活性污泥系統(tǒng)是目前應(yīng)用最為廣泛的廢水生物處理系統(tǒng)〔1〕，在實(shí)際運(yùn)行過程中，為了保持系統(tǒng)較快的反應(yīng)速率，常使系統(tǒng)中的溶解氧高于2 mg/L，使得好氧反應(yīng)能耗很高〔2〕，通常情況下鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)的能耗占到水處理廠總能耗的40%~50%〔3〕。厭氧系統(tǒng)不需要曝氣，但前期的基建費(fèi)用較高，而且厭氧處理速度較慢，出水還需要后續(xù)處理才能達(dá)標(biāo)〔4〕。因此，在保障高處理效率的同時，研究如何降低供氧造成的運(yùn)行成本在廢水生物處理領(lǐng)域具有很實(shí)際的意義，研究和探索高效率、低能耗的新型廢水處理技術(shù)迫在眉睫。

　　傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，好氧反應(yīng)和厭氧反應(yīng)是不能在同一個培養(yǎng)環(huán)境中共存的，在廢水生物處理系統(tǒng)中，好氧過程和厭氧過程常常都是分開考慮。但近年來的研究表明，好氧反應(yīng)和厭氧反應(yīng)這2個反應(yīng)過程可在同一個體系中共存〔5, 6〕。D. H. Zitomer〔7〕報(bào)道，在微氧條件下，好氧反應(yīng)和產(chǎn)甲烷過程可以在同一個污泥系統(tǒng)中完成，該過程良好地結(jié)合了好氧反應(yīng)和厭氧反應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，出水COD低，污泥產(chǎn)量小。近年來，微氧系統(tǒng)因其所具有的獨(dú)特性受到研究者的廣泛關(guān)注，但對于微好氧廢水處理系統(tǒng)方面的研究非常欠缺，對于微氧系統(tǒng)的運(yùn)行特征以及與好氧系統(tǒng)的差異有待進(jìn)一步深入研究。

　　1 材料與方法

　　1.1 接種污泥和實(shí)驗(yàn)配水

　　取河流底泥、腐爛樹葉下表面土壤、污水處理廠活性污泥樣品各2 g，混合后加水100 mL，然后放入盛有玻璃珠的三角瓶中振蕩20 min，將土樣徹底打碎以釋放出其中的微生物。靜置1 min后，取50 mL上清液作為接種污泥接入反應(yīng)器。

　　為便于分析，實(shí)驗(yàn)采用人工配制廢水作為進(jìn)水。模擬廢水中用食品級葡萄糖、硫酸銨、KH2PO4來模擬COD、TN和TP，添加量分別為3.5、0.7、0.2 g/L，即COD、TN、TP分別為(3 472±65)、(154±6)、(41±2)mg/L。

　　1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

　　實(shí)驗(yàn)采用2個相同的連續(xù)小試實(shí)驗(yàn)裝置平行運(yùn)行，單個裝置結(jié)構(gòu)如圖 1所示。

 圖 1 處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

　　反應(yīng)器為圓形有機(jī)玻璃柱，底部為漏斗狀，高100 cm，內(nèi)徑10 cm，有效容積為6.3 L。沿柱高每隔20 cm處設(shè)一個取樣孔，取樣孔直徑1 cm，長度5 cm。曝氣頭安置在反應(yīng)器底部，通過空氣流量計(jì)控制氣體流量進(jìn)行曝氣，進(jìn)水通過計(jì)量泵從底部泵入。

　　1.3 運(yùn)行條件

　　在批量培養(yǎng)階段，先將培養(yǎng)液加到反應(yīng)柱半高處，加入接種污泥進(jìn)行培養(yǎng)�？刂坪醚鯇φ障到y(tǒng)(aerobic control system，ACS)DO在2.5~4.0 mg/L，上升流式微氧污泥床反應(yīng)器(upflow microaerobic sludge blanket reactor，UMSB)系統(tǒng)DO在0.5~0.9 mg/L，調(diào)整系統(tǒng)pH在6.5~7.5。每天檢測系統(tǒng)COD，待COD去除率達(dá)到90%以后，按照HRT=96 h連續(xù)進(jìn)水，溫度保持在25~28 °C。

