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1、好氧生物选择器工艺中曝气池运行参数的研究李彩斌汪慧贞摘要：就好氧生物选择器工艺系统中曝气池的停留时间、泥龄等运行参数对COD去除率、污泥沉降性能的影响与常规完全混合法系统作了对比研究。并通过污泥对溶解性有机物的吸附试验和动力学参数的分析对好氧生物选择器的工作原理进行了探讨。在达到同样处理效率的前提下，选择器系统中曝气池所需的停留时间和泥龄小于对比系统。选择器系统在低负荷条件下能有效地控制污泥丝状菌性膨胀。但长泥龄条件下选择器系统有失效的趋势。关键词：好氧生物选择器活性污泥法污泥膨胀曝气池Study on Operating Parameters of Aeration Tank in Aero
2、bic Selector ProcessLi Caibin et alAbstract：This research compared the influence of aeration tank operation parameters such as hydraulic retention time(HRT),sludge retention time(SRT) etc.in aerobic biological selector on COD removal efficiency,sludge settle ability with that in the complete mix-act
3、ivated sludge process (CMAS).Research on the working mechanism of aerobic biological selector was done through sludge absorption test of soluble organic matter and kinetic parameters analysis.To attain the same effluent quality,SRT and HRT for the aerobic biological selector process are shorter than
4、 that for CMAS process.Aerobic selector process can control filamentous bulking efficiently under low F/M condition.But it has a failure tendency under long SRT condition.0前言生物选择器是70年代至80年代初提出的一种控制污泥膨胀的污水处理工艺，其实质是在时间或空间上形成一定的絮体负荷(系统中基质浓度与污泥浓度的比值，S/X)梯度，在选择器中基质浓度较高，相应的絮体负荷也较高，在曝气池中基质浓度较低，絮体负荷也较低。这种分布
5、有利于絮体形成菌的生长并抑制丝状菌的过度繁殖，从而防止污泥丝状菌性膨胀的发生。曝气池分格、推流式曝气池及序批式生物反应器(SBR)工艺都具有这一特点，但是习惯上将在完全混合式曝气池前设置一个或多个串联的小池的系统称为生物选择器系统，这些小池称为生物选择器。根据生物选择器中曝气与否，可将其分为好氧、缺氧和厌氧生物选择器。好氧生物选择器与厌氧、缺氧选择器相比有处理效率高、效果稳定、泥水接触时间短等优点。国外学者对好氧选择器进行了大量的研究，但对生物选择器系统中曝气池的运行参数研究得较少。设置了生物选择器后，曝气池内的底物分布、生物相组成等都发生了变化，动力学参数与不设置生物选择器的情况也不一样，因
6、此，有必要就好氧生物选择器工艺中曝气池停留时间、泥龄等运行参数对处理效率、污泥沉降性能的影响作较深入的研究，这对新建污水厂的工艺选择及现有污水处理系统曝气池的改造具有一定的参考价值。1生物选择器的工作机理1.1动力学选择性机理活性污泥中不同类群的细菌的生长都服从Monod方程：式中X生物体浓度，mg/L；S生长限制性基质浓度，mg/L；，max实际和最大生物比增长速率，d-1；Ks饱和或半速率常数，mg/L。大多数丝状菌的Ks和max值比絮体形成菌低。按照Monod方程，具有低Ks和max值的丝状菌，在低基质浓度条件下，具有高的生长速率，从而占有优势，图1中曲线A为其生长曲线。而具有较高Ks和
7、max值的菌胶团细菌在高基质浓度条件下才占优势，生长曲线为图1中曲线B。完全混合曝气池内基质浓度较低，丝状菌可以获得较高的生长速度，这就是完全混合法容易发生污泥膨胀的原因。图1微生物选择性原理A 丝状菌B 絮体形成菌1.2生物吸附机理絮体形成菌对溶解性有机物的吸附能力远高于丝状菌。在生物选择器中基质浓度很高，絮体形成菌能够吸附较多的底物积累在细胞内，进入曝气池后可利用这部分底物继续生长。2试验装置与试验方法2.1试验装置试验装置见图2，由选择器系统及常规完全混合系统(对比系统)组成，两系统在同等条件下运行。图2试验装置流程示意选择器由5个45mm，有效容积为240mL的有机玻璃管串联组成，总容
8、积1.2L。污水在选择器中的名义停留时间为30min，实际泥-水接触时间为15min。2.2试验方法试验使用人工污水。采用葡萄糖、 NH4Cl、K2HPO4配制成浓缩液，冷藏保存，使用时以自来水稀释至所需浓度。所配污水COD为150mg/L。选择器系统中选择器和曝气池的总停留时间与对比系统曝气池停留时间相等。试验分阶段进行，首先研究曝气池停留时间和泥龄与整个系统的COD去除率、污泥沉降性能的关系。待各个工况运行稳定后取等量的曝气池污泥和污水混合，测定混合液中溶解性COD随时间的变化关系，从而测得污泥对溶解性底物的吸附能力。3试验结果与讨论本节分析中各项指标值均为各工况经过23个泥龄稳定运行后所
