SBR中進(jìn)水與曝氣方式對(duì)活性污泥產(chǎn)氣率和性能影響的研究

A Study on the Impact of Feeding and Aeration Mode (SBR) on the Sludge Yield and Characteristics

Shi lirong¹ Ng WenJern²

(1.MAA Engineering Consultant Co. Ltd, Shanghai200031;2.Faculty of Engineering, NUS, Singapore 119260)

Abstract: Comparisons among four operations of bench-scale SBRs show that feeding time and aeration mode do have impact on sludge yield and characteristics (e.g. SVI）. Sludge yield in SBR under operation of step-aeration is obviously low and sludge in SBR under operation of instant feeding is distinguished with good settleability. The findings are important to sludge quality improvement and excess sludge reduction through operation variation of activated sludge processes.

Key words: Operation mode, Aeration, Sludge yield

　　活性污泥的沉降性能與剩余污泥量對(duì)活性污泥法污水處理工藝的運(yùn)行和運(yùn)行費(fèi)用有重要影響.影響活性污泥的沉降性能（SVI）和剩余污泥量的因素有很多，一般認(rèn)為SVI、剩余污泥量主要與污水類(lèi)型、污泥負(fù)荷、反應(yīng)器類(lèi)型有關(guān)^[1][2]。在為某廠解決SBR系統(tǒng)曝氣反應(yīng)初期溶氧低的問(wèn)題時(shí)，筆者發(fā)現(xiàn)在SBR中, SVI、剩余污泥量還與反應(yīng)器的進(jìn)水時(shí)間和曝氣方式有關(guān)，并做了相應(yīng)的研究。

1　實(shí)驗(yàn)裝置與方法

1.1　實(shí)驗(yàn)裝置
　　兩個(gè)直徑為19 cm 高40 cm的透明有機(jī)玻璃容器作為實(shí)驗(yàn)SBR反應(yīng)器。有效水深30 cm，因此有效容積為8.5 L。實(shí)驗(yàn)的活性污泥來(lái)源于城市污水處理廠的剩余污泥, 經(jīng)半個(gè)月左右的馴化后用于正式實(shí)驗(yàn). 反應(yīng)器內(nèi)平均活性污泥濃度3000mg/L左右。兩個(gè)反應(yīng)器平行工作，用以比較。曝氣系統(tǒng)由一組設(shè)在反應(yīng)器底部的微孔曝氣頭、空氣管道、可調(diào)式氣體流量計(jì)、電磁閥和氣源組成。電磁閥用以切換氣源（見(jiàn)圖1）。各反應(yīng)器設(shè)置一小型攪拌器, 以47轉(zhuǎn)/分的慢速在反應(yīng)器的進(jìn)水階段及反應(yīng)階段對(duì)混合液進(jìn)行攪拌.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法
　　本實(shí)驗(yàn)是在運(yùn)行周期均為6小時(shí)、反應(yīng)時(shí)間為3小時(shí)，污泥負(fù)荷為L_i =0.2 (d^-1)和供氣總量相同的條件下，對(duì)四種運(yùn)行方式進(jìn)行比較：(I) 短時(shí)進(jìn)水（以下縮寫(xiě)為IF）；(II) 30分鐘缺氧進(jìn)水（以下縮寫(xiě)為F₃₀）；(III) 30分鐘曝氣進(jìn)水（以下縮寫(xiě)為A-F₃₀）；(IV) 30分鐘缺氧進(jìn)水及分級(jí)反應(yīng)曝氣（以下縮寫(xiě)為分級(jí)-A）。供氣總量為234升。四種運(yùn)行方式的內(nèi)容與時(shí)間分配為，IF：2分鐘缺氧進(jìn)水， 3小時(shí)曝氣反應(yīng)(曝氣強(qiáng)度為1.3 l/min)，沉淀3/4小時(shí)，撇水0.5小時(shí)；F₃₀：缺氧進(jìn)水30分鐘，反應(yīng)3小時(shí)(曝氣強(qiáng)度同IF的)，沉淀1小時(shí)，撇水0.5小時(shí)；A-F₃₀：曝氣進(jìn)水30分鐘(進(jìn)水、反應(yīng)的曝氣強(qiáng)度均勻一致, 為1.1l/min)，其余各階段同F₃₀的；分級(jí)-A： 曝氣反應(yīng)共3小時(shí)，反應(yīng)階段前0.5小時(shí)，曝氣強(qiáng)度為2.5l/min，其后減小為0.90l/min；其余各階段同F₃₀的。
1.3 廢水
　　本實(shí)驗(yàn)用醋酸和氨鹽、磷酸鹽、微量元素配置成人造廢水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。廢水BOD₅ =303mg/l.

