不同曝气强度下SBR污染物去除性能研究

于阳阳， 于少亭， 张淑君， 冯 骞， 王 萧， 闫玉涛， 钟天意

（1.河海大学环境学院， 江苏 南京 210098；2.河海大学力学与材料学院， 江苏 南京 210098）

0 引言

活性污泥工艺是城市生活、工业污水处理中应用最为广泛的处理技术。活性污泥是由细菌、微型动物为主的微生物与悬浮、胶体物质组成的絮凝体颗粒[1]，在微生物群体新陈代谢作用下，将有机物转化为稳定无机物，实现污染物的降解。活性污泥作为工艺中的主体因素，其浓度、活性及污染物降解特性的变化直接关系到出水水质的好坏[2]。

反应器内水动力条件是影响污泥活性、污染物去除效率等特性的重要因素，其与系统内物质传递及反应器运行性能紧密相关[3-4]。反应器曝气过程引起紊动是造成水动力条件—水流剪切作用差异的重要原因之一[5]。曝气过程为活性污泥提供必要的溶解氧、促进泥水混合，通过改变水动力条件加强传质作用[6－7]，且曝气所形成水力剪切作用对污泥理化、生物特性产生直接影响[8－10]，进而影响系统处理能力。曝气过程所需电量占整个污水厂能耗的大部分[11]。综上所述，在不同曝气强度的条件下，探究其对系统污染物去除能力的影响机制，对合理安排曝气强度、提升处理效果、降低系统能耗具有重要的理论和现实意义[5]。

目前，有关曝气强度对活性污泥系统运行及处理能力影响机制的研究主要集中在污泥理化特性、污泥结构、胞外聚合物变化、微生物种群结构等[3,6,12－13]方面，而通过考察不同曝气条件下污泥活性及内部氧传质行为，来解释系统污染物去除能力差异的报道较少。因而本文采用在不同曝气强度下运行小型序批式反应器（Sequencing batch reactor，SBR）的方式，探究其对污泥活性、氧渗透深度的作用，阐述曝气强度的变化对系统污染物去除能力的影响。

1 材料与方法

1.1 实验装置

实验装置为6组相同柱状SBR反应器，见图1。整个装置由反应器主体、进水系统、排水系统、曝气系统及恒温系统组成。反应器主体直径15 cm，高30 cm，装置有效容积为4.0 L，排水比为50%。SBR反应器运行周期为6 h，包括进水10 min，曝气4 h，沉淀 1 h，排水 15 min，闲置 35 min。实验采用砂芯曝气头曝气，空气流量计(LZB－6WB，20～200 L/h)控制6组装置的曝气强度Q分别为40，80，100，120，140，160 L/h。 由水浴恒温装置提供25℃左右的回流水以保证反应温度恒定。实验中污泥质量浓度基本保持在3 000 mg/L左右。

图1 反应器示意

1.2 接种污泥与进水水质

接种污泥取自城市生活污水处理厂，清水冲洗，曝气6～8 h去除原有基质，避免其对实验结果产生影响。

进水水质参考生活污水指标，分别以无水乙酸钠(404 mg/L)、氯化铵(120 mg/L)、磷酸二氢钾(24 mg/L)为碳、氮、磷源，并加入七水合硫酸镁(10 mg/L)、二水合氯化钙(15 mg/L)及微量元素混合液（0.5 mL/L）进行配制。微量元素混合液组成：H3BO3(2 mg/L)，Fe-Cl2·4H2O(2 mg/L)，EDTA(2 mg/L)，ZnCl2·4H2O(0.4 mg/L)，MnCl2·4H2O(0.8 mg/L)，CuCl2·2H2O(0.2 mg/L)，(NH4)6MO7·4H2O(1.1 mg/L)，NiCl2·6H2O(1.0 mg/L)。

