好氧掛膜過(guò)程的溶解氧和pH值變化特征初步研究

曾善文，黃 銳，馬若霞，石 廣，伍 靈

(1.國(guó)家電投集團(tuán)遠(yuǎn)達(dá)環(huán)保工程有限公司重慶科技分公司，重慶 401122;2.國(guó)家電投集團(tuán)遠(yuǎn)達(dá)環(huán)保股份有限公司，重慶 401123)

引 言

活性污泥法和生物膜法是污水處理過(guò)程中被廣泛接受的兩種方法，相較來(lái)說(shuō)，活性污泥法有更為廣泛的應(yīng)用，但是在水環(huán)境要求越發(fā)嚴(yán)苛的當(dāng)下，生物膜法因其耐沖擊能力強(qiáng)、無(wú)污泥膨脹、無(wú)需回流、占地面積小、運(yùn)行穩(wěn)定等[1-2]優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越被人們重視。

關(guān)于好氧掛膜過(guò)程的研究，文獻(xiàn)報(bào)道多集中在掛膜速率、方式、效果等。張杰等[3]研究了好氧條件下不同進(jìn)水方式的掛膜效果，結(jié)果表明掛膜方法采用逐漸增加進(jìn)水流量的方式可以加快掛膜過(guò)程的啟動(dòng)。林英姿等[4]研究不同啟動(dòng)方法對(duì)掛膜過(guò)程的影響，結(jié)果表明好氧預(yù)掛膜比低負(fù)荷啟動(dòng)法啟動(dòng)時(shí)間更短, COD去除率更好且出水pH更穩(wěn)定。傅金祥等[5]以不同來(lái)源廢水作基質(zhì)開展了曝氣生物濾池的掛膜研究，結(jié)果表明以污水處理廠初沉池出水為基質(zhì), 掛膜速度最快。施悅等[6]以高濃度難降解中藥廢水為底物、好氧污泥為種泥進(jìn)行了好氧預(yù)掛膜研究，13d就完成快速啟動(dòng)。

DO、pH是水處理領(lǐng)域中最常見、便宜的在線監(jiān)測(cè)手段[7]，因?yàn)樯^(guò)程常常伴隨著DO及質(zhì)子濃度的變化，DO、pH常常作為一種在線信號(hào)用于生化過(guò)程的在線指導(dǎo)，如，Johnson等[8]利用DO的躍遷信號(hào)來(lái)指示微生物合成聚羥基脂肪酸(PHAs)的終點(diǎn)，盧培利等[9]通過(guò)DO信號(hào)了測(cè)試廢水中COD的組分，Zhang等[10]利用pH信號(hào)變化來(lái)指示控制短程硝化反硝化過(guò)程，王華等[11]利用pH信號(hào)來(lái)估計(jì)揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)的濃度。然而，好氧掛膜研究領(lǐng)域的文獻(xiàn)報(bào)道僅將DO及pH作為掛膜過(guò)程的條件控制，如張杰等[3]將供氣量控制在200L/h及300L/h、石明巖等[12]采用間歇曝氣的方式進(jìn)行掛膜、魏巍等[13]將好氧掛膜過(guò)程的DO控制在2～4mg/L等等，但是還鮮少有文獻(xiàn)將DO、pH作為在線信號(hào)來(lái)分析好氧掛膜過(guò)程。本研究對(duì)好氧掛膜過(guò)程的DO及pH在線信號(hào)進(jìn)行分析，旨在為微生物好氧掛膜過(guò)程提供在線數(shù)據(jù)指導(dǎo)，對(duì)生物膜法在廢水處理領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用具有深遠(yuǎn)意義。

1 材料與方法

實(shí)驗(yàn)在1個(gè)2L的大燒杯中進(jìn)行，設(shè)置一組重復(fù)試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)周期為12h，水力停留時(shí)間(HRT)為24h。實(shí)驗(yàn)用接種微生物外購(gòu)，掛膜用外購(gòu)蜂窩狀濾料直徑約10mm，初始污泥濃度>2g/L。實(shí)驗(yàn)在磁力攪拌器上進(jìn)行，保證實(shí)驗(yàn)過(guò)程為完全混合狀態(tài)，同時(shí)通過(guò)增氧機(jī)連接微孔曝氣頭進(jìn)行供氧，保證反應(yīng)體系中的DO>2mg/L，微濾曝氣頭放置于燒杯底部，在磁力攪拌的共同作用下保證濾料為懸浮狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)溫度在常溫下進(jìn)行，pH不控制。配置的人工碳源為乙酸鈉，保證進(jìn)水COD保持在300mg/L左右，COD∶N∶P=200～300∶5∶1[6]，在投加碳、氮、磷的同時(shí)投加少量微量元素保持微生物的生長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用哈希HQD便攜式水質(zhì)多參數(shù)檢測(cè)儀對(duì)DO及pH進(jìn)行30min間歇監(jiān)測(cè)。取每日出水COD進(jìn)行檢測(cè)，COD的檢測(cè)采用快速消解法[14]。

