壓力曝氣條件下微生物活性及沉淀性能研究

陳立波，閆廣平

(1.吉林化工學(xué)院 資源與環(huán)境工程學(xué)院，吉林 吉林 132022；2.吉林化工學(xué)院 教師發(fā)展中心，吉林 吉林 132022)

微生物降解廢水中有機(jī)物的速度與微生物的活性有直接關(guān)系.微生物活性越高，其降解有機(jī)物的速度就越快.活性污泥微生物的沉淀效率與活性污泥形成絮狀顆粒粒徑大小和微生物組成有關(guān).污水處理系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提條件是：形成活性較高、沉淀性能優(yōu)良的活性污泥絮凝體.國(guó)外研究表明，反應(yīng)器混合液DO對(duì)菌膠團(tuán)的活性結(jié)構(gòu)、顆粒尺寸有一定影響[1].本研究的目的在于探求不同曝氣壓力條件下，微生物菌群活性、及沉淀性能的變化，為優(yōu)化壓力曝氣生物反應(yīng)系統(tǒng)提供最佳的設(shè)計(jì)參數(shù).

1 試驗(yàn)原理

目前表征活性污泥活性的指標(biāo)有很多，包括比耗氧速率(SOUR)、脫氫酶活性(DHA)、電子傳遞體系(ETS)活性、比三磷酸腺苷(SATP)、污泥的沉降比(SV30)、污泥容積指數(shù)(SVI)、硝化速率、pH、過氧化氫酶活性等[2].本文采用脫氫酶活性表征活性污泥微生物活性，采用污泥沉降比(SV30)、污泥容積指數(shù)(SVI)表征活性污泥微生物沉淀性能，采用顯微攝影反映微生物菌膠團(tuán)的顆粒大小.

1.1 微生物活性測(cè)定原理

在廢水生物氧化分解中，分子氧是生物氧化的最終受氫體，經(jīng)氧化呼吸傳遞給最終受氫體(O2)的氫(H+/e)越多，說明脫氫酶的活性越高，微生物降解有機(jī)物的速度越快.可見，通過檢測(cè)經(jīng)氧化呼吸鏈傳遞氫的速率和強(qiáng)度，可判定脫氫酶活性水平的高低，即微生物降解有機(jī)物的活性.本試驗(yàn)采用2、3、5-氯化三苯基四氮唑(2、3、5-Triphenyl Tetrazolium chloride，即TTC)作為人造受氫體，以取天然受氫體(O2)，TTC在細(xì)胞呼吸過程中接受H+(H+/e)以后，還原產(chǎn)物三苯基四氮唑(Triphenyl Formazone即TF)呈現(xiàn)紅色.TF經(jīng)丙酮萃取后，在波長(zhǎng)485 nm波長(zhǎng)下用分光光度計(jì)測(cè)定溶液光密度，測(cè)定微生物在單位時(shí)間內(nèi)還原TTC所產(chǎn)生TF的微克數(shù)，以此測(cè)定脫氫酶的活性[3,4].

1.2 菌膠團(tuán)沉淀性能測(cè)定原理

以活性污泥靜置沉淀30 min為基礎(chǔ)的兩項(xiàng)指標(biāo)以表示其沉降-濃縮性能.

(1) 污泥沉降比(SV%)：又稱30 min沉淀率.混合液在100 mL量筒內(nèi)靜置30 min后所形成沉淀污泥的容積占原混合液容積的百分率，以%表示.

(2) 污泥體積指數(shù)(污泥指數(shù))(SVI)：曝氣池出口處混合液經(jīng)30 min靜沉后，每克干污泥所形成的沉淀污泥所占的容積，以mL計(jì).其計(jì)算式為；

SVI值能夠反映出活性污泥的凝聚、沉淀性能，SVI值過低，說明泥粒細(xì)小，無機(jī)物含量高，缺乏活性；SVI過高，說明污泥沉降性能不好，并且已有產(chǎn)生膨脹現(xiàn)象的可能[5].

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置以壓力曝氣生物反應(yīng)器為主體設(shè)備，連接外圍設(shè)備及檢測(cè)儀表，見圖1[6].

圖1 研究試驗(yàn)裝

2.2 試驗(yàn)過程

2.2.1 壓力對(duì)微生物活性影響試驗(yàn)過程

在反應(yīng)器中加入COD約為1 000 mg/L的乙醛廢水，保持反應(yīng)器內(nèi)MLSS約為3 000 mg/L，水溫控制在20 ℃左右.改變曝氣壓力(0～0.25 MPa),待曝氣壓力恒定2 h后，讀取反應(yīng)器上部壓力表讀數(shù)和內(nèi)混合液DO，同時(shí)提取反應(yīng)器內(nèi)混合液進(jìn)行分析測(cè)試.

