厌氧快速吸收新工艺处理生活污水研究

刘飒¹，杨造燕¹，刘壮¹，陈思源²?
(1.天津大学 建筑工程学院，天津300072；2.Virginia Polytechnic Institute and State University,USA)

　　摘　要：根据生物除磷试验和非稳态生物处理工艺研究，提出了厌氧快速吸收污水处理新工艺，并对生活污水处理进行了初步研究。结果表明，在以萄萄糖为主要基质的配制污水试验中，停留时间30～60min，几种不同运行方式COD去除率均达到80%以上，有的甚至达到90%以上，短期的实际生活污水试验COD去除率也达60%以上；反应器内污泥能在高MLSS下保持良好沉降性能，已发现有较成熟的颗粒污泥。
　　 关键词：厌氧快速吸收；非稳态条件；剩余污泥；颗粒污泥；生活污水?
　　中图分类号：X799.3
　　文献标识码：A
　　文章编号：1000-4602(1999)10-0013-04

An Initial Study on Treatment of Domestic Wastewater by New?
Anaerobic Fast Absorption Process

LIU Sa¹，YANG Zao yan¹，LIU Zhuang¹，CHEN Si yuan²
(1.School of Construction Eng., Tianjin Univ., Tianjin 300072, China; 2.Virginia Polytechnic Institute and State Univ., USA)

　　Abstact: A new anaerobic fast absorption wastewater treatment process based on the study of biological phosphorus removal and nonst eady state condition is described in this paper and the test on this process used in treating domestic wastewater is presented. The experimental results showed that the COD removal was above 80% even reached 90% at the retention time of 30 ～ 60 min under different running patterns when the influent was artificial wastewater containing gluco se as the main organic substrate. In addition,?COD?removal was above 60% when the influent was raw domestic wastewater. Sludge in the reactor was kept good settlement characteristics in high MLSS and mature granular sludge was found. It is clear that the process is efficient and power saving with less excess sludge production.
　　Keywards:domestic wastewater; anaerobic fast absorption；nonsteady state；excess sludge；granular sludge

　　 厌氧快速吸收有机物是一个新的研究方向，除了涉及正在发展的生物除磷机理外，还涉及近期开始在国际上颇受重视的非稳态处理工艺研究。
　　 生物除磷是一个高效生物净化过程，它不仅能够去除大量的磷，还能够在除磷的同时，以P/COD为1∶50以上的比例去除大量的有机物，而且主要是在厌氧初期去除的。因此，从去除有机物的角度来说，生物除磷工艺是高效低能耗的节能工艺。另一方面，近几年发现，在生物除磷厌氧阶段，吸收有机物有时并不伴随着磷释放，相应地好氧时也不吸收磷，甚至在控制良好的实验室条件下，也有许多这一现象的报道，但此时的厌氧仍能去除相当多的有机物^[1]。有研究表明，厌氧吸收有机物可能有两种能量系统，即：①以多聚磷酸盐为能量来源；②以糖元为能量来源^[2]。这就意味着厌氧吸收有机物不一定与聚磷有关，在厌氧—好氧周期变化这种非稳态条件反复刺激下，微生物就可能在较短的厌氧时间内去除大量有机物。基于这一分析研究，提出了一种以厌氧快速吸收为核心的污水生物处理新工艺。
　　非稳态理论认为，非稳态条件对生物处理系统的影响应归结到对系统中微生物的影响，包括微生物活性、适应外界环境(不断变化)的能力、具有特殊功能的微生物的形成等方面，而系统的处理效果很大程度上取决于这些因素。如Stefan提出，几小时的“饥饿”状态并不会导致微生物活性降低，反而会刺激微生物产生更多的与基质摄取相关的酶，从而在“饱食”状态下吸收也即从水中去除数量更多、范围更广的污染物^[3]；荷兰学者Loosdrecht的研究也证明，微生物体内贮存多聚物是一种普遍现象，只不过条件不同其作用显示程度不同，它是微生物固有的能力，“饥饿—饱食”状态是激发并强化这一能力的重要影响因素，揭示和利用其中的规律就有可能优化现有生物处理技术或设计出新工艺^[4]。
　　 本研究旨在以除磷机理研究为基础，结合非稳态理论，设计出以厌氧快速吸收为核心、SBR为基本运行方式的新工艺，使处于可控非稳态环境下的微生物接受足够强度的刺激，继而产生适应，实现厌氧条件下的快速吸收，使厌氧出水达标或接近达标，并通过污泥的好氧饥饿来提高系统的长期处理能力和稳定性。本文进行了初步研究和讨论。

