氧化沟在污水处理中的应用日益广泛,但是氧化沟污泥膨胀问题也日益引起人们的关注｡1973年,Chudoba 第一个明确提出采用生物选择器控制污泥膨胀〔1〕｡之后国内外学者把生物选择器应用于氧化沟中控制污泥膨胀,并对前置生物选择器的改良型氧化沟系统中的氧化沟进行了大量的研究,但对系统中生物选择器的运行参数研究得较少〔2-4〕｡设置了生物选择器后,氧化沟内的底物分布､生物相组成等都发生了变化〔5〕｡因此,生物选择器对氧化沟系统的影响不仅涉及污泥沉降性能,而且对氧化沟的处理效果也有一定影响｡本试验旨在前期采用Carrousel 氧化沟模型处理模拟生活污水的基础上,在氧化沟前端设置一生物选择器,研究生物选择器的分格体积对Carrousel 氧化沟运行效果的影响｡
1 材料与方法
1.1 试验设备及原水
试验装置采用改良型Carrousel 氧化沟中试试验系统,即在氧化沟主体反应器前增置一生物选择器, 如图1 所示｡该系统主要由生物选择器､Carrousel氧化沟和竖流式沉淀池组成, 生物选择器前设置一进水水箱｡生物选择器由PVC 塑料板制成,总有效容积为23.33 L,分6 格,每格3.89 L;主体反应器用不锈钢制成,氧化沟有效容积为240 L,二沉池有效容积为100 L｡生物选择器通过小型潜水泵进行搅拌,反应条件在缺氧和厌氧之间变化｡氧化沟采用表面曝气机进行曝气,由曝气机实现沟内曝气和推流过程(进水处的曝气机主要起曝气作用,后2 个曝气机主要起推流作用),曝气机通过电机控制器实现对氧化沟曝气量和沟内混合液推流程度的控制｡原水和二沉池回流污泥分别通过蠕动泵提升至生物选择器,停留一段时间后,混合液进入氧化沟,最后流到二沉池,二沉池沉淀后的上清液通过溢流堰直接外排,污泥回流比为100%｡中试系统采用间歇排泥,在运行期间每日定时排除一定量的剩余污泥,维持污泥龄为30 d 左右｡
试验用水采用自配废水,水质参考城市污水水质｡自配废水以葡萄糖和淀粉的混合物为有机碳源,氮､磷分别采用氯化铵､磷酸二氢钾进行配制,同时向配水中加入一定量的微量元素｡试验用水水质为COD 400 mg/L､氨氮40 mg/L､总磷4 mg/L,水温为20 ℃左右,pH 为7.3~7.6｡
试验采用24 h 连续进､出水的方式运行｡运行过程中,根据试验进展情况不定期地监测生物选择器和氧化沟沟道中的温度､pH､溶解氧和氧化沟内的MLSS｡在系统调试运行后,分别取原水､生物选择器出水､氧化沟出水和二沉池出水水样进行分析,测定指标包括COD､氨氮､硝态氮､亚硝态氮和总磷｡每天测定并计算氧化沟出水SV30和SVI 值3次,取平均值,以考察污泥沉降性能的变化｡
1.2 分析项目及方法
COD:重铬酸钾法;NH4+-N:纳氏试剂光度法;NO3--N: 紫外分光光度法;NO2--N:N-(1-萘基)-乙二胺光度法;总磷:钼锑抗分光光度法〔6〕;温度､pH和DO:仪器测定;SV30:量筒静置法;MLSS:滤纸重量法;污泥形态:显微镜观察｡
2 结果与分析
2.1 污泥的培养与驯化
试验接种污泥取自运行良好的西安市某污水处理厂二沉池回流污泥｡首先将取回污泥闷曝1 周左右,消除污泥原有菌群特征对试验的影响,然后再将污泥移入生物选择器和氧化沟,通过连续进､出水方式进行培养,经过20 d 左右的培养驯化,系统运行稳定并进入试验研究阶段｡
2.2 生物选择器体积比对运行效果的影响
为了考察生物选择器对氧化沟系统运行效果的影响,本研究采用6 个分格的生物选择器,研究不同体积比(R)对Carrousel 氧化沟运行效果的影响｡选择器的体积比是指生物选择器的实际运行体积与氧化沟体积之比｡当生物选择器的实际运行的分格数分别为1､2､3､4､5､6 时, 对应的体积比分别为1.62%､3.24%､4.86%､6.48%､8.10%､9.72%｡试验过程中,只改变生物选择器体积比,保持系统的其他运行条件不变, 控制氧化沟内溶解氧为0.8~1.2 mg/L,水力停留时间为28 h,MLSS 在2.0 g/L 左右｡
2.2.1 对脱氮及COD 去除效果的影响
生物选择器体积比对生物选择器出水水质的影响见图2｡
图2 体积比对生物选择器出水水质的影响试验研究工业水处理2011- 11,31(11)28由图2 可以看出, 体积比对生物选择器出水COD 的影响不是很显著｡原水进入生物选择器后,出水COD 由400 mg/L 降低到小于150 mg/L｡生物选择器出水氨氮基本上未受到体积比的影响, 氨氮浓度主要由于回流污泥的稀释作用而降低, 降低到只有原水的一半左右,但总量没有明显变化｡回流污泥中携带的硝态氮平均为10 mg/L,其在生物选择器通过发生反硝化反应而去除｡当体积比过小时,生物选择器出水还会存在一部分硝态氮, 反硝化反应不完全｡但当体积比达到3.24%后,生物选择器出水基本上不含硝态氮｡这说明生物选择器的第1 格和第2 格相当于一个缺氧区,之后就相当于厌氧区｡