9、测数据的平均值。3.1COD去除率与停留时间、泥龄的关系由图3中可以看出，在各个停留时间下，选择器系统的COD去除率均高于对比系统，说明在选择器系统中底物去除速率高于对比系统。当停留时间为2h，系统的COD去除效果最佳。图3COD去除率与停留时间关系(泥龄5d)由图4中可以看出，泥龄对COD去除率没有太大的影响。泥龄为5d时处理效率最高。图4COD去除率与泥龄时间关系(停留时间2h)3.2SVI与停留时间、泥龄的关系由图5中可以看出，在各个停留时间下，对比系统都发生污泥膨胀，相反，选择器系统能够控制污泥膨胀。停留时间2h时，两系统的SVI均为最小。对于对比系统，随着曝气时间由2h延长到3h，S
10、VI增长很快，这是因为曝气时间加长，使池中的可利用基质减少，从而促进了丝状菌的生长。继续加大曝气时间，污泥的活性降低，分散的细菌之间较易发生絮凝作用，从而降低了SVI。对于选择器系统，由于选择器对丝状菌的抑制作用，曝气时间对其SVI的影响较小。图5SVI与停留时间关系(泥龄5d)由图6中可以看出，在各个泥龄下，选择器系统的SVI均低于对比系统。在长泥龄时，对比系统的SVI存在着下降的趋势，而选择器系统存在着上升的趋势，这与文献报道的选择器在长泥龄下不能控制污泥膨胀的结论一致。图6SVI与泥龄关系(停留时间2h)3.3污泥负荷与COD去除率和SVI的关系图7中绘制出了试验中两系统的COD去除率和
11、污泥负荷(单位时间内单位质量污泥所负担有机物的量，F/M)的拟合关系曲线。当污泥负荷小于0.48kgCOD/(kgMLSS.d)时，选择器系统的处理效率高于对比系统；当污泥负荷大于0.48kgCOD/(kgMLSS.d)时，对比系统的处理效率高于选择器系统。图7污泥负荷与COD去除率关系菌胶团菌在选择器中吸附了大部分溶解性底物，在后续曝气池中利用这部分底物继续生长，丝状菌虽然占不了优势但也能够利用剩余的底物而得以生长繁殖，在这种情况下，既有菌胶团菌以较高速率降解有机物，也有丝状菌的降解和絮凝作用，所以在低负荷的情况下，选择器系统的处理效率高于对比系统。当系统的污泥负荷较高时，虽然在选择器中菌胶
12、团菌也吸附溶解性底物，但相当部分的溶解性底物泄漏到曝气池中，大多数的有机物的去除是在曝气池中完成的，选择器系统曝气池的停留时间比对比系统短，所以其COD去除率比对比系统低。而且在曝气池中丝状菌也得到了优势生长，使选择器系统在高负荷条件下的SVI也相对较高。从图8中可以看出，污泥负荷为文献报道的最容易发生污泥膨胀的0.9kgCOD/(kgMLSS.d)时，对比系统的SVI达到了最大值，而选择器系统的SVI仅为200左右，这充分说明了选择器的作用。另一方面还可以看出，选择器系统SVI值随着污泥负荷的增大而升高。图8污泥负荷与SVI关系由以上的分析可以看出，低负荷是好氧选择器工艺系统发挥控制污泥膨胀
13、作用并保证较高COD去除效率的前提。在我国一般城市污水处理厂中，运行工况大都在低负荷区，通常发生的污泥膨胀也是低负荷型污泥膨胀。所以在我国、欧洲等以低负荷设计为主的城市污水处理厂中，选择器工艺具有较高的应用价值。3.4吸附试验图9、图10和图11分别为选择器系统中单位污泥对溶解性有机物的吸附量与系统停留时间、泥龄和絮体负荷的关系曲线。图9选择器系统污泥对溶解性有机物的吸附量与曝气时间的关系图10选择器系统污泥对溶解性有机物的吸附量与泥龄的关系图11选择器系统污泥对溶解性有机物的吸附量与絮体负荷的关系由图9可以看出，单位污泥对溶解性有机物的吸附量随着曝气池停留时间的加长而增大，因为长曝气时间能够
14、使污泥充分氧化，从而恢复其吸附能力。而选择器中的吸附作用是选择器系统作用的关键，这说明在选择器工艺中必须保证充分的曝气时间，因此，选择器系统的停留时间不可能太短。由图10可以看出，随着泥龄的加长，单位污泥对溶解性有机物的吸附量逐渐下降。因为泥龄的延长，使污泥的活性降低，其对溶解性有机物的吸附能力也就相应下降。这在一定程度上也解释了为什么选择器系统在长泥龄条件下不能很好地发挥作用。图11是单位污泥吸附量B与絮体负荷S/X的关系曲线，采用Langmuir吸附等温线公式进行回归计算得：，相关系数的平方R2=0.984 8。单位污泥的吸附量随着负荷的提高而增加，最大吸附量为Bmax=0.558 2mg
15、COD/mgMLSS。3.5动力学参数采用Lawrence-McCarty模型对本研究中的两个系统进行分析，经过回归处理得出了两个系统的动力学参数列于表1。表1选择器系统和对比系统动力学参数参数单位选择器系统对比系统VmaxgCOD/(gMLSS.d)1.3261.164KsmgCOD/L81.94728.934YmgMLSS/mgCOD0.748 80.333 9Kdd-10.056 50.021 3从表1中可看出，选择器系统的最大基质比去除速率Vmax和Ks大于对比系统。微生物相镜检的结果也表明，在选择器系统中以菌胶团菌为主，而对比系统则几乎全是丝状菌，基本上没有菌胶团存在。这验证了动力学选择性准则的正确性。4结论 (1)在所试验的工况下，选择器工艺系统中曝气池停留时间为2h、泥龄为5d时，COD去除率最高。(2)在达到同样的处理效率的前提下，选择器系统中曝气池所需的停留时间和泥龄小于对比系统。但停留时间必须足够以使污泥的吸附能力得以充分恢复。(3)选择器系统能有效地控制