2.2.2 壓力對(duì)微生物沉淀性能影響試驗(yàn)過程

與1.試驗(yàn)過程相同，在提取微生物活性測(cè)試試驗(yàn)樣品的同時(shí)，提取沉淀性能測(cè)試樣品，按照活性污泥SV30和污泥指數(shù)(SVI)的測(cè)定方法分別測(cè)定不同曝氣壓力和DO條件下，反應(yīng)器中活性污泥微生物的沉淀性能指標(biāo).

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 微生物活性測(cè)定結(jié)果與分析

按照2.2試驗(yàn)步驟，分別測(cè)定不同曝氣壓力條件下，活性污泥微生物的吸光度，根據(jù)吸光度和TF濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線，繪制TF濃度隨曝氣壓力和混合液DO的變化曲線見圖2.

DO濃度/mg/L圖2 TF濃度隨曝氣壓力、DO變化趨

圖2顯示：在曝氣壓力為0 MPa時(shí)(即常壓曝氣)，混合液中TF濃度約為20 μg/mL，在曝氣壓力為0.1、0.15、0.20 MPa時(shí)混合液中TF濃度分別為45、60、72 μg/mL.說明壓力曝氣可明顯增大反應(yīng)器混合液微生物的活性，曝氣壓力每增加0.1 MPa，微生物活性增大約1倍，降解有機(jī)物的速度也相應(yīng)增大1倍.由此可見，壓力曝氣生物反應(yīng)器在提高微生物活性及其降解有機(jī)物速度方面是非常有效的.

3.2 微生物菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)

對(duì)不同曝氣壓力下的微生物菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行顯微攝影.圖3、圖4所示的是放大1 000倍的菌膠團(tuán)顯微照片(10倍目鏡，100倍物鏡).照片顯示：曝氣壓力為0.20 MPa時(shí)，活性污泥微生物菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)較大，質(zhì)地較緊密，相對(duì)比重較大，易于沉淀.

圖3 P=0.10 MPa微生物菌膠團(tuán)顯微照片

圖4 P=0.20 MPa微生物菌膠團(tuán)顯微照片

3.3 活性污泥微生物沉淀性能分析

分別提取不同曝氣壓力條件下反應(yīng)器中活性污泥混合液，按照1.2的檢驗(yàn)過程，測(cè)定混合液相應(yīng)的SV30和脫氣(攪拌0.5 h)后SVI指標(biāo)，結(jié)果見圖5、圖6.

DO濃度/mg/L圖5 活性污泥沉降性能(SV30)隨曝氣壓力的變化趨勢(shì)

DO濃度/mg/L圖6 活性污泥沉降性能(脫氣后SVI)隨曝氣壓力的變化趨勢(shì)

圖5表明：在曝氣壓力為0.10～0.15 MPa時(shí)，污泥SV30值達(dá)到70～80%，主要是由于曝氣壓力的增加，溶解與水中的氣體量增大，黏附在活性微生物菌膠團(tuán)上，使污泥菌膠團(tuán)比重變小，不易沉淀；曝氣壓力接近0.20 MPa時(shí)，由于溶解于水中的氣體進(jìn)一步增多，黏附在活性微生物菌膠團(tuán)上的氣泡使菌膠團(tuán)比重小于水的比重，污泥發(fā)生上浮現(xiàn)象，上浮比隨曝氣壓力的增大而減小.

圖6所示,常壓曝氣條件下活性污泥SVI在120～150之間，曝氣壓力為0.25 MPa時(shí)，攪拌脫氣后活性污泥SVI在75～110之間，由此可見，提高反應(yīng)器曝氣壓力，活性污泥沉淀性能有所改善.

曝氣壓力低于0.1 MPa時(shí)，可以采用沉淀方式進(jìn)行泥水分離；曝氣壓力大于0.1 MPa時(shí)，可采取脫氣-沉淀工藝進(jìn)行泥水分離.

4 結(jié) 論

通過上述分析，出以下結(jié)論：

(1) 曝氣壓力每增加0.1 MPa，微生物活性增大約1倍，壓力曝氣生物反應(yīng)器在提高微生物活性及其降解有機(jī)物速度方面是非常有效.

(2) 曝氣壓力為0.20 MPa時(shí)活性污泥菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)較大，質(zhì)地較緊密，相對(duì)比重較大，易于沉淀.

(3) 曝氣壓力為0.25 MPa時(shí)，脫氣后活性污泥SVI在75～110之間，易于沉淀.

(4) 根據(jù)反應(yīng)器曝氣壓力的大小，可以采取沉淀、脫氣-沉淀等工藝進(jìn)行泥水分離.