　　批量培養(yǎng)結(jié)束后，連續(xù)進(jìn)水，HRT為25 h。在連續(xù)運(yùn)行過程中，先后考察了3個COD負(fù)荷水平3.2~3.5、4.5~5.1、1.3~1.5 kg/(m3·d)。ACS和UMSB各階段運(yùn)行條件如表 1所示。在第1階段獲得穩(wěn)定運(yùn)行的情況下，第2階段考察了沖擊負(fù)荷對系統(tǒng)運(yùn)行的影響，而第3階段考察了較低負(fù)荷對系統(tǒng)運(yùn)行的影響。

　　1.4 水質(zhì)分析方法

　　COD的測定采用重鉻酸鉀法(GB 11914—1989);TN的測定采用紫外分光光度法(GB 11894—1989);TP的測定采用鉬酸銨分光光度法(GB 11893—1989)。pH采用HI 8424 型電子 pH 檢測儀進(jìn)行測定;DO采用HI 9143 型電子自動溶解氧檢測儀進(jìn)行測定。

　　2 結(jié)果與討論

　　3種COD負(fù)荷條件下UMSB和ACS系統(tǒng)穩(wěn)定期的運(yùn)行特征如表 2所示。

　　2.1 UMSB和ACS的COD去除效果對比分析

　　由表 2可知，在第1階段穩(wěn)定期，當(dāng)進(jìn)水COD負(fù)荷為3.2~3.5 kg/(m3·d)時，UMSB和ACS的COD去除率分別為(91±3)%、(94±2)%，二者之間無顯著性差異(P=0.804>0.05)。在第2階段，當(dāng)進(jìn)水COD負(fù)荷升高至4.5~5.1 kg/(m3·d)時，UMSB和ACS的COD去除率分別降低到(88±5)%和(93±2)%，二者之間有顯著性差異(P=0.00 < 0.05)。在第3階段，當(dāng)進(jìn)水COD負(fù)荷降低至1.3~1.5 kg/(m3·d)時，UMSB和ACS的COD去除率分別穩(wěn)定在(94±1)%、(95±1)%，二者之間無顯著性差異(P=0.780>0.05)。

　　從UMSB和ACS的運(yùn)行特征來看，當(dāng)用葡萄糖作為碳源時，在一定的COD負(fù)荷范圍內(nèi)(≤3.5kg/(m3·d))，UMSB和ACS的COD去除率沒有顯著性差異。由此可見，在一定的COD負(fù)荷范圍內(nèi)，在較低的DO水平下，UMSB可依然保持較高的有機(jī)物去除能力。此研究結(jié)果與S. B. He 等〔8, 9〕的報(bào)道相一致。與ACS相比，UMSB在低DO水平下運(yùn)行可以節(jié)約曝氣量，降低運(yùn)行成本。

　　2.2 UMSB和ACS的TN、TP去除效果對比分析

　　由表 2可知，在3個階段穩(wěn)定期，UMSB的TN去除率均低于ACS，且二者之間均存在顯著性差異(P=0.00 < 0.05)。這是由于所用廢水中存在葡萄糖，不適合硝化菌的生存，導(dǎo)致UMSB在TN去除方面不存在優(yōu)勢。在負(fù)荷較低的第1和第3階段，UMSB的TP去除率顯著高于ACS，二者之間均存在顯著性差異(P=0.00 < 0.05)。在第2階段，當(dāng)進(jìn)水COD負(fù)荷升高至4.5~5.1 kg/(m3·d)時，UMSB和ACS的TP去除率分別為(55±4)%、(56±4)%，二者基本一致，不存在顯著性差異(P=0.14>0.05)。由此可以看出，在UMSB中，COD負(fù)荷對TP的去除具有很大影響。

