劉颯¹，楊造燕¹，劉壯¹，陳思源²?
(1.天津大學 建筑工程學院，天津300072；2.Virginia Polytechnic Institute and State University,USA)

　　摘　要：根據生物除磷試驗和非穩態生物處理工藝研究，提出了厭氧快速吸收污水處理新工藝，并對生活污水處理進行了初步研究。結果表明，在以萄萄糖為主要基質的配制污水試驗中，停留時間30～60min，幾種不同運行方式COD去除率均達到80%以上，有的甚至達到90%以上，短期的實際生活污水試驗COD去除率也達60%以上；反應器內污泥能在高MLSS下保持良好沉降性能，已發現有較成熟的顆粒污泥。
　　 關鍵詞：厭氧快速吸收；非穩態條件；剩余污泥；顆粒污泥；生活污水?
　　中圖分類號：X799.3
　　文獻標識碼：A
　　文章編號：1000-4602(1999)10-0013-04

An Initial Study on Treatment of Domestic Wastewater by New?
Anaerobic Fast Absorption Process

LIU Sa¹，YANG Zao yan¹，LIU Zhuang¹，CHEN Si yuan²
(1.School of Construction Eng., Tianjin Univ., Tianjin 300072, China; 2.Virginia Polytechnic Institute and State Univ., USA)

　　Abstact: A new anaerobic fast absorption wastewater treatment process based on the study of biological phosphorus removal and nonst eady state condition is described in this paper and the test on this process used in treating domestic wastewater is presented. The experimental results showed that the COD removal was above 80% even reached 90% at the retention time of 30 ～ 60 min under different running patterns when the influent was artificial wastewater containing gluco se as the main organic substrate. In addition,?COD?removal was above 60% when the influent was raw domestic wastewater. Sludge in the reactor was kept good settlement characteristics in high MLSS and mature granular sludge was found. It is clear that the process is efficient and power saving with less excess sludge production.
　　Keywards:domestic wastewater; anaerobic fast absorption；nonsteady state；excess sludge；granular sludge

　　 厭氧快速吸收有機物是一個新的研究方向，除了涉及正在發展的生物除磷機理外，還涉及近期開始在國際上頗受重視的非穩態處理工藝研究。
　　 生物除磷是一個高效生物凈化過程，它不僅能夠去除大量的磷，還能夠在除磷的同時，以P/COD為1∶50以上的比例去除大量的有機物，而且主要是在厭氧初期去除的。因此，從去除有機物的角度來說，生物除磷工藝是高效低能耗的節能工藝。另一方面，近幾年發現，在生物除磷厭氧階段，吸收有機物有時并不伴隨著磷釋放，相應地好氧時也不吸收磷，甚至在控制良好的實驗室條件下，也有許多這一現象的報道，但此時的厭氧仍能去除相當多的有機物^[1]。有研究表明，厭氧吸收有機物可能有兩種能量系統，即：①以多聚磷酸鹽為能量來源；②以糖元為能量來源^[2]。這就意味著厭氧吸收有機物不一定與聚磷有關，在厭氧—好氧周期變化這種非穩態條件反復刺激下，微生物就可能在較短的厭氧時間內去除大量有機物。基于這一分析研究，提出了一種以厭氧快速吸收為核心的污水生物處理新工藝。
　　非穩態理論認為，非穩態條件對生物處理系統的影響應歸結到對系統中微生物的影響，包括微生物活性、適應外界環境(不斷變化)的能力、具有特殊功能的微生物的形成等方面，而系統的處理效果很大程度上取決于這些因素。如Stefan提出，幾小時的“饑餓”狀態并不會導致微生物活性降低，反而會刺激微生物產生更多的與基質攝取相關的酶，從而在“飽食”狀態下吸收也即從水中去除數量更多、范圍更廣的污染物^[3]；荷蘭學者Loosdrecht的研究也證明，微生物體內貯存多聚物是一種普遍現象，只不過條件不同其作用顯示程度不同，它是微生物固有的能力，“饑餓—飽食”狀態是激發并強化這一能力的重要影響因素，揭示和利用其中的規律就有可能優化現有生物處理技術或設計出新工藝^[4]。
　　 本研究旨在以除磷機理研究為基礎，結合非穩態理論，設計出以厭氧快速吸收為核心、SBR為基本運行方式的新工藝，使處于可控非穩態環境下的微生物接受足夠強度的刺激，繼而產生適應，實現厭氧條件下的快速吸收，使厭氧出水達標或接近達標，并通過污泥的好氧饑餓來提高系統的長期處理能力和穩定性。本文進行了初步研究和討論。