2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

　　在本實(shí)驗(yàn)條件下, 四種運(yùn)行方式的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)統(tǒng)計(jì)整理, 按下列式子計(jì)算產(chǎn)泥率:

式中: Y_obs--- 污泥顯產(chǎn)率

　　　S_o---進(jìn)水基質(zhì)濃度 (mg/l)

　　　S_e---出水基質(zhì)濃度 (mg/l)

　　　---每個(gè)周期排泥體積 ( l )

　　　X----排泥時(shí)的污泥濃度 (mg/l)

----出水污泥濃度 (mg/l)

　　V_f---進(jìn)水體積 ( l ); 本實(shí)驗(yàn)為2.8l.

　　結(jié)果為, IF方式下活性污泥的產(chǎn)泥率為0.53，F₃₀為0.48，A-F₃₀為0.47，分級(jí)-A為0.33. 分級(jí)-A方式下的產(chǎn)泥率明顯低于運(yùn)行方式IF和F₃₀的 。

2.1 從一個(gè)周期基質(zhì)量的變化分析運(yùn)行方式對(duì)產(chǎn)泥率的影響

圖2.一周內(nèi)水中殘余 COD 變化情況

　　圖2顯示的是按四種運(yùn)行方式運(yùn)行的各反應(yīng)器一個(gè)周期內(nèi)水中殘余COD的變化情況。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 在IF的反應(yīng)初期, COD有明顯的、速率較快的下降; 這是生物吸附引起的^[3]. 類(lèi)似的現(xiàn)象在F₃₀的進(jìn)水階段也被測(cè)得, 只是由于進(jìn)水較緩、有利吸附的條件持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng), 下降速率較小. IF反應(yīng)初期及F₃₀進(jìn)水后階段, COD在下降之后的上升, 可分別認(rèn)為是曝氣反應(yīng)促使部分被吸附基質(zhì)釋放和基質(zhì)被吸附飽和之后濃度在混合液中增加的結(jié)果。A-F₃₀的進(jìn)水階段, 由于曝氣, 類(lèi)似的吸附現(xiàn)象不明顯. 比較可見(jiàn), 由于進(jìn)水階段的吸附和少量生化反應(yīng)(缺氧或好氧), 一個(gè)周期內(nèi), F₃₀和A-F₃₀的平均COD水平低于IF的; 而這三個(gè)方式下混合液中平均COD水平均高于分級(jí)-A的, 尤其是IF和F₃₀反應(yīng)的前半階段COD水平約是分級(jí)-A同期COD的2倍; 這主要是在分級(jí)-A方式下，生化降解反應(yīng)比較強(qiáng)烈的緣故 (原因分析后敘) 。所以, 由于COD平均水平較低, 分級(jí)-A方式下微生物的內(nèi)源分解大于合成, 活性污泥的產(chǎn)率較低; 而IF的情況則相反.
2.2 從生物活動(dòng)的角度理解運(yùn)行方式對(duì)產(chǎn)泥率的影響
　　四種方式下生化反應(yīng)強(qiáng)度的不同可由一個(gè)周期內(nèi)SOUR隨時(shí)間的變化得到驗(yàn)證。SOUR反映了生物活動(dòng)強(qiáng)度^[4]。從本實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)（圖3）發(fā)現(xiàn), SOUR與基質(zhì)濃度、曝氣強(qiáng)度有關(guān). F₃₀和分級(jí)-A的進(jìn)水階段，SOUR隨基質(zhì)量的增加而上升. 實(shí)際上在缺氧的情況下, 好氧生物的活動(dòng)很低，而OUR是在混合液先充氧況下測(cè)得的^[5], 這一階段的SOUR值反映的是一種潛在生物活動(dòng)能量。在反應(yīng)階段的前50分鐘, 所有這四種運(yùn)行方式的SOUR曲線(xiàn)均呈現(xiàn)一近似水平段. 這是在基質(zhì)濃度飽和情況下, SOUR的最大值(記作SOUR_max). 實(shí)驗(yàn)表明SOUR_max亦與曝氣強(qiáng)度有關(guān)。F₃₀、IF方式曝氣強(qiáng)度為1.3l/min, SOUR_max為3.1 ´10^-4mgO₂/l-min-mgMLVSS;. 分級(jí)-A第一階段曝氣強(qiáng)度為2.6l/min, SOUR_max高達(dá)近4.0´10^-4mgO₂/l-min-mgMLVSS; A-F₃₀曝氣強(qiáng)度為1.1l/min, SOUR_max約為2.8´10^-4mgO₂/l-min-mgMLVSS。從圖4中可見(jiàn)，在A-F₃₀、F₃₀、IF方式的曝氣階段初期，DO接近于零。這是因?yàn)椋磻?yīng)器在平均值的曝氣強(qiáng)度下，供氧速率跟不上因強(qiáng)烈的生物活動(dòng)引起的需氧速率。因而微生物活動(dòng)受到抑制. 而分級(jí)-A的第一階段曝氣中, DO形成一突躍。這可認(rèn)為在高于標(biāo)準(zhǔn)平均值的曝氣強(qiáng)度下, 供氧速率可超過(guò)因強(qiáng)烈的生物活動(dòng)引起的需氧速率。因此，微生物活動(dòng)強(qiáng)烈, SOUR值較高.由此可見(jiàn), 在分級(jí)-A方式下的反應(yīng)初期，較高的溶氧水平、因較大曝氣強(qiáng)度而加強(qiáng)的混合液攪拌和物質(zhì)傳遞，加快了基質(zhì)的生物降解，使微生物較早地進(jìn)入內(nèi)源呼吸狀態(tài)，因此污泥產(chǎn)率較低。而在其它三種方式下，溶氧不足抑制了生物活動(dòng), 生物降解相對(duì)較慢，推遲了微生物進(jìn)入內(nèi)源呼吸狀態(tài)，即微生物處于內(nèi)源呼吸狀態(tài)的時(shí)間較短，污泥產(chǎn)率較高。

