去除效果，在各時間段內COD出水濃度同比降低4%~15%。可見在DO平均濃度較低的情況下(DO=1mg/L時)，系統對COD的去除能力有一定提高，出水水質COD更低。
圖2高低DO條件下典型周期內COD隨時間變化曲線
Fig.2 The CODremoval effect with normal and low DO
3.2 氨氮去除效果
實驗中對比考察了正常DO(平均DO=2mg/L)和低DO(平均DO=1mg/L)條件下氨氮的去除效果，如圖3所示。當平均DO=2mg/L時，當曝氣2.5 h后環境保護，出水氨氮穩定在1~2 mg/L左右，系統氨氮去除效率可穩定保持在95%左右。而當平均DO=1mg/L時，系統曝氣2.5 h后出水氨氮基本可以保持在5mg/L左右，系統COD去除效率可穩定保持在90%左右。低DO情況下氨氮去除效果低于正常溶解氧去除效果，在各時間段內氨氮出水濃度同比高15%~30%。可見在DO平均濃度較低的情況下(平均DO=1mg/L時)，活性污泥對氨氮的去除能力有一定降低，出水氨氮有一定升高，但出水氨氮濃度仍然可保持在5mg/L左右。
圖3 高低DO條件下典型周期內氨氮隨時間變化曲線
Fig.3 The ammonia nitrogen removal effect withnormal and low DO
在好氧段，盡管SBR反應器長期處于低DO運行狀態，在進水氨氮濃度保持在40mg/L~50mg/L時，活性污泥系統仍然可以保持比較高的硝化效率，平均氨氮去除率可達90%，SBR工藝中，影響氨氮去除效果的因素主要有進水COD和氨氮負荷、HRT、SRT、DO等因素。Hanaki等研究認為[8]，在低溶解氧的條件下，盡管有機物氧化菌對硝化菌有抑制作用，但是由于氨氮氧化菌的增殖速率加快了1倍，補償了DO降低所造成的活性下降，因而系統的氨氮去除效果仍然比較高。
3.3 亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮污染物的變化
實驗中對比考察了正常DO(平均DO=2mg/L)和低DO(平均DO=1mg/L)條件下亞硝酸鹽和硝酸鹽污染物濃度的變化，如圖4所示。
從圖4中可看出，好氧段正常DO條件下，硝化反應進行較為順利，在反應結束時，硝酸鹽濃度較高，亞硝酸鹽累積率為13%。好氧段低DO條件下，由于溶解氧濃度的限制，硝化反應速度較慢，在反應結束時，亞硝酸鹽濃度較高，亞硝酸鹽累積率為37%。
通過氮平衡分析，發現A/OSBR系統低DO條件下，存在較為明顯的同步硝化反硝化現象。以往的部分研究表明，同步硝化反硝化均是在較低的DO濃度條件下發生的，本實驗的平均DO濃度在1mg/L環境保護，因此在試驗過程中考察氨氮氧化速率、NOX-N 生成速率以及相應的實時DO濃度，如圖5所示。
圖4高低DO條件下典型周期內亞硝酸鹽和硝酸鹽隨時間變化曲線
Fig.4 The nitrite and nitrate concentration variationwith normal and low DO
圖5 低DO與NOX-N 生成速率和氨氮氧化速率之比間的關系
Fig. 5Relationship of low DO and ratio of NOX-N formation rate to NH4-Ndecay rate
由圖5中可得出如下關系式：
低DO濃度條件下，NOX-N生成速率與NH4-N氧化速率之比與DO濃度都均保持了較好的線性關系。通過調節反應器中的DO濃度，使反應系統中的硝化反應以適宜的反應速率進行，同時兼顧同步硝化反硝化，對于SBR保持同步硝化反硝化，縮短反應的時間，具有重要的現實意義。
3.4 正磷酸鹽的去除效果
實驗中對比考察了正常DO(平均DO=2mg/L)和低DO(平均DO=1mg/L)條件下正磷酸酸鹽污染物濃度的變化，如圖6所示。
從圖6中可看出，系統在前30min先進行反硝化，同時儲存在細胞內的磷釋放，造成正磷酸鹽的濃度升高并達到最高值。在曝氣開始后，隨著時間的延長，正磷酸鹽濃度迅速下降，在反應結束時，高低DO條件下，系統出水正磷酸鹽的濃度基本相近，均低于0.5mg/L期刊網。
在好氧段不同的DO濃度條件下，初始階段高溶解氧條件下，正磷酸鹽去除率較高，低DO條件下正磷酸鹽去除率相對較低。但在反應時間在1.5h~2.5h時，系統對正磷酸鹽的去除效率均超過90%。因此，從本實驗中分析可知，在A/OSBR系統中，好氧段DO濃度對正磷酸鹽去除效果影響較小。
圖6高低DO條件下典型周期內正磷酸鹽隨時間變化曲線
Fig.6 The phosphorus removal effect with normal and low DO
3.5出水懸浮物
在低溶解氧條件下，A/OSBR出水水質非常清澈。經過沉淀后，出水中幾乎沒有肉眼可見的懸浮物。實際測得出水SS在1 mg/L-2 mg/L之間，有時用濾紙重量法幾乎檢測不出，通過鏡檢可見，在活性污泥系統中，具有一定數量的網狀結構的絲狀菌，在沉淀過程中可吸附、截流水中微小顆粒物和游離細菌，使出水水質非常清澈。
4. 結論
(1)當平均DO=1mg/L時，系統曝氣2.5 h后出水COD基本可以保持在40mg/L左右。系統COD去除效率可穩定保持在87%~91%之間。低DO情況下COD去除效果略微高于正常溶解氧去除效果環境保護，在各時間段內COD出水濃度同比降低4%~15%。
(2)當平均DO=1mg/L時，系統曝氣2.5 h后出水氨氮基本可以保持在5mg/L左右，系統COD去除效率可穩定保持在90%左右。低DO情況下氨氮去除效果低于正常溶解氧去除效果，活性污泥對氨氮的去除能力有一定降低，出水氨氮濃度有一定升高，但出水氨氮濃度仍然可保持在5mg/L左右。
(3)當平均DO=1mg/L時，由于溶解氧濃度的限制，硝化反應速度較慢，在反應結束時，亞硝酸鹽累積率為37%。低DO濃度條件下，NOX-N 生成速率與NH4-N氧化速率之比與DO濃度都均保持了較好的線性關系。
(4)在A/OSBR系統中好氧初始階段，DO濃度對正磷酸鹽去除效果影響較大，反應時間在1.5h~2.5h時，DO濃度對正磷酸鹽去除效果影響較小。高低DO條件下，系統出水正磷酸鹽的濃度基本相近，均低于0.5mg/L。
(5)在低溶解氧條件下，A/OSBR出水水質非常清澈。出水SS在1mg/L-2 mg/L之間，鏡檢可見一定數量網狀結構的絲狀菌。
參考文獻
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