微氧水处理技术的特性及应用研究进展

摘要: 对于传统的好氧和厌氧而言, 微氧水处理技术是在克服好氧反应能耗较大, 厌氧反应器对于设备要求较高而出现的。微氧过程中包含的反应有短程硝化和反硝化、同时硝化与反硝化、氧化降解等反应, 因此微氧水处理技术可以应用于有机物降解和深度处理。由于显著降低了曝气量, 又不需要较高的设备要求, 因此又是一种节能的技术。

关键词: 微氧; 反应器; 好氧; 厌氧; 污水处理

中图分类号: TQ085 文献标识码: A 文章编号: !1009 - 2455( 2007) 02 - 0005 – 04 Characteris tics of micro- aerobic water treatment technologyand its res earch progres sGAO Li- jie, XIAO Yu- tang, GAO Guan- dao, MA Cheng( College of Environmental Science and Engineering, Nankai University, Tianjin 300071, China)

Abstr act : In order to solve the problems of the conventional aerobic and anaerobic process that the energy-exhausting of aerobic reaction was great and the requirement for equipments of anaerobic reactor was high, micro-aerobic water treatment technology was developed. For many reactions were included in the micro- aerobic process,such as short - cut nitrification and denitrification, simultaneous nitrification and denitrification, oxidationdegradation and so on, it could be used in organic compounds degradation and advanced treatment. As the micro-aerobic technology could reduce the aeration volume obviously, and the requirement for equipment was not so high,it was also considered to be an energy- saving technology.

Keywords : micro- aerobic; reactor; aerobic; anaerobic; wastewater treatment

在水处理反应的分类中, 根据环境溶解氧浓度的不同将其分为好氧反应(溶解氧的质量浓度在1.0mg/L 以上)、厌氧反应(溶解氧的质量浓度在0.3mg/L以下, 且不含有硝态氧)和兼氧反应(溶解氧的质量浓度在 0.4～0.7 mg/L之间)。好氧反应具有反应速度快, 进行得比较彻底的优点, 但是为了保持系统中较快的反应速率, 常常使溶解氧的质量浓度保持在 2.0 mg/L 左右, 这就使得好氧反应能耗很高, 一般鼓风曝气系统的曝气能耗就可以占到水厂总能耗的40% ～50%[1]。厌氧反应的运行费用较低, 并可产生提供能源的甲烷气体, 但要维持厌氧的环境, 前期的基建设备投资非常大, 而且厌氧反应速率较慢, 出水需要后续处理。微氧技术正是结合了好氧和厌氧优点而发展起来的。

传统的观点认为, 好氧反应和厌氧反应是两个独立的过程。好氧反应需要以氧作为电子受体, 而氧对厌氧菌有毒害或抑制作用, 因此多把好氧与厌氧过程单独研究。但是事实上, 局部或微厌氧环境的存在(如颗粒污泥的内部厌氧与外部好氧) , 证明了厌氧菌和好氧菌可以在同一个反应器内共存。Zitomer 等[2]研究了在微氧条件下, 同一污泥体系中可同时进行好氧和产甲烷过程, 该过程良好地结合了好氧和厌氧处理的优点: 出水COD浓度低,剩余污泥量小以及可使一系列特殊的有机物矿化。

微氧是近几年才发展起来的一种水处理技术,迄今未给出一个严格的定义, 但从文献[2-13] 中可以看出, 微氧一般是指反应器内的环境溶解氧的质量浓度在0.3 ～1.0 mg/L, 通过培养的微氧颗粒污泥来降解有机物。微氧颗粒污泥一般是通过消化污泥或厌氧颗粒污泥适当地添加溶解氧而培养起来的[2-4, 9-11]。

1 微氧水处理技术的特点

微氧水处理技术融好氧、厌氧和兼氧环境于同一反应器中, 因此在微生物特性和降解特性上表现出诸多与好氧或厌氧不同的特点。

1.1 微生物特性

由于微氧体系中存在着 3 种溶解氧条件, 因此好氧菌、兼性菌和厌氧菌同时出现, 并依据环境溶解氧的相对高低决定 3 种微生物的数目比例。相比于单纯的好氧或厌氧, 微氧体系中微生物的种类更加全面, 各种微生物相互协同, 共同完成降解功能。初里冰等[3]利用膜生物反应器在微氧条件下处理合成废水, 对厌氧颗粒污泥和微氧颗粒污泥的性质作了比较, 见表1。