2 結(jié)果與討論

2.1 好氧掛膜過(guò)程中的出水COD變化

如圖1所示，在進(jìn)水COD維持在300mg/L進(jìn)行好氧條件下的掛膜操作，出水COD從135mg/L降低到最低51mg/L，對(duì)應(yīng)的COD去除率從55%提高到83%。COD出水及去除率達(dá)在約7d達(dá)到最佳，后續(xù)基本維持平穩(wěn)狀態(tài)，這也意味著好氧掛膜過(guò)程在7d時(shí)間就能達(dá)到穩(wěn)定，與張杰等[3]及石明巖等[12]報(bào)道的快速掛膜時(shí)間相近，略快于施悅等[6]報(bào)道的13d，陳寰等[15]報(bào)道的約20d及李悅等[16]報(bào)道的21d，遠(yuǎn)快于常規(guī)厭氧掛膜時(shí)間(8～12周)[17]。

圖1 好氧掛膜過(guò)程中出水COD及COD去除率變化曲線Fig.1 The removal efficiency of COD and effluent COD in aerobic film cultivation process

2.2 好氧掛膜過(guò)程中的DO信號(hào)

圖2表示好氧掛膜啟動(dòng)時(shí)刻(DAY1)、啟動(dòng)過(guò)程中(DAY3)及穩(wěn)定狀態(tài)(DAY7)的DO信號(hào)變化情況，DAY1、DAY3及DAY7的DO躍遷時(shí)刻分別為240min、210min、180min。明顯的，隨著好氧掛膜過(guò)程的進(jìn)行，DO躍遷時(shí)刻點(diǎn)在逐漸縮短，這意味著掛膜體系中的活性污泥對(duì)COD的降解速率在加快。

圖2 好氧掛膜過(guò)程中的DO信號(hào)Fig.2 The signal of DO in aerobic film cultivation process

好氧活性污泥降解COD所發(fā)生的生化反應(yīng)簡(jiǎn)式如下：

(1)

如式(1)，COD在好氧條件下的的降解為微生物的生長(zhǎng)提供物質(zhì)和能量來(lái)源，如果詳細(xì)的考慮COD降解與O2的系數(shù)關(guān)系，可以參考國(guó)際水協(xié)(International Water Association，IWA)開發(fā)的活性污泥1號(hào)模型(Activated sludge model No.1，ASM1)[18]，關(guān)系如下：

(2)

式中：SS表示溶解性可生物降解COD含量；

SO表示溶解氧含量；

YH表示異養(yǎng)菌的產(chǎn)率系數(shù)，在相同的污泥條件下，這一數(shù)值為常數(shù)。

從式(2)可知，COD降解和O2消耗存在一一對(duì)應(yīng)的線性關(guān)系，這是在線DO信號(hào)能夠用來(lái)表征掛膜過(guò)程的理論依據(jù)。

2.3 好氧掛膜過(guò)程中的pH信號(hào)

圖3表示好氧過(guò)膜啟動(dòng)時(shí)刻(DAY1)、啟動(dòng)過(guò)程中(DAY3)及穩(wěn)定狀態(tài)(DAY7)的pH信號(hào)變化情況，3組pH在線信號(hào)表現(xiàn)出相似的變化趨勢(shì)，變化有陡逐漸趨向于平順，平順時(shí)刻點(diǎn)意味著COD降解完全，DAY1、DAY3及DAY7的pH平順時(shí)刻分別為240min、210min、180min，這一指示情況與DO相同。

圖3 好氧掛膜過(guò)程中的pH信號(hào)Fig.3 The signal of pH in aerobic film cultivation process

在線pH平順時(shí)刻可以用來(lái)指示好氧過(guò)膜過(guò)程，參考Guisasola等[7]解讀好氧掛膜過(guò)程中pH變化的原理，pH變化主要由基質(zhì)吸收及體系中CO2的變化引起。

本研究好氧掛膜過(guò)程選取的基質(zhì)是乙酸鈉，而乙酸的pKa小于5(25℃下，pKAc=4.8)。因此，在實(shí)驗(yàn)條件下，它們幾乎完全以離子態(tài)形式存在。但是，微生物吸收基質(zhì)時(shí)，乙酸鈉被吸收時(shí)以中性分子態(tài)穿過(guò)細(xì)胞壁。因此，乙酸鈉降解過(guò)程會(huì)產(chǎn)生OH-(見式1)，這是pH持續(xù)上升的原因(見圖3)。該平衡的HP可計(jì)算為式(3)：

(3)

溶液中碳酸鹽體系的平衡見式(4)：

(4)

(25℃下，pK1=6.36，pK2=10.35)

(5)

式中：CO2production、CO2stripping-CO2產(chǎn)生和吹脫量；

pH-系統(tǒng)pH值。

3 結(jié) 論

逐漸縮小的DO躍遷點(diǎn)時(shí)刻及pH的平順點(diǎn)時(shí)刻表明掛膜過(guò)程在逐漸趨向于穩(wěn)定，同時(shí)，DO的躍遷點(diǎn)信號(hào)及pH的平順點(diǎn)信號(hào)預(yù)示著掛膜過(guò)程中COD的降解完全，微生物進(jìn)入閑置狀態(tài)。利用DO及pH的在線信號(hào)可以很好的表征好氧掛膜過(guò)程。