微压内循环反应器与序批式反应器的污染物去除及污泥特性比较*

边德军 王喜超 艾胜书,4 王 帆 刘松林 朱遂一

(1.吉林省城市污水处理重点实验室，吉林 长春 130012；2.长春工程学院水利与环境工程学院，吉林 长春 130012；3.东北师范大学吉林省城市污水处理与水质保障科技创新中心，吉林 长春 130117；4.吉林大学环境与资源学院，吉林 长春 130021)

微压内循环反应器(MPSR)是在序批式反应器(SBR)基础上研制的一种新型污水处理装置。MPSR通过增加反应器出口水位高度以产生微小压力来提高氧的传质效率，并使溶解氧(DO)在反应器内存在空间差异，形成厌氧、缺氧、好氧3种环境，有利于污染物的去除。边德军[1]利用智能流速仪和示踪粒子图像法研究分析MPSR内流速、DO浓度分布显示，MPSR内流速由外向内逐渐减小，外环流速高达36 mm/s，而内环流速低于3 mm/s；DO浓度也呈现明显的由外向内的梯度变化，外环DO质量浓度达到2.02 mg/L，内环DO质量浓度低于0.05 mg/L。万立国等[2]的研究结果显示，采用同一接种污泥，MPSR和SBR平行运行91个周期后，两个反应器内微生物种群数有明显差异。这可能是因为MPSR和SBR内部不同的DO环境及流态影响了微生物生长繁殖和代谢，进而影响污泥特性[3-5]。

本研究在MPSR和SBR中接种同一污泥，通过对比研究MPSR和SBR在相同运行条件下的COD、TP、氨氮和TN去除效果，并对污泥胞外聚合物(EPS)、脱氢酶活性(DHA)、粒径以及硝化和反硝化速率等特性进行分析，重点尝试从污泥特性角度阐明两种反应器的区别。

1 材料与方法

1.1 实验装置与运行条件

实验装置见图1，两个反应器设计有效容积均为36 L。SBR尺寸为300 mm×300 mm×500 mm；MPSR主反应区直径900 mm，高度90 mm，微压力形成区130 mm×90 mm×400 mm。MPSR污泥样品为图1中9个点位的混合液样品，SBR污泥样品在反应器中液面下200 mm左右处取样。接种污泥取自长春市某污水处理厂曝气池，初始混合液悬浮固体(MLSS)质量浓度为2 000 mg/L。两个反应器每日均运行两个周期，每个周期12 h，采用非限制性曝气方式在进水开始的同时进行曝气(曝气量为1.5 L/min)，进水共5 min，曝气共8 h，然后沉淀3 h，排水10 min，闲置50 min，污泥龄(SRT)为22 d，排水比为0.5，运行温度为(20±1) ℃。

图1 实验装置示意图

1.2 污水水质

实验所用污水通过人工模拟配制，1 L污水中含淀粉0.13 g、牛肉膏0.02 g、蛋白胨0.02 g、乙酸钠0.46 g、NH4Cl 0.13 g、KH2PO40.015 g、NaHCO30.15 g、MgSO40.006 g、CaCl20.012 5 g、FeSO40.012 5 g、微量元素溶液1 mL。其中微量元素溶液组成为1 L溶液中含ZnCl20.05 g、CuSO40.02 g、MnSO40.027 g、AlCl30.05 g、CoCl20.023 g。

1.3 检测方法

出水水样中COD、TP、氨氮和TN均达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准后，开始正式检测进出水污染物指标浓度，每两天检测一次，共检测27 d。水样经中性定性滤纸过滤后检测。同时，取污泥样品检测EPS、DHA、粒径、硝化和反硝化速率。

COD采用重铬酸钾法测定；氨氮采用纳氏试剂分光光度法测定；TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定；TP采用钼酸铵分光光度法测定；硝态氮、亚硝态氮采用瑞士万通885离子色谱仪测定；MLSS采用重量法测定；EPS采用热提取法提取,其中的多糖采用蒽酮比色法测定,蛋白质采用Folin酚试剂法测定，均以单位质量MLSS中的EPS质量计；DHA采用2,3,5-氯化三苯基四氮唑(TTC)法测定；粒径采用荷兰艾米德EyeTech激光粒度粒型分析仪测定；硝化与反硝化速率采用文献[6]的方法测定。

2 结果与讨论

2.1 污染物去除效果

图2是两个反应器稳定运行期间的COD去除曲线。两个反应器进水COD平均质量浓度均为349.4 mg/L，SBR出水COD平均质量浓度为28.2 mg/L，平均去除率为91.93%；MPSR出水COD平均质量浓度为21.0 mg/L，平均去除率为93.99%。

图3是两个反应器稳定运行期间的TP去除曲线。两个反应器进水TP平均质量浓度均为3.92 mg/L，SBR出水TP平均质量浓度为0.16 mg/L，平均去除率为95.92%；MPSR出水TP平均质量浓度为0.05 mg/L，平均去除率为98.72%。