1 装置与方法

　　 试验在一个有效容积约为14L的序批式反应器中进行。所用配水成分仿生活污水，以葡萄糖为主要基质，COD浓度约为500 mg/L，并投加必要的氮、磷营养盐(按BOD∶N∶P ＝100∶5∶1配制)以及适量的微量元素Zn²⁺、Ni²⁺、Co²⁺、Mn²⁺等。试验后期采用的实际生活污水取自天津大学某教职工生活区排水口，原水COD为300mg/ L左右，试验污泥取自天津市纪庄子污水处理厂曝气池。?　试验采用以下三种运行方式：
　　方式一：进水、厌氧搅拌30min→静止沉淀15～30min→排上清液(即出水)→曝气3h(污泥好氧饥饿)→静置或开始下一周期；?　方式二：进水、厌氧搅拌30min→曝气30min(短时间好氧吸收)→静止沉淀15～30min→排上清液(即出水)→曝气3h→静置或开始下一周期；
　　方式三：进水、微量气体搅拌30min→静止沉淀15～30min→排上清液(即出水)→曝气3h →静置或开始下一周期。?
污水中有机物含量以COD计，采用标准重铬酸钾法测定。

2 污泥的培养与驯化

　　 普通好氧活性污泥在开始进行厌氧—好氧交替运行方式时，并不具备明显的厌氧快速吸收能力。通过长、短周期(厌氧1h、好氧10h和厌氧05h、好氧3h)交替进行，对污泥进行“厌氧饱食—好氧饥饿”周期循环刺激驯化，30d后厌氧快速吸收COD去除率稳定在60%以上，60d后去除率已逐渐上升至80%以上，到90d甚至接近并达到90%(见图1)。

3　 结果与讨论

3.1 葡萄糖配水运行方式一
　　按方式一运行稳定后，厌氧30min上清液COD去除率可达80%～90%。此时上清液仍残存有大约50～100mg/L的COD，如直接排放需进一步处理。这一过程中COD去除率变化情况见图1。
3.2 葡萄糖配水运行方式二
　　本方式是考察厌氧后再好氧曝气30 min上清液的COD是否可有效降低。
　　经20d的运行结果表明，泥水继续好氧接触能使出水进一步净化，总COD去除率可稳定在90%以上，出水COD浓度在50mg/L左右(见图2)。可见，厌氧吸收后的污泥仍有一定的好氧降解细胞外基质能力，并在偶尔出现的厌氧阶段处理效果不佳时起到保护作用，保证出水水质良好。再曝气30min达到了提高出水水质的预想。

　　出水中仍然残存约50mg/L的COD物质，可能包括游离细菌和溶解性基质两部分，这可通过过滤试验进一步确定。?
3.3 葡萄糖配水运行方式三
　　厌氧搅拌装置是目前各种厌氧工艺生产性设备研制的一大重点。运行方式三用小气泡气体搅拌代替泵循环水力搅拌或机械搅拌，用同一套加以控制的曝气装置顺序完成曝气和厌氧搅拌两项功能，从而省去搅拌装置。同时也探索了微氧条件对快速吸收有机物去除效果的影响。
　　微氧吸收30min，通过曝气控制测得DO约为0～0.3mg/L。试验结果见图3。

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　　 此方式运行之前采用方式一，去除率已稳定在80%以上，而采用此方式之后，去除率骤然降低(见图3中第3天)，说明运行方式的改变对处理效果有一定影响。几天后COD去除率即逐渐接近方式一，达到80%～90%。由于气体搅拌采用的是空气，虽然整个吸收阶段溶解氧浓度保持低于0.3mg/L，但不能排除氧在其中的作用。因此，此时的吸收阶段称为低氧吸收或微氧吸收更为合适。?
3.4 实际生活污水小试
　　 运行采用方式一，厌氧吸收时间2h左右，好氧时间3～5h。为考察厌氧吸收效果，此项试验只进行了15d，图4给出运行中厌氧吸收的COD去除情况。
　　 进水浓度按原水浓度计算，厌氧30min后COD去除率已达60%以上。葡萄糖配水是成分最为简单的人工配水，系统运行了两个月以上才达到最佳状态，所以实际生活污水15d的运行只相当于完成了由配水向实际污水转变的初期驯化阶段，可以预计，如果继续运行，去除率还会有所提高。

