間歇式活性污泥法及其在高含鹽廢水處理中應(yīng)用的研究進展

1、間歇式活性污泥法及其在高含鹽廢水處理中應(yīng)用的研究進展            【關(guān)鍵詞】  間歇式活性污泥法；含鹽污水；鹽抑制動力學(xué)； 鹽度沖擊； 脫氮除磷    水資源是基礎(chǔ)性的自然資源和戰(zhàn)略性的經(jīng)濟資源，是經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展和維持生態(tài)平衡、保持環(huán)境優(yōu)美的重要基礎(chǔ)。據(jù)2006年3月22日在墨西哥城第四屆水資源論壇上公布的世界水資源開發(fā)報告稱，全球用水量在20世紀(jì)增加了6倍，增長速度是人口增速的2倍，有11億人缺水，26億人無法

2、保證用水衛(wèi)生；到2030年全球工農(nóng)業(yè)及城市用水供需矛盾更趨緊張，水資源安全問題日趨惡化1。目前，沿海城市以選擇海水代用作為緩解日趨嚴(yán)重的水資源危機的出路，其中以海水沖廁應(yīng)用最廣，用水量最大2。但海水代用產(chǎn)生了大量的高含鹽廢水，由于高鹽濃度會引起微生物細(xì)菌質(zhì)壁分離或喪失活性，對傳統(tǒng)生物處理系統(tǒng)具有較大的抑制作用。近20年來，由于計算機和相應(yīng)軟件的普及和應(yīng)用，自動控制技術(shù)的不斷發(fā)展，占地面積小、結(jié)構(gòu)緊湊的間歇式活性污泥法（又稱序批式活性污泥法，sequencing batch reactor，SBR）以其突出的優(yōu)越性而獲得青睞，特別是在高含鹽廢水處理領(lǐng)域，引起廣泛關(guān)注。1  SBR原理和

3、工藝特征    SBR是一種不同于傳統(tǒng)活性污泥法的廢水處理工藝。1914年Arden等3首創(chuàng)了間歇式運行的活性污泥法，采取進水排水(fill-draw)方式運行，由于受當(dāng)時技術(shù)條件的限制，工藝操作煩瑣，而且容易引起設(shè)備堵塞。隨著自動控制技術(shù)的飛速發(fā)展，各類儀器設(shè)備如水位計、電動閥、氣動閥、定時器、氧化還原電位測定儀、信號處理設(shè)備等的開發(fā)和應(yīng)用，使得20世紀(jì)初的序批式活性污泥工藝存在的問題迎刃而解，成為當(dāng)前一項十分重要的廢水處理技術(shù)4。    SBR技術(shù)的整個工藝流程分為流入、反應(yīng)、沉淀、外排和閑置，5個操作工序在一個反應(yīng)器內(nèi)，按特定的

4、時間順序間歇運行5。在流入階段，廢水進入反應(yīng)器，池內(nèi)水位逐漸上升，當(dāng)?shù)竭_設(shè)定最高水位時，水位計會給出信號使進水停止，進入反應(yīng)工序。SBR的反應(yīng)階段可分為3種狀態(tài)，如果進行曝氣，則工況處于好氧狀態(tài)，有好氧生物反應(yīng)發(fā)生；如果進行攪拌，則處于缺氧狀態(tài)；如果既不曝氣又不攪拌，則處于厭氧狀態(tài)。根據(jù)廢水水質(zhì)要求，統(tǒng)籌三種工況，可實現(xiàn)一些重要的生化反應(yīng)，如厭氧釋磷、反硝化脫氮等。在沉淀階段，停止曝氣和攪拌，混合液中污泥通過重力沉淀實現(xiàn)固液分離，澄清的上層凈化水待排除。由于是靜置沉淀，具有較高的沉淀分離效率。沉淀過程結(jié)束后開始排放工序，上清液由機械旋轉(zhuǎn)潷水器等設(shè)備外排，池內(nèi)水位逐漸下降，待水位達最小水位時停止