1.3 分析项目与方法

1.3.1 水动力条件表征

反应器曝气强度的不同，导致其水动力条件（剪切作用）存在差异。不同强度剪切作用是导致污泥特性变化的重要原因。鉴于此，量化表征反应器水动力条件，以便分析剪切作用对污泥活性、氧渗透深度的影响。本文采用速度梯度（G）值表征各反应器中水动力条件的差异，其值按下式进行计算[5,14]：

式中：WA为曝气过程所输入的能量，J/s；μ为流体动力粘滞系数，N·s/m2；V为搅动水体体积，m3；VA为单位体积污水曝气量，m3/m3；Qw为污水量，m3/d；H为曝气深度，m。

6组反应器的G值见表1。

表1 反应器水动力条件

1.3.2 污泥活性指标及常规指标

本研究采用污泥比耗氧速率(SOUR)表征污泥活性[15]，即通过测定污泥呼吸速率间接表征污泥的微生物活性。

常规检测指标及方法[16]：COD浓度采用消解法测定；氨氮浓度采用纳氏试剂分光光度法测定；pH值测定采用HACH－sension2型pH计；溶解氧测定采用HACH－HQ30d便携式溶仪。

2 结果与讨论

2.1 污染物去除效率

不同曝气强度对各组反应器COD去除率的影响见图2。

图2 不同曝气强度对COD去除率的影响

不同曝气强度对各组反应器氨氮去除率的影响见图3。

图3 不同曝气强度对氨氮去除率的影响

由图2，图3可见，不同曝气强度下各组反应器COD及氨氮去除效率的长期变化趋势具有一定相似性：随时间增加，各组反应器对两类污染物的去除率均逐步增高。运行30 d后，各反应器COD去除率均趋于稳定。稳定后，6组反应器COD平均去除率分别为 87.49%，91.37%，95.60%，91.88%，90.96%和88.14%。而各组反应器氨氮去除率在运行40 d后至稳定，平均去除率分别为达到90.83%，93.21%，95.86%，91.47%，89.50%和88.48%。而对比稳定期各组反应器的处理效率数据可发现，随曝气量的增加，COD及氨氮的去除率均先升后降，在R3(Q=100 L/h)反应器中COD与氨氮的去除率均达到最高。

2.2 影响机理分析

2.2.1 污泥SOUR活性

反应器内污泥的代谢活性对系统降解污染物能力具有重要影响。为进一步解释活性污泥在不同曝气强度下污染物去除能力的差异，在稳定期对各反应器内的污泥进行SOUR测定，表征污泥代谢活性。不同曝气强度对活性污泥SOUR的影响见图4。随着曝气强度的逐步增大，稳定状态下的污泥SOUR活性呈现先增大后减小的规律。Q为100 L/h时，污泥活性最强，SOUR值达到46.0 mg/(g·h)，曝气强度为160 L/h条件下污泥活性最低，SOUR值低至25.1 mg/(g·h)。

以上表明，在一定范围内增加曝气强度有助提高污泥活性[5]，而曝气强度过大却会对污泥活性产生抑制。这是因为微生物处于一定强度剪切力作用下，会调节代谢途径、提升代谢作用强度以维持自身结构。一定范围内，曝气强度越大对微生物代谢的促进作用越大。而过强曝气剪切条件下微生物种群发生了变化，普通菌胶团菌减少，可能是微生物活性受到抑制的原因[17]。

图4 不同曝气强度对活性污泥SOUR的影响

2.2.2 氧渗透

由同步硝化反硝化及微环境理论[18-19]可知，污泥内部存在氧传递行为，但受到传质阻力的影响导致污泥内部存在溶解氧浓度梯度，因而在污泥内部形成了好氧与缺氧区域，使得硝化反硝化反应能同时在污泥内部进行。因此在实验稳定期，对各反应器内活性污泥氧渗透深度进行测算，为了对比不同污泥粒径条件下氧渗透深度与污染物去除能力的关系，以污泥内部缺氧区域占比(η)作为表征指标。所采取的计算方法为[20]：

式中：δ为污泥平均半径，μm；δpf为氧渗透深度，μm；D为氧扩散系数，取 1.97 × 10-9m2/s；Csi为污泥表面溶解氧质量浓度，mg/L；qmax为各反应器内最大比耗氧速率；cxf为污泥质量浓度，g/L。