1 裝置與方法

　　 試驗在一個有效容積約為14L的序批式反應器中進行。所用配水成分仿生活污水，以葡萄糖為主要基質，COD濃度約為500 mg/L，并投加必要的氮、磷營養鹽(按BOD∶N∶P ＝100∶5∶1配制)以及適量的微量元素Zn²⁺、Ni²⁺、Co²⁺、Mn²⁺等。試驗后期采用的實際生活污水取自天津大學某教職工生活區排水口，原水COD為300mg/ L左右，試驗污泥取自天津市紀莊子污水處理廠曝氣池。?　試驗采用以下三種運行方式：
　　方式一：進水、厭氧攪拌30min→靜止沉淀15～30min→排上清液(即出水)→曝氣3h(污泥好氧饑餓)→靜置或開始下一周期；?　方式二：進水、厭氧攪拌30min→曝氣30min(短時間好氧吸收)→靜止沉淀15～30min→排上清液(即出水)→曝氣3h→靜置或開始下一周期；
　　方式三：進水、微量氣體攪拌30min→靜止沉淀15～30min→排上清液(即出水)→曝氣3h →靜置或開始下一周期。?
污水中有機物含量以COD計，采用標準重鉻酸鉀法測定。

2 污泥的培養與馴化

　　 普通好氧活性污泥在開始進行厭氧—好氧交替運行方式時，并不具備明顯的厭氧快速吸收能力。通過長、短周期(厭氧1h、好氧10h和厭氧05h、好氧3h)交替進行，對污泥進行“厭氧飽食—好氧饑餓”周期循環刺激馴化，30d后厭氧快速吸收COD去除率穩定在60%以上，60d后去除率已逐漸上升至80%以上，到90d甚至接近并達到90%(見圖1)。

3　 結果與討論

3.1 葡萄糖配水運行方式一
　　按方式一運行穩定后，厭氧30min上清液COD去除率可達80%～90%。此時上清液仍殘存有大約50～100mg/L的COD，如直接排放需進一步處理。這一過程中COD去除率變化情況見圖1。
3.2 葡萄糖配水運行方式二
　　本方式是考察厭氧后再好氧曝氣30 min上清液的COD是否可有效降低。
　　經20d的運行結果表明，泥水繼續好氧接觸能使出水進一步凈化，總COD去除率可穩定在90%以上，出水COD濃度在50mg/L左右(見圖2)。可見，厭氧吸收后的污泥仍有一定的好氧降解細胞外基質能力，并在偶爾出現的厭氧階段處理效果不佳時起到保護作用，保證出水水質良好。再曝氣30min達到了提高出水水質的預想。

　　出水中仍然殘存約50mg/L的COD物質，可能包括游離細菌和溶解性基質兩部分，這可通過過濾試驗進一步確定。?
3.3 葡萄糖配水運行方式三
　　厭氧攪拌裝置是目前各種厭氧工藝生產性設備研制的一大重點。運行方式三用小氣泡氣體攪拌代替泵循環水力攪拌或機械攪拌，用同一套加以控制的曝氣裝置順序完成曝氣和厭氧攪拌兩項功能，從而省去攪拌裝置。同時也探索了微氧條件對快速吸收有機物去除效果的影響。
　　微氧吸收30min，通過曝氣控制測得DO約為0～0.3mg/L。試驗結果見圖3。

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　　 此方式運行之前采用方式一，去除率已穩定在80%以上，而采用此方式之后，去除率驟然降低(見圖3中第3天)，說明運行方式的改變對處理效果有一定影響。幾天后COD去除率即逐漸接近方式一，達到80%～90%。由于氣體攪拌采用的是空氣，雖然整個吸收階段溶解氧濃度保持低于0.3mg/L，但不能排除氧在其中的作用。因此，此時的吸收階段稱為低氧吸收或微氧吸收更為合適。?
3.4 實際生活污水小試
　　 運行采用方式一，厭氧吸收時間2h左右，好氧時間3～5h。為考察厭氧吸收效果，此項試驗只進行了15d，圖4給出運行中厭氧吸收的COD去除情況。
　　 進水濃度按原水濃度計算，厭氧30min后COD去除率已達60%以上。葡萄糖配水是成分最為簡單的人工配水，系統運行了兩個月以上才達到最佳狀態，所以實際生活污水15d的運行只相當于完成了由配水向實際污水轉變的初期馴化階段，可以預計，如果繼續運行，去除率還會有所提高。