5、，并開始外排剩余污泥。排泥結(jié)束后進入閑置階段，為維持污泥的活性，必須進行攪拌或曝氣使之再生；如果考慮節(jié)能和在厭氧狀態(tài)下釋出磷，可不進行攪拌和曝氣。    SBR技術(shù)除了上述常規(guī)的運行工藝外，科學(xué)家和工程技術(shù)人員基于SBR法進行了改進，從間歇進水到連續(xù)進水、脫氮除磷功能的完善、污泥膨脹控制等方面進行了不斷改進和創(chuàng)新，形成了如間歇循環(huán)延時曝氣法（ICEAS）、循環(huán)活性污泥法（CASS）、連續(xù)進水間歇曝氣法（DAT-IAT）、一體化活性污泥法（Unitank）、T型氧化溝法（T-Ditch）等各具特色的新工藝流程與變形技術(shù)。    作為一項

6、新興的廢水處理技術(shù)，SBR法之所以受到工程技術(shù)界的青睞并迅速推廣，是由于其獨特的運行方式和其他技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢。    （1）工藝流程短。不需要設(shè)置流量調(diào)節(jié)池、二沉池及回流泵房，而二沉池及污泥回流泵房占地面積相當(dāng)于曝氣池的80。SBR法在一個池子內(nèi)通過時間調(diào)節(jié)和安排，及電子計算機調(diào)控，對化學(xué)需氧量（COD）、懸浮固體、氮和磷等完成凈化過程，實現(xiàn)厭氧、缺氧和好氧等生化反應(yīng)過程。    （2）耐沖擊負(fù)荷能力強。SBR的混合狀態(tài)屬于典型的完全混合式，具有較強的耐沖擊能力。SBR反應(yīng)器內(nèi)活性污泥濃度較高，并且在沖水階段，SBR反應(yīng)池相當(dāng)于均

7、化池，可以承受高峰流量和有機物濃度的沖擊，出水水質(zhì)穩(wěn)定。    （3）能有效防止污泥膨脹。SBR具有選擇器效應(yīng)，反應(yīng)初期底物濃度高，有利于絮體細(xì)菌增殖，形成優(yōu)勢菌屬，抑制專性好氧絲狀菌的過分增殖。此外，SBR法中好氧、缺氧狀態(tài)交替進行，也能抑制絲狀菌生長，避免污泥膨脹的發(fā)生。    （4）生化反應(yīng)推動力大。Irvine等6的研究表明：微生物活性最重要指標(biāo)的RNA含量，SBR法是傳統(tǒng)活性污泥法的34倍。SBR反應(yīng)器在時間上是理想推流過程，底物濃度梯度大，克服了連續(xù)流完全混合式曝氣池中底物濃度低，反應(yīng)推動力小的缺點，同時也避免了推流式曝氣

8、池中水路反混現(xiàn)象的出現(xiàn)。    （5）操作靈活。SBR法能夠根據(jù)水質(zhì)、水量的變化，采取適當(dāng)?shù)目刂剖侄?，如改變進水方式和運行順序、調(diào)整運行時間和曝氣強度，以各種方式靈活運行，保證出水水質(zhì)。    （6）基建和運行費用低。SBR系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)僅一座間歇式曝器池，基建費用比較低。Ketchum 7  研究發(fā)現(xiàn)，采用SBR法處理小城鎮(zhèn)污水比傳統(tǒng)連續(xù)流活性污泥法節(jié)省投資30以上。另外，由于SBR無回流系統(tǒng)，不需二沉池，較其他生化系統(tǒng)更易于維護8。2  SBR在高含鹽廢水處理研究中的應(yīng)用    目

9、前，已利用SBR技術(shù)研究了生物處理高含鹽廢水的降解動力學(xué)、影響因素、運行效率和控制技術(shù)等，給高含鹽廢水的生物處理提供了新的途徑。2.1  降解動力學(xué)研究 生物處理含鹽污水時，由于無機鹽對生物系統(tǒng)的影響，常常會導(dǎo)致較低的有機物去除速率和去除效率。為了定量鹽度對有機物去除的影響，崔有為等9研究了生物處理含鹽污水的鹽抑制動力學(xué)，為具體設(shè)計含鹽污水生物處理過程提供了依據(jù)。試驗采用SBR反應(yīng)器，對含鹽污水的有機物降解速率和去除率進行了研究。為了獲得基本數(shù)據(jù)，首先研究淡水環(huán)境下的基質(zhì)降解動力學(xué)，然后對1035 g/L鹽度環(huán)境分別進行試驗。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鹽度對生物處理系統(tǒng)的抑制屬于非競爭模式