从表 1 中可以看出微氧颗粒污泥的性质与厌氧颗粒污泥相似, 并保持着较好的沉降性能, 最主要的是微氧颗粒污泥也保持了较高的产甲烷活性。

1.2 有机物的降解特性

微生物降解有机物是将一部分大分子有机物氧化成小分子有机物或直接氧化成二氧化碳, 从而提供微生物生长的能源; 另一部分则用于合成自身的细胞物质。在好氧反应中氧作为最终的电子受体,而在厌氧反应中则是以化合态的盐、碳、硫、氮等作为电子受体, 氧对厌氧微生物有毒害作用, 兼氧微生物可以分别在有氧和无氧两种条件下降解有机物。在微氧体系中, 好氧菌和兼氧菌利用着环境中微量氧降解水中小分子有机物, 从而解除了有机酸和氧对产甲烷菌的毒害和抑制作用, 使产甲烷过程顺利进行; 另一方面, 颗粒污泥的形成保证了在其内部的厌氧环境, 从而为厌氧菌的生存提供条件。这样, 好氧、兼氧和厌氧反应同时在同一反应器内进行, 无需在时间或空间上分开, 从而传质及时,反应比较彻底。Linlin Hu 等[4]在不同的通气量下对 SBR 反应器中的有机物的去除做过研究: 在通气量分别为60 、40 L/h(溶解氧的质量浓度在0.5 mg/L 左右,为微氧环境)的条件下, 300 min 后COD的质量浓度就从 300 mg/L左右降到了50 mg/L 左右的较低水平, 之后变化不大。初里冰等[3]利用膜生物反应器在微氧条件下同时去除COD 和氮, 结果证明系统的 COD去除率在 94% 以上, 膜出水一直稳定在15 ～35 mg/L, 反应器上清液 COD的质量浓度可达90 ～141 mg/L。

1.3 污泥产量

微氧条件下, 污泥产量比较低, 也比厌氧条件下的污泥产量低。Zitomer[5]在血清瓶中分别以乙醇和丙酸为底物, 氧气的添加量分别为COD质量的0%、10%、30%, 用于考察系统的污泥产率系数和COD转化的情况。不同氧添加量和底物条件下的

污泥产率系数见表 2。

其中 10%和 30%的氧添加量属于微氧的范围,相对于好氧条件下乙醇和丙酸为底物的污泥产率系数(分别为 0.45 和 0.42 g[VSS] /g[COD]) , 微氧的污泥产率系数还是很小的, 因此, 处理相同水量只产生少量污泥, 减小后续处理的压力, 节约成本。另外, Zitomer 同时对微氧条件下 COD的转化情况作了研究, 表明微氧条件下有 45% ～95% 的COD直接转化为甲烷, 5% ～10% 的COD用于生物合成。而传统好氧处理系统在 SRT为10 d的情况下,有约 60% 用于生物合成。

1.4 氮的去除

微氧条件下氮的去除较为复杂, 主要是因为溶解氧低时反应器中出现了一些新现象, 包括污泥颗粒化(sludge granulation)、短程硝化作用(short- cutnitrification- denitrification)、同时硝化和反硝化(si-multaneous nitrification and denitrification, SND) 以及自养细菌反硝化作用[6]。微氧条件下的污泥颗粒化是由于微曝氧量时, 气泡对于污泥絮凝体的剪切力变小, 从而有利于污泥的颗粒化。正常的污泥絮凝体的粒径通常为几十微米, 而颗粒化的污泥粒径可达几百微米甚至几毫米, 污泥的沉降性能良好,并且反应器中的生物浓度也相应增加。污泥颗粒化实质是微生物的自固定化过程, 使得多种微生物(包括硝化细菌和反硝化细菌在内)在同一反应器内保持良好的共生关系。由于颗粒污泥有较大的粒径, 在微氧环境中氧的传递就受到了来自于颗粒污泥表面的阻力, 这样就形成由内及表的厌氧、兼氧和好氧的环境体系, 从而硝化细菌和反硝化细菌就在同一反应器内各得其所, 导致同时硝化和反硝化作用的发生。

同时硝化和反硝化(SND)现象是在氧化沟等工艺中发现的[14], 是在有氧条件下发生了反硝化作用而导致总氮减少的现象。已证实SND是由物理原因引起的, 其中溶解氧浓度和污泥絮凝体的大小是SND 的主要影响因素[15]。将环境溶解氧控制在较低水平, 缺氧环境所占比例增大, 有利反硝化作用的进行, 从而有利于 SND 的发生。初里冰等[3]利用微氧条件下培养的颗粒污泥, 研究了污泥粒径对于COD和氮去除的影响, 结果表明, 在SND发生以后, 污泥颗粒被破碎成悬浮物, 氮的去除效率明显降低。可见, 微氧条件下的污泥颗粒化是同时硝化与反硝化发生的必要条件。

在微氧条件下, 氮的去除途径除了上述的同时硝化与反硝化外, 还有短程硝化和反硝化。在常规的硝化反应中, 氮的硝化分为两步, 分别由不同微生物完成。其反应为:

亚硝酸化: 2 NH4++ 3 O2 →2 NO2-+ 4 H++ 2 H2O(由氨氧化菌完成)

硝化: 2 NO2-+ O2 → 2 NO3-(由亚硝酸氧化菌完成)

很显然, 在生物脱氮的过程中, 由NO2-氧化成NO3-, 把NO3-还原成NO2-的两步反应是多余的。如果能够避免这两个环节就可以节省25% 的氧气和约40% 的有机碳源[6, 9]。短程硝化和反硝化就是将硝化过程中将反应控制在亚硝酸化阶段, 从而直接进行反硝化。因此, 如何能将硝化反应控制在反硝化阶段是实现短程硝化和反硝化的关键。废水中氨和微溶解氧对亚硝酸氧化菌有抑制作用, 有利于氨氧化菌在微氧条件下成为优势菌种, 从而有利于短程硝化与反硝化的进行。但不等于溶解氧越低越好, 杨宁等[7]利用CSTR(连续搅拌流反应器)反应器, 对高氨(氨的质量浓度为856 mg/L)废水进行处理, 发现: 溶解氧的质量浓度在 0.2 mg/L持续运行会显著降低氨氧化菌的活性。

1.5 一些难降解污染物的去除特征

一些有机物由于对微生物有毒性和其难降解性会在环境中持久存在, 而在微氧条件下却显示出了特有的降解特性。由于微氧条件下好氧与厌氧环境在同一反应器中同时存在, 使得微生物的代谢中间产物传质及时, 氧化与还原作用可同时发生, 微氧体系中的产甲烷菌可使一些难降解物质如有机氯溶剂PEC、多氯联苯等得到有效降解; 另一方面,CH4 与O2 同时存在使甲烷菌能以CH4为初级基质通过共代谢而降解一些物质(如三氯乙烯、四氯乙烯等)[8]。

2 微氧的应用研究

当前针对微氧条件下特殊的微生物和降解特征也作了一些应用性的研究。北京市环境保护科学研究院的王凯军等[11]分别应用并比较了沉淀、多级厌氧、生物吸附和微氧工艺来处理生活污水的厌氧出水, 并提出了微氧升流式污泥床反应器的概念。结果显示: 在13 ℃并且 HRT(水力停留时间) 1.0 h的条件下, 微氧工艺基本上可以完全处理。孙艳玲等[12]开发了处理城市污水的水解 - 厌氧 - 微氧工艺, 结果表明: 在总 HRT不超过 8.5 h(水解2.5 h、厌氧4.0 h、微氧2.0 h) , 平均温度19℃, 进水COD的质量浓度为(300 ±50) mg/L 时,总COD 和SS 的去除率分别可达 75% 和 80% 以上。微氧单元对厌氧出水中残余有机物的去除效果良好, 在HRT不超过2 h, 溶解氧的质量浓度控制在 0.2 ～0.5 mg/L 之间, 进水 COD 的质量浓度为150 mg/L时, 去除率可达 53% 以上。作为厌氧后续处理, 将微氧工艺与好氧工艺相比较: 微氧工艺曝气量减少(气水比仅为 1 ∶ 4) , 从而大大节约了能耗; 微氧工艺中污泥生长量为 0.061 kg/ (kg·d) 左右, 污泥产量低; 微氧工艺有效地控制污泥膨胀问题, 但污泥粘性稍差。胡颖华等[13]利用微氧条件取代好氧条件来消化剩余污泥, 结果表明: 在低污泥浓度下, 曝气量为好氧消化的1 /2(溶解氧的质量浓度为0.5 ～1.0mg/L)时, 经过20 d 的消化, 污泥中总有机物降解率在50% 左右, 达到稳定化效果, 并且此工艺的投资和运营费用较低。由此可见, 微氧水处理技术在现实应用中大大降低了能耗, 将其作为处理工艺中的后处理或直接应用都达到了较好的效果, 建设和运营费用也比较少, 明显地降低了废水的处理成本。

3 结语

微氧水处理技术以其特有的微生物特性和降解特性显示出其优势: 处理效果好、节能、污泥产量少等。但同时也有许多需要继续研究的方面:

①加强对微氧条件的厌氧菌、兼性菌和好氧菌相互作用及其机理的研究, 从而更好地指导实际应用。

②扩大微氧技术的应用范围, 微氧技术的应用目前主要集中于易于生物降解的城市污水, 而将微氧处理技术应用于工业废水却不多见, 因此如何将微氧技术应用于难降解, 浓度高的工业废水也是需要我们继续研究的一个课题。

③制作适于微氧条件下微生物生长的反应器,进而优化反应器生物学和水力学参数, 使微氧技术在水处理工艺中高效发挥作用。

④对微氧技术作更为详细的经济技术评价,从而指导我们合理地选择微氧工艺。

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