　　傳統(tǒng)的高效生物除磷(enhanced biological phos-phorus removal，EBPR)系統(tǒng)效率很高，但EBPR的良好運(yùn)行需要進(jìn)水中有大量的揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)〔10〕，需要一個前置厭氧區(qū)，工藝比較復(fù)雜，而且很多因素都會造成系統(tǒng)運(yùn)行不正常。因此，在廢水處理領(lǐng)域開發(fā)經(jīng)濟(jì)高效的除磷系統(tǒng)勢在必行。A. Mullan等〔11〕報(bào)道，與傳統(tǒng)的EBPR處理系統(tǒng)相比，單級好氧除磷系統(tǒng)具有獨(dú)特優(yōu)勢：(1)處理效率高;(2)能夠耐受高濃度NO3-(傳統(tǒng)EBPR工藝的厭氧段對NO3-很敏感);(3)可降低對廢水濃度的依賴性;(4)VFAs濃度較低時也可以正常運(yùn)行。本研究中在較低COD負(fù)荷條件下，UMSB的TP去除率顯著高于ACS，這說明生物除磷可以在微氧條件下運(yùn)行的單級活性污泥系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的EBPR處理系統(tǒng)相比，該工藝可極大地簡化處理流程。此外，本研究中UMSB的曝氣量遠(yuǎn)低于ACS(見表 1)，說明過多的曝氣量不利于生物除磷系統(tǒng)發(fā)揮作用，此現(xiàn)象與D. Brd-janovic 等〔12〕的報(bào)道一致。L. K. Ju 等〔13〕報(bào)道在微氧條件下，微生物可能可以同時進(jìn)行好氧呼吸和厭氧呼吸或者發(fā)酵，因此，在此條件下可能同時存在好氧和厭氧微環(huán)境，所以，微氧系統(tǒng)可能可以發(fā)揮好氧/厭氧交替運(yùn)行系統(tǒng)的功能。除了磷，微氧處理系統(tǒng)或許可以作為厭氧/好氧處理系統(tǒng)的延伸和補(bǔ)充來處理很多污染物。

　　根據(jù)近年來的文獻(xiàn)報(bào)道，EBPR的整體性質(zhì)是微生物群體功能上相互補(bǔ)充、相互依賴共同表現(xiàn)出來的綜合特征，并不完全是某一類微生物在起作用。由于EBPR系統(tǒng)中微生物種類多樣，隨著研究和認(rèn)識的深入，聚磷菌的定義也應(yīng)當(dāng)相應(yīng)改變，一切能夠超過自身生長所需過量吸收磷的微生物都可以稱為聚磷菌，而且厭氧階段合成聚羥基脂肪酸將不再是必要條件〔14, 15〕。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，盡管與傳統(tǒng)定義的聚磷菌代謝不完全一致，許多從活性污泥中分離出的菌種都具有聚磷的功能，只是需要在合適的環(huán)境條件和運(yùn)行條件下才能展現(xiàn)出來。運(yùn)行結(jié)果表明，在負(fù)荷較低的第1和第3階段，UMSB的TP去除率顯著高于ACS，說明在UMSB的運(yùn)行條件下，其中的微生物群落可以展現(xiàn)出TP去除方面的優(yōu)勢。具體參見http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　3 結(jié)論

　　(1)在一定的較低COD負(fù)荷范圍內(nèi)(≤3.5kg/(m3·d))，UMSB和ACS的COD去除率沒有顯著性差異�？梢�，在一定的較低COD負(fù)荷范圍內(nèi)，在較低的DO (0.5~0.9 mg/L)水平下，UMSB依然能保持較高的有機(jī)物去除能力(COD去除率>90%)。相比于ACS，采用UMSB運(yùn)行，可以節(jié)約曝氣量，降低運(yùn)行成本。

　　(2)在較低COD負(fù)荷條件下，UMSB在單級反應(yīng)器中就可以實(shí)現(xiàn)有機(jī)物和磷的同步去除。與傳統(tǒng)的EBPR處理系統(tǒng)相比，該工藝簡化了處理流程，減小了常規(guī)工藝反應(yīng)器構(gòu)筑物的占地面積。此項(xiàng)研究可為新的廢水處理工藝的開發(fā)和構(gòu)筑物設(shè)計(jì)提供理論參考。