3.5 污泥产量与活性污泥特性
　　 试验1～46 d内没有排放剩余污泥，反应器内污泥浓度由3.1g/L增长至9.5g/L(SV约为25%)，平均增长量为139mg/(L·d)，增长率为2.2%，泥龄约为45d。试验后期根据研究需要曾将泥量控制在不同水平[MLSS最高值为11.1g/L左右(SV约为33%)，最低值为4～5g/L]，为此定期或不定期排泥，平均MLSS为6.7g/L，污泥平均增长量为240mg/(L·d),增长率为3%，泥龄30d左右。试验全过程中污泥负荷始终为0.22kgCOD/(kgMLSS·d)左右，平均污泥产率系数为0.20左右。?
　　 该工艺污泥产率低，高MLSS时仍有较好的污泥沉淀性能，这既是由于有较高的MLSS和相对较低的污泥负荷，同时也是“厌氧饱食—好氧饥饿”的运行方式本身造成的。Neijssel和Tempest就曾报道间歇运行方式下污泥产率系数较低^[５]，原因可能是间歇条件下生长的微生物调节了自身代谢，而这种间歇供给基质的运行方式会刺激能够适应的微生物产生快速吸收有机物的优势；在MLSS高于常规活性污泥法(最高达11g/L)时仍有很好的沉淀性能，这归因于颗粒污泥的形成，本试验中形成了较为成熟的颗粒污泥(见图5)，这就有可能在反应器中保持高MLSS和相应很低的污泥负荷，工艺可实现较低剩余污泥排放。?
　　 试验运行正常时，污泥中除了浓密的菌胶团外，还有大量的原生动物，前期为等枝虫和钟虫，中、后期为钟虫和旋轮虫及猪吻轮虫。一般来说，大量活跃的等枝虫和钟虫标志着系统内有机物高效的去除、良好的污泥性能以及稳定的运行状况。特别值得注意的是，本系统周期性处于溶解氧<0.5 mg/L的状态，并且在夜间长时间静置，根据一般微生物生长理论，溶解氧＜1 mg/L钟虫将很快死亡，持续8h等枝虫即趋死亡。在本研究的情况下，不仅存在钟虫和等枝虫，还能大量出现轮虫这种仅在完全氧化型活性污泥系统中才较多出现的后生动物。关于微生物出现的这些现象有待进一步研究。

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3.6 溶解氧浓度变化
　　 一个厌氧—好氧交替的运行周期内，溶解氧变化的典型曲线见图6。?

　　厌氧阶段溶解氧浓度接近于0；好氧阶段初期(前30min)溶解氧浓度仍然很低，说明耗氧速度很快，和供氧速度相同，因为细胞吸收大量基质后需有一段快速耗氧，故需氧量很大；曝气0.5h后溶解氧浓度才较快上升，说明微生物代谢活动增长趋势渐趋缓慢；直至曝气1h后，供氧与需氧逐渐平衡，溶解氧浓度变化才缓慢下来，所以，溶解氧浓度可以间接反映系统内微生物耗氧速率，进而反映微生物基质代谢状况，可以以溶解氧(或耗氧速率)作为工艺运行的控制参数。在CAST工艺中，微生物耗氧速率就是系统运行的重要控制参数之一^[5]。

4 结论

　　①以葡萄糖为主要有机基质的配水，厌氧0.5h、好氧3h，厌氧快速吸收COD去除率在运行开始30d后，初步稳定在60%以上，60d后稳定在80%以上；
　　②厌氧吸收0.5h后再好氧0.5h能进一步提高去除效果，COD去除率稳定在 80%～90%以上；
　　③采用微量气体搅拌0.5h(DO＜0.3mg/L)，即微氧快速吸收条件下，COD去除率也可达80%以上；
　　④实际生活污水试验运行15d后，原水COD去除率为60%以上；
　　⑤在本试验运行方式下，污泥产量较低，并形成了较成熟的颗粒污泥，故能在高MLSS下保持良好的沉降性能，因而本工艺有可能成为低剩余污泥排放的高效节能工艺。

参考文献:

　　[1]Cech J S,Hartman P.Competition between polyphosphate and polysaccha ride accumulating bacteria in enhanced biological phosphate removal systems [J].Wat Res,1993,27(7):1219-1225.
　　[2]杨造燕等.厌氧快速吸收有机物的两种能量来源研究[J]?中国给水排水 ，1998，14(5)：1-3
　　[3]Hans-Curt Flemming,Stefan Wuertz.Impact of nonsteady-state conditi ons on microbial consortia　[A].The First Nonsteady-State Symposium of IAWQ[C].1996.
　　[4]Loosdrecht M C M van,Pot M A,Heijnen J J.Importance of bacterial storage polymers in activated sludge processes[A].The First Nonsteady-State Symposium of IAWQ[C].1996
　　[5]Goronszy M C,朱明权，Wutscher K.循环式活性污泥法(CAST)在工业废水处理中的应用[J].中国给水排水，1997，13(增刊)：7-11.

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　　作者简介：刘飒(1969-) 女，河北保定人，天津市政工程局工程师，硕士。
　　电　　话：(022)23503419(H)?
　　收稿日期:1999-05-27