3.5 污泥產量與活性污泥特性
　　 試驗1～46 d內沒有排放剩余污泥，反應器內污泥濃度由3.1g/L增長至9.5g/L(SV約為25%)，平均增長量為139mg/(L·d)，增長率為2.2%，泥齡約為45d。試驗后期根據研究需要曾將泥量控制在不同水平[MLSS最高值為11.1g/L左右(SV約為33%)，最低值為4～5g/L]，為此定期或不定期排泥，平均MLSS為6.7g/L，污泥平均增長量為240mg/(L·d),增長率為3%，泥齡30d左右。試驗全過程中污泥負荷始終為0.22kgCOD/(kgMLSS·d)左右，平均污泥產率系數為0.20左右。?
　　 該工藝污泥產率低，高MLSS時仍有較好的污泥沉淀性能，這既是由于有較高的MLSS和相對較低的污泥負荷，同時也是“厭氧飽食—好氧饑餓”的運行方式本身造成的。Neijssel和Tempest就曾報道間歇運行方式下污泥產率系數較低^[５]，原因可能是間歇條件下生長的微生物調節了自身代謝，而這種間歇供給基質的運行方式會刺激能夠適應的微生物產生快速吸收有機物的優勢；在MLSS高于常規活性污泥法(最高達11g/L)時仍有很好的沉淀性能，這歸因于顆粒污泥的形成，本試驗中形成了較為成熟的顆粒污泥(見圖5)，這就有可能在反應器中保持高MLSS和相應很低的污泥負荷，工藝可實現較低剩余污泥排放。?
　　 試驗運行正常時，污泥中除了濃密的菌膠團外，還有大量的原生動物，前期為等枝蟲和鐘蟲，中、后期為鐘蟲和旋輪蟲及豬吻輪蟲。一般來說，大量活躍的等枝蟲和鐘蟲標志著系統內有機物高效的去除、良好的污泥性能以及穩定的運行狀況。特別值得注意的是，本系統周期性處于溶解氧<0.5 mg/L的狀態，并且在夜間長時間靜置，根據一般微生物生長理論，溶解氧＜1 mg/L鐘蟲將很快死亡，持續8h等枝蟲即趨死亡。在本研究的情況下，不僅存在鐘蟲和等枝蟲，還能大量出現輪蟲這種僅在完全氧化型活性污泥系統中才較多出現的后生動物。關于微生物出現的這些現象有待進一步研究。

?

3.6 溶解氧濃度變化
　　 一個厭氧—好氧交替的運行周期內，溶解氧變化的典型曲線見圖6。?

　　厭氧階段溶解氧濃度接近于0；好氧階段初期(前30min)溶解氧濃度仍然很低，說明耗氧速度很快，和供氧速度相同，因為細胞吸收大量基質后需有一段快速耗氧，故需氧量很大；曝氣0.5h后溶解氧濃度才較快上升，說明微生物代謝活動增長趨勢漸趨緩慢；直至曝氣1h后，供氧與需氧逐漸平衡，溶解氧濃度變化才緩慢下來，所以，溶解氧濃度可以間接反映系統內微生物耗氧速率，進而反映微生物基質代謝狀況，可以以溶解氧(或耗氧速率)作為工藝運行的控制參數。在CAST工藝中，微生物耗氧速率就是系統運行的重要控制參數之一^[5]。

4 結論

　　①以葡萄糖為主要有機基質的配水，厭氧0.5h、好氧3h，厭氧快速吸收COD去除率在運行開始30d后，初步穩定在60%以上，60d后穩定在80%以上；
　　②厭氧吸收0.5h后再好氧0.5h能進一步提高去除效果，COD去除率穩定在 80%～90%以上；
　　③采用微量氣體攪拌0.5h(DO＜0.3mg/L)，即微氧快速吸收條件下，COD去除率也可達80%以上；
　　④實際生活污水試驗運行15d后，原水COD去除率為60%以上；
　　⑤在本試驗運行方式下，污泥產量較低，并形成了較成熟的顆粒污泥，故能在高MLSS下保持良好的沉降性能，因而本工藝有可能成為低剩余污泥排放的高效節能工藝。

參考文獻:

　　[1]Cech J S,Hartman P.Competition between polyphosphate and polysaccha ride accumulating bacteria in enhanced biological phosphate removal systems [J].Wat Res,1993,27(7):1219-1225.
　　[2]楊造燕等.厭氧快速吸收有機物的兩種能量來源研究[J]?中國給水排水 ，1998，14(5)：1-3
　　[3]Hans-Curt Flemming,Stefan Wuertz.Impact of nonsteady-state conditi ons on microbial consortia　[A].The First Nonsteady-State Symposium of IAWQ[C].1996.
　　[4]Loosdrecht M C M van,Pot M A,Heijnen J J.Importance of bacterial storage polymers in activated sludge processes[A].The First Nonsteady-State Symposium of IAWQ[C].1996
　　[5]Goronszy M C,朱明權，Wutscher K.循環式活性污泥法(CAST)在工業廢水處理中的應用[J].中國給水排水，1997，13(增刊)：7-11.

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　　作者簡介：劉颯(1969-) 女，河北保定人，天津市政工程局工程師，碩士。
　　電　　話：(022)23503419(H)?
　　收稿日期:1999-05-27