10、，同時影響了最大降解速率和飽和常數(shù)。COD最大降解速率隨著鹽度的升高而下降。在低于20 g/L鹽度環(huán)境內(nèi)，隨著鹽度的升高，飽和常數(shù)Ks值逐漸增大。而高于20 g/L鹽度環(huán)境內(nèi)，隨著鹽度的升高，飽和常數(shù)Ks值逐漸降低。試驗確定的鹽抑制常數(shù)KY為2 333 mg/L，并進一步給出了各鹽度下有機物降解速率方程。    Kargi等10利用序批式反應(yīng)器研究鹽度對生物處理系統(tǒng)的影響，結(jié)果表明，污水鹽度在1050 g/L時，COD最大基質(zhì)降解速率為890 mg·L-1·h-1，飽和常數(shù)為820 mg/L，而鹽抑制常數(shù)高達100 g/L。2.2 

11、耐沖擊性能研究  崔有為等11利用3個平行的SBR反應(yīng)器研究了無鹽、含25 g/L鹽度和35 g/L鹽度活性污泥系統(tǒng)的最大抗鹽度沖擊范圍。實驗接種等量的城市污水處理廠二沉池的回流污泥，用生活污水進行馴化，當(dāng)處理系統(tǒng)出水澄清且COD去除率穩(wěn)定后，向生活污水中投加NaCl配制不同鹽度的污水，按遞增5 g/L的NaCl鹽度梯度進行馴化。沖擊實驗具體是5、10、15、20、25、30 g/L梯度沖擊各反應(yīng)系統(tǒng)。每個鹽度梯度沖擊2個周期，然后恢復(fù)至初始狀態(tài)，達到穩(wěn)定后再進行下一個鹽度梯度的沖擊。結(jié)果表明,上述3個系統(tǒng)的最大抗鹽度沖擊范圍分別是020、530、1535 g/L 。當(dāng)處理系統(tǒng)受到鹽

12、度沖擊時,普遍會出現(xiàn)有機物去除率下降、出水懸浮固體濃度升高、污泥大量流失等現(xiàn)象。但是，當(dāng)進水鹽度恢復(fù)到初始值且保持穩(wěn)定,有足夠長的恢復(fù)時間,則系統(tǒng)的處理效果可以恢復(fù)。    馮葉成等12研究了不同含鹽量的間歇性活性污泥處理系統(tǒng)的耐鹽水沖擊負(fù)荷性能。沖擊影響試驗表明：當(dāng)處理生活污水的活性污泥系統(tǒng)受到NaCl沖擊(負(fù)荷小于5 g/L)，系統(tǒng)不會受到太大的影響；活性污泥氧攝入速率(OUR)和系統(tǒng)的總有機碳(TOC)去除率仍能保持正常，沖擊負(fù)荷大于10 g/L后，鹽對活性污泥產(chǎn)生影響，活性污泥OUR降低35，TOC去除率降低約30。    總

13、體上經(jīng)過高鹽馴化的活性污泥可以使處理系統(tǒng)的微生物生長適應(yīng)不利環(huán)境,但是無法提高活性污泥的抗沖擊能力。高鹽馴化系統(tǒng)內(nèi)的活菌數(shù)在從高鹽環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)榈望}或淡水環(huán)境時會增加,但并不意味著這些微生物可以立即完善自身酶系統(tǒng)對污水中有機物進行降解,面對生長環(huán)境的突變,其還需一定的時間去完善自身的酶和代謝系統(tǒng)。污水處理系統(tǒng)內(nèi)活菌數(shù)的增加并不能代表系統(tǒng)內(nèi)生物總生長良好,如高鹽馴化系統(tǒng)內(nèi)的微生物在其生存環(huán)境突然變?yōu)榈望}或淡水環(huán)境時群體微生物的生長并不是很好,相反會受到一定的抑制,所受到的抑制程度取決于鹽度變化的程度。2.3  無機鹽影響研究  王淑瑩等13研究了無機鹽對SBR反應(yīng)器內(nèi)活性污泥沉降