由上述公式可知，活性污泥的氧渗透深度受曝气剪切（影响污泥聚集体尺寸及污泥活性）、溶解氧浓度和污泥浓度等多因素共同影响。结果见图5。

图5 不同曝气强度下污泥内部缺氧区域占比

由图5可见，曝气作用增大，导致各反应器内缺氧区域占比先增后减，曝气强度为100 L/h时，缺氧区域占比最大，约68.45%，这可能是由于流体剪切的适当提高增加了污泥耗氧活性，同时刺激胞外聚合物分泌从而增大污泥内部溶解氧传递阻力[20]所共同导致的。而继续提高曝气量，微生物活性受剪切作用抑制，耗氧量降低，且剪切作用影响污泥聚集体的结构，减小粒径，导致氧渗透的深度增大，缺氧占比减小。

从上述结果及分析可知，SBR反应器中曝气强度不同所导致的水动力差异（主要是剪切作用）是污泥活性以及缺氧区域占比变化的重要因素。而剪切作用又将通过污泥活性的变化以及氧渗透的差异进一步影响到污染物的降解去除。

2.2.3 机理分析

综合反应器内活性污泥SOUR活性及氧渗透比例的变化，对不同曝气强度下系统处理能力的差异加以分析。曝气强度由40 L/h增加至100 L/h，G值随之由57.8 s-1增至91.3 s-1，使流体剪切力增大，而适当加强剪切作用提高污泥代谢活性，加速消耗有机质，进而提升了COD去除效率。继续增加160 L/h（G=115.5 s-1），COD去除率呈现下降趋势，这是因为：一方面剪切作用过强使污泥代谢活性降低，减缓了有机物的消耗；另一方面，强剪切作用剥蚀污泥且促使污泥分泌更多的溶解性微生物产物(SMP)，从而使得污水中有机质含量升高。

根据同步硝化反硝化及微环境理论，结合各组活性污泥稳定期的氧渗透变化结果，可以更好地解释好氧实验条件下氨氮去除能力的变化。反应器R1，R2及R3中，随曝气强度增加，氨氮去除效率提高的原因为：提升曝气强度，G值增大导致剪切作用加强，促进微生物活性；污泥外部溶解氧充足，硝化过程不受明显影响，而污泥内部缺氧区域随曝气强度增加而增大，更有利于反硝化过程进行，进而使其氨氮去除能力加强。而进一步增大曝气，反应器内过大的水力剪切可能对硝化菌活性产生抑制。同时，缺氧区域随氧渗透深度减小而减小也限制了氨氮的去除。

3 结论

（1）6组反应器内活性污泥系统对COD及氨氮的去除效率均呈现先增大后逐渐稳定的趋势。随着曝气强度增大，稳定期COD和氨氮去除效率呈现出先增大后减小的规律，R3（Q=100 L/h）反应器COD及氨氮去除率最高，分别为95.6%和95.86%。

（2）在稳定期，曝气强度的增大，使污泥SOUR活性呈现先增大后减小的规律。其中反应器R3(G=91.3 s-1)中的污泥活性最强，SOUR值达到46.0 mg/(g·h)，而反应器 R6(G=115.5 s-1)污泥活性最低，仅25.1 mg/(g·h)；各反应器中污泥内部的缺氧区域比例随曝气强度增大而呈现先增大后减小的趋势，R3中缺氧比例最大，约为68.45%。据分析可知，曝气引起的剪切作用是影响污泥活性及氧渗透的重要因素。

（3）从反应器曝气条件变化对污泥SOUR活性、氧渗透比例及污染物去除效果影响的结果来看，适当增加反应器曝气强度有助于污泥活性的提升，增大污泥内部缺氧区域占比，增强污泥系统的污染物去除能力。在本文的实验条件下，曝气强度为100 L/h,速度梯度为91.3 s-1时提供了最优的反应条件。