生物选择器体积比对氧化沟出水水质的影响见图3｡
由图3 可以看出,氧化沟出水COD 受体积比变化的影响较小,系统对有机物的处理效果稳定｡在各种体积比下,出水COD 均在25 mg/L 以下,说明有机物在氧化沟中降解得很完全｡生物选择器体积比对硝化反应影响不大,出水氨氮在1.0~1.7 mg/L,氨氮去除率均超过95%｡但生物选择器体积比对反硝化反应有一定的影响,反硝化反应是同步硝化反硝化的限制条件｡当体积比<4.86%时,随着体积比的增大,出水硝态氮逐渐减小,TN 去除率有上升的趋势;继续增大体积比,出水硝态氮逐渐增大,TN 去除率有下降的趋势｡原因在于体积比增大,相当于原水在生物选择器中的停留时间增大,反硝化菌通过吸附吸收的有机物增多,进入氧化沟后能够为反硝化反应提供更多的碳源｡但当体积比过大时,反硝化菌在生物选择器中的停留时间过长,为了维持自身的生命活动进行的内源呼吸消耗了贮存的有机物,使进入氧化沟中的有机物逐渐减少,反硝化过程逐渐受到碳源的抑制,难以促成反硝化反应的发生｡
2.2.2 对除磷效果的影响生物选择器基本上在缺氧—厌氧条件下运行,前2 格首先去除了回流污泥中带入的硝态氮和亚硝态氮, 为后面厌氧条件聚磷菌的释磷创造了良好的环境｡生物选择器体积比对系统除磷效果的影响见图4｡
由图4 可以看出,当体积比<4.86%时,随着体积比的增大,生物选择器出水TP 逐渐增大,氧化沟出水TP 逐渐减小,系统总磷去除率呈上升趋势｡因为体积比增大就相当于提高了在生物选择器中的水力停留时间, 污泥中的兼性酸化菌能充分地将污水中的大分子有机物分解为可供聚磷菌摄取的低级脂肪酸,并且确保PO43--P 能从污泥中释放出来,从而提高了TP 的去除率｡但从图4 也可看到,当生物选择器的体积比>4.86%后,TP 去除率基本上不再增长,原因可能是体积比过大时,聚磷菌在生物选择器中的停留时间过长, 为了维持自身的生命活动而内源呼吸释放磷,这种磷的释放是无效释放〔7〕,在后续的氧化沟中并不能产生这么多的能量来吸收这些磷,导致了磷去除率不能再提高｡
由图4 可以清楚地看出, 本试验总磷的去除效果不是很理想,TP 去除率基本在60%~70%,氧化沟出水TP 基本介于1.0~1.5 mg/L,远高于0.5 mg/L 的排放标准｡总磷去除率不高的原因:一方面在于原水先进入生物选择器第1 格､第2 格再进入第3 格,原水中易生物降解的有机物将优先被反硝化菌利用,减少了聚磷菌可获得的易降解碳源数量, 降低了除磷效果｡因此,必须将原水分配给第1 格和第3 格,分别同时向反硝化菌和聚磷菌提供碳源, 即分流进水表面上分配的是水量,实际上分配的是碳源〔8〕｡另一方面在试验期间氧化沟污泥龄高达30 d, 而生物除磷污泥龄要求在15~20 d, 磷的去除主要靠微生物的同化作用和剩余污泥的排放, 而同化作用主要是用来维持微生物生长所需的营养,故去除率不高｡为了弥补长污泥龄对除磷的不足, 可以辅以化学除磷｡
2.2.3 对污泥沉降性能的影响
污泥沉降性能对于系统的运行具有重要意义,如果污泥沉降性能不好,容易导致污泥随出水流出,不仅造成出水悬浮物增高, 同时也不利于系统污泥浓度的稳定｡生物选择器体积比对污泥沉降性能的影响见图5｡
由图5 可以看出, 体积比对污泥沉降性能影响显著｡当体积比<4.86%时,随着体积比的增大,SVI逐渐减小,这是因为在过小的体积比条件下,生物选择器不能很好地发挥选择作用, 絮状菌对底物的吸附和降解不够充分, 有相当部分的底物泄露到氧化沟中, 丝状菌利用这些底物在氧化沟中进行生长繁殖; 而当体积比继续增大时,SVI 变化幅度较小,原因在于随着体积比的继续增大, 相当于原水和回流污泥在生物选择器中的停留时间增大, 絮状菌对底物的吸附和降解比较充分, 流到氧化沟中的底物很少, 丝状菌的生长受到抑制, 此时SVI 集中在75mL/g 左右; 但当体积比>8.10%时,SVI 呈上升的趋势｡在试验运行期间, 污泥的沉降比在11%~27%,SVI 维持在63~139 mL/g,污泥保持了良好的沉降性能,这说明生物选择器能够有效地抑制污泥膨胀｡
在试验运行期间生物选择器污泥的颜色由黄褐色逐渐变为黑色,氧化沟中污泥的颜色变化不大｡正常活性污泥是由许多具有絮凝作用的微生物组成的微生物群落〔9〕,氧化沟中污泥镜检结果表明该微生物群落以菌胶团细菌为主,辅以少量的丝状菌,以及大量的钟虫､一定数量的累枝虫和少量的轮虫等｡
3 结论
(1)体积比对系统COD 的去除和硝化反应影响不明显,但对反硝化反应有一定的影响｡当体积比<4.86%时,随着体积比的增大,总氮去除率呈上升的趋势;继续增大体积比,总氮去除率呈下降的趋势｡
(2)体积比对系统总磷的去除有一定的影响｡当体积比<4.86%时,随着体积比的增大,总磷去除率逐渐增大;继续增大体积比,总磷去除率变化不明显｡
(3)生物选择器的设置使污泥保持了良好的沉降性能,有效地抑制了污泥膨胀的发生和发展｡
