好氧颗粒污泥动力学参数对出水水质的影响特征

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摘要：试验采用序批式反应器(SBR)研究了好氧颗粒在不同的进水负荷条件下比耗氧速率（SOUR）和有效扩散系数（De）对出水水质的影响特征。结果表明高进水负荷条件下污泥SOUR大，出水SS浓度高，出水NO3--N浓度较低。对于颗粒 De大的，其出水SS浓度低，而出水NO3--N浓度较高。

关键词：好氧颗粒污泥；比耗氧速率；扩散系数

中图分类号： TU991.21文献标识码：A 文章编号：

好氧颗粒污泥是一门新兴技术，与厌氧颗粒污泥相比，污泥代谢活性高、运行连续性强及出水水质好等，而备受青睐。比耗氧速率（SOUR）是反映好氧颗粒污泥活性的重要参数之一，影响颗粒污泥的新陈代谢和生长繁殖,在分析和评价系统处理能力上受到国内外专家的广泛重视[1-3]，扩散系数(De)是反映污泥颗粒化程度的主要参数。研究污水生物处理系统的SOUR和De监测技术,对于促进污水生物处理技术的发展,具有十分重要的意义。目前国内外对好氧颗粒污泥动力学参数影响出水水质的研究鲜为报道。因此本实验采用人工配水，研究好氧颗粒污泥SOUR和De对出水水质的影响特征。

1实验装置与方法

1.1实验装置与运行参数

实验采用的SBR反应器由有机玻璃制成，反应器的内径50mm,高1500mm，总体积3L，效体积2L,每周期换水量1L，反应器底部设置曝气器，经曝气泵进行曝气，通过空气流量计控制气体流量，控制在2L・min-1。模拟废水经潜水泵进入SBR反应器，由蠕动泵排水，反应器的不同高度均设置有采样口，装置如图1所：

图1实验装置示意图

Fig.1Schematic diagram of the experiment installation

整个装置为间歇进水，一天8个周期，每个周期180min,其中进水2min,曝气157～167min,

沉淀5～15min，排水6min，反应器的水温由水浴套管控制在25℃。

1.2 接种污泥

本实验采用西安市邓家村污水处理厂A2/O二沉池的回流污泥为接种污泥，污泥沉降性能差，没有颗粒存在，两个反应器各接种污泥500mL。

废水水质

本试验采用的废水为人工模拟废水，以葡萄糖和醋酸钠为碳源，氯化铵为氮源，磷酸氢二钾和磷酸二氢钾为磷源,进水COD浓度400～2000mg・L-1，氨氮均为400mg・L-1，微量元素根据文献配制[4]。

1.4 检测项目与分析方法

实验主要测定好氧颗粒污泥SOUR、De、出水SS、出水NO3--N，通过对污泥表面DO的测定计算出比耗氧速率和扩散系数[5-9]，DO采用数显的便携式DO测定仪（YSI，Model52，USA），出水SS、出水NO3--N均采用标准方法[10]。

2结果与讨论

2.1SOUR对出水水质的影响

① SOUR对出水SS影响

比耗氧速率(Specific Oxygen Uptake Rate简写SOUR)是指单位生物量在单位时间内消耗氧气的速率，间接表征了微生物活性及其对有机物的降解速率[11]。本研究发现在高负荷的条件下（R2）其比好氧速率较大（见图2），表明微生物活性较高。换言之，微生物降解COD的速率较大。有研究表明高负荷条件下的快速增殖颗粒的密实度往往有所降低 [12]，在本研究中，高负荷条件下其出水SS浓度偏高(见图2)。需要指出的是相对于普通的SBR污泥系统，好氧颗粒污泥系统由于采用了较短的沉淀时间，其出水SS浓度往往偏高[13],本实验的研究结果表明，在同样较短的沉淀时间操作条件下，较低SOUR的污泥系统其出水SS浓度较低，因此通过控制好氧颗粒污泥微生物的活性可能是控制其出水SS浓度的一条有效途径。

图2SOUR对出水SS的影响

Fig 2Effects of SOUR on the exceeding SS

② SOUR对出水NO3--N影响

研究表明N/COD比值对于颗粒污泥系统的自养菌和异养菌的分布有重要的影响，即该比值越大，自养菌越多，进而体现较好的硝化性能[14]。在本实验中R1和R2的N/COD比值分别为1和0.25。因此R1中的自养硝化菌数量加多，其出水NO3--N浓度较高。而R2中的N/COD比值小，反应器内异氧菌占优势，对进水中有机物降解彻底，所以其出水NO3--N

浓度低。

图3SOUR对出水硝氮的影响

Fig 3Effects of SOUR on the exceeding NO3--N

2.2扩散系数对出水水质的影响

① 扩散系数对出水SS的影响

实验对两个不同进水浓度反应器中的污泥的扩散系数进行了计算。在培养的0～48d间，反应器R1中好氧颗粒污泥的De总体上高于R2的，而出水SS的浓度是R1小于R2的。其原因在于R1中微生物以自养菌为主，颗粒结构密实、粒径小。有研究表明，当颗粒粒径小于0.6mm时，其溶解氧的扩散不会受到限制[15]，这与本研究中所测得R1中较高的De值结果一致。由于内部微生物可以获得充足的氧和基质，因此所形成的颗粒较为密实，在外界大的剪切力或搅拌的作用下不易分层，所以其出水SS小。而R2中高的进水COD为异养菌的生长提供了条件，微生物不断从外界获取营养形成自身的细胞，颗粒粒径不断增大，传质阻力所有增大，造成颗粒内部缺少基质，甚至发生微生物细胞的自溶，从而导致颗粒分层，在较强的剪切力条件下，容易发生破碎，因此其出水SS值较高。由此可以看出颗粒的大小对扩散系数有较大的影响，而扩散系数是决定颗粒结构是否分层的关键因素，一旦出现分层结构，往往由于颗粒的破碎会导致较高的出水SS。

图4扩散系数对出水SS的影响

Fig 4Effects of diffusivity coefficient in on the exceeding SS

② 扩散系数对出水NO3--N的影响

R2中进水COD负荷高，因此其异养菌数量多，对硝化作用的抑制也大，所以出水NO3--N浓度低（见图5），而R1中的自养菌为优势菌，异养菌数量较少，有利于硝化作用的进行，所以其出水NO3--N浓度高。一般而言，自养硝化菌有自凝聚的特性，也只能以凝聚的形态存在，因此密实结构对于自养菌在生态上是有利的。也有研究发现自养菌主要分布在颗粒的表面，而异养菌分布在颗粒的内部和表面[16-17]，因此扩散系数可能对自养菌的影响不大，但对异养菌有影响，扩散系数大的颗粒污泥其异养菌的数量相对较少。

图5扩散系数对出水氨氮和硝氮的影响

Fig 5Effects of diffusivity coefficient in on the exceeding NO3--N

3结论

① 高进水负荷条件下污泥SOUR大，颗粒的密实度小，因此出水SS大。对于出水中NO3--N的去除效果，反应器进水的N/COD比值越大，自养菌越多，因此其出水NO3--N浓度较高

② R1内的颗粒密实、粒径小，其与溶解氧接触充分，De大，颗粒内外性质相似，不易分层，出水SS小。R2进水COD负荷高，异养菌数量多，对硝化作用的抑制越大，因此出水NO3--N浓度小。

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