圖3. 一周內(nèi)SOUR變化情況

圖4. 一周內(nèi)溶氧變化

2.3 運(yùn)行方式對(duì)污泥性質(zhì)的影響及其分析
　　 實(shí)驗(yàn)顯示, 四種方式下活性污泥的性質(zhì)也不盡相同。圖5是根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)繪制的四種方式下活性污泥的沉降曲線(xiàn)。曲線(xiàn)前半段的斜率可表示污泥的沉降速率，而后半段的縱坐標(biāo)值和斜率則反映了污泥的壓縮性能。圖中可見(jiàn),

圖5. 四種方式下活性污泥的沉降曲線(xiàn)

圖6. 分級(jí)-A方式下與F₃₀方式下污泥的沉淀狀態(tài)

　　IF、A-F₃₀與分級(jí)-A方式下污泥的沉降性、壓縮性均優(yōu)于F₃₀, 其中IF方式下污泥的沉降性、壓縮性最好，A-F₃₀與分級(jí)-A的相近, 居次。沉降性好, 在沉淀階段有利于固液分離, 而壓縮性好則有利于污泥濃縮與脫水。從濃度梯度角度看, 按IF方式運(yùn)行, 廢水瞬時(shí)進(jìn)入SBR，混合液中的基質(zhì)降解過(guò)程類(lèi)似某一時(shí)刻進(jìn)入連續(xù)、推流式反應(yīng)器的一批混合液中的基質(zhì)降解過(guò)程，濃度梯度大, 因而污泥性能好^[6] 。進(jìn)水時(shí)間越長(zhǎng), 反應(yīng)器的f : r 比(進(jìn)水:反應(yīng)比)增大, 混合液中基質(zhì)濃度梯度越接近完全混合反應(yīng)器^[7], 有利于絲狀菌生長(zhǎng), 污泥性能越差. 因而F₃₀、A-F₃₀與分級(jí)-A方式下的污泥性能要遜于IF方式下的.

　　圖6為按分級(jí)-A方式運(yùn)行的反應(yīng)器(左)與按F₃₀方式運(yùn)行的反應(yīng)器沉淀10分鐘時(shí)污泥的狀態(tài)。

結(jié)論

SBR進(jìn)水階段的長(zhǎng)短、是否曝氣, 反應(yīng)階段曝氣強(qiáng)度的分布都會(huì)影響活性污泥的產(chǎn)率與性質(zhì)。較長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)水和反應(yīng)初期高強(qiáng)度曝氣, 可使反應(yīng)器污泥產(chǎn)率較低; 其中反應(yīng)初期能克服需氧量的高強(qiáng)度曝氣對(duì)降低污泥產(chǎn)率作用明顯。快速進(jìn)水方式下活性污泥的性能最佳。

參考文獻(xiàn)

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