14、性的影響。實驗以無鹽穩(wěn)定運行系統(tǒng)作為參照系統(tǒng)，分別研究了20 g/L和35 g/L鹽度馴化系統(tǒng)內(nèi)活性污泥絮凝體的形態(tài)、污泥沉降特點以及污泥微生物生態(tài)，并進一步探討了絮凝體的結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，在無鹽SBR系統(tǒng)內(nèi)，活性污泥顆粒很大，菌膠團呈封閉狀，形狀不規(guī)則，絮凝體疏松，微生物種類豐富，存在大量的絲狀菌和原生動物，其中原生動物有鐘蟲、漫游蟲、草覆蟲和豆形蟲等，以鐘蟲為優(yōu)勢菌。含鹽20 g/L的SBR系統(tǒng)內(nèi)，絮凝體仍是開放型結(jié)構(gòu)，緊密程度變高，微生物種類和數(shù)量變少，原生動物僅剩下少量的鐘蟲，且絲狀菌數(shù)量也變少。在鹽度為35 g/L系統(tǒng)內(nèi)，絮凝體呈封閉狀，變得很小和異常密實，微生態(tài)更加單一，原生動物消失

15、，絲狀菌幾乎不存在，只剩下細(xì)小的菌膠團。這表明，無機鹽改變了活性污泥微生物生態(tài)和絮凝體的結(jié)構(gòu)，增加了污泥的沉降性。孫曉杰等14利用SBR研究了海水對城市污水處理系統(tǒng)中短程硝化的影響,試驗結(jié)果表明，在較高游離氨情況下，生活污水中不含海水時，未出現(xiàn)短程硝化；當(dāng)海水比例為30時可以實現(xiàn)短程硝化，而且氨氮的去除率并未明顯降低，平均去除率為85.39%，其亞硝酸積累率為69.47，低于含海水污水的亞硝酸積累率。說明NaCl對亞硝酸積累有一定的影響，應(yīng)用SBR法處理海水沖廁污水是可行的。2.4  脫氮效率研究  王志霞等15研究了SBR法對含海水城市污水的脫氮除磷效果，當(dāng)含鹽濃度10

16、500，懸浮固體MLSS為2 100 mg/L，COD負(fù)荷0.31.0 kg·m-3·d-1，厭氧段DO為0.2 mg/L，好氧段DO為2.03.0 mg/L，運行周期為12 h的條件下，COD去除率在87以上，NH4+-N和TP的去除率均在68以上；鹽質(zhì)量濃度的增加出水懸浮固體減小，污泥沉降性能也逐漸增強。表明SBR反應(yīng)器對含海水城市污水具有良好的脫氮除磷效果。    祝貴兵等16采用SBR小試實現(xiàn)了沖廁海水的短程硝化反硝化。實驗溫度保持在2225 ，pH值維持在7.58.5，把海水占生活污水的比例從0增至70(Cl-濃度從1 900 mg/

17、L增至13 300 mg/L)，在氨氮負(fù)荷0.15 kg·kg-1MLSS·d-1時氨氮的去除率仍能保持在85以上，出水氨氮濃度10 mg/L。說明在海水比例70范圍內(nèi)，SBR反應(yīng)器仍可實現(xiàn)短程硝化反硝化，且保持了較高的氨氮去除率。    Charles 17利用序批式反應(yīng)器處理高鹽高氮廢水，在硝酸氮質(zhì)量濃度為8 200 mg/L，pH9、總?cè)芙夤腆w含量TDS18的條件下，經(jīng)過馴化的污泥能夠脫氮，但未經(jīng)馴化的污泥系統(tǒng)在5 400 mg/L時就完全停止反硝化反應(yīng)。當(dāng)pH值為7.5，硝酸氮質(zhì)量濃度為5 400 mg/L時，即使是馴化污泥，也完全停止

18、硝化反應(yīng)。這表明高鹽環(huán)境降低了序批式反應(yīng)器的脫氮效率。3  結(jié) 語    隨著淡水資源緊缺的日益加劇，海水和苦咸水將在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用，帶來越來越多的高鹽量廢水處理問題。SBR技術(shù)作為一種新興的廢水處理技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、節(jié)約費用、耐沖擊、靈活高效等諸多優(yōu)勢，工程技術(shù)界分別從降解動力學(xué)、耐沖擊性能、無機鹽對生化系統(tǒng)的影響等領(lǐng)域研究了SBR技術(shù)處理高含鹽廢水的可行性，隨著后續(xù)研究的深入和實際工程的推廣，將會涌現(xiàn)更多的創(chuàng)新性成果，成功解決高含鹽廢水微生物處理的難題。    【參考文獻】  1暢明琦，黃強.水

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