图3 TP去除曲线

图4为两个反应器稳定运行期间的氮去除曲线。由图4(a)可见，两个反应器进水TN平均质量浓度均为34.7 mg/L，SBR出水TN平均质量浓度为11.7 mg/L，平均去除率为66.28%；MPSR出水TN平均质量浓度为8.4 mg/L，平均去除率为75.79%，MPSR对TN的去除率比SBR高出9.51百分点。由图4(b)可见，两个反应器进水氨氮平均质量浓度为32.70 mg/L，SBR出水氨氮平均质量浓度为0.38 mg/L，平均去除率为98.84%；MPSR出水氨氮平均质量浓度为0.40 mg/L，平均去除率为98.78%，两反应器氨氮去除效果基本相同。由于TN去除率存在差异，而氨氮去除率几乎无差异，因此进一步检测两个反应器出水的亚硝态氮和硝态氮，发现没有亚硝态氮检出，MPSR出水硝态氮平均质量浓度为7.9 mg/L，SBR为10.3 mg/L。由此可见，MPSR主要是反硝化脱氮能力强于SBR。

图4 氮去除曲线

总体而言，MPSR对碳、氮、磷的去除能力均强于SBR，主要是由于MPSR的反硝化能力强于SBR，原因可能是：(1)MPSR中反硝化菌比例高于SBR；(2)受内循环流态影响，MPSR污泥絮体粒径小于SBR，DO更易透过絮体因而利用率更高，同时吸附污染物的能力也更强；(3)MPSR在曝气阶段存在DO浓度不同的区域，有利于进行同步硝化反硝化(SND)。

2.2 污泥EPS、DHA

两个反应器中污泥EPS比较如表1所示。MPSR和SBR的总EPS分别为27.79 、22.40 mg/g。MPSR和SBR中均没有检测到松散层多糖，而紧密层多糖分别为19.21、16.82 mg/g；MPSR和SBR中松散层蛋白质分别为0.47、0.22 mg/g，紧密层蛋白质分别为8.11、5.36 mg/g。污泥EPS中的多糖具有黏性，在污泥絮体对有机污染物初期物理吸附过程中有非常重要的作用，具有很高的COD去除效果。蛋白质与多糖的比值能反应污泥的亲疏水性[7]。MPSR污泥EPS中蛋白质与多糖质量比为0.447，大于SBR的0.332，表明MPSR的污泥疏水性比SBR好，因而MPSR的污泥沉淀脱水性能更强。周健等[8]研究证明，EPS还具有一定的除磷能力。

MPSR和SBR的DHA分别为68.5、115.9 mg/(g·h)，相比于MPSR，SBR中的DHA处于较高的状态。王建辉等[9]研究发现，一个周期内的曝气阶段DHA随氨氮浓度的减小而降低。由于SBR的硝化过程没有MPSR快，因而会影响其反硝化过程。本研究中，曝气阶段氨氮的降解过程如图5所示，可以看出SBR的硝化过程没有MPSR快。当进水氨氮浓度相同时，MPSR曝气5 h，氨氮质量浓度就可以降至0.82 mg/L，而SBR则需要将近6 h。

表1 MPSR和SBR污泥中的EPS

图5 曝气阶段MPSR和SBR内氨氮降解过程

2.3 污泥粒径分布

MPSR和SBR中的污泥粒径体积分数如图6所示。MPSR中106.28 μm的污泥体积分数最大，SBR中146.41 μm的污泥体积分数最大。SBR中粒径大于106.28 μm的污泥累积体积分数有81.65%，而MPSR中只有59.13%。总体而言，MPSR的污泥粒径比SBR小，因此MPSR的污泥吸附能力更强。KLANGDUEN等[10]研究认为，适当粒径(50～110 μm)的污泥有利于SND的进行。从本研究的测定结果来看，MPSR中更有可能存在有利于SND进行的微环境。SBR污泥粒径大于MPSR的主要原因可能是水力条件不同，在SBR中有较大的涡流区，更多的污泥易受涡流二次流影响，容易发生剪切凝聚；MPSR虽然在中心有较大的涡流结构[11]，但由于污泥重力、气体推动力及混合液黏滞力的相对平衡，实际上在反应器中心并不会有涡流形成。

2.4 污泥硝化与反硝化速率

图6 污泥粒径体积分数

表2 污泥硝化与反硝化速率测定结果

硝化速率与反硝化速率测定结果如表2所示。MPSR污泥硝化速率及比硝化速率分别为4.26 mg/(L·h)和1.47 mg/(g·h)，SBR污泥硝化速率及比硝化速率分别为3.59 mg/(L·h)和1.50 mg/(g·h)。两个反应器比硝化速率几乎没有差别，说明MPSR和SBR的硝化能力基本相当。

两个反应器的反硝化过程都有明显的3个变化阶段。MPSR在第1、2、3段的反硝化速率分别为17.23、3.84、2.12 mg/(L·h)，比反硝化速率分别为7.53、1.68、0.93 mg/(g·h)，平均比反硝化速率为3.38 mg/(g·h)。SBR在第1、2、3段的反硝化速率分别为11.65、4.51、1.57 mg/(L·h)，比反硝化速率分别为5.83、2.26、0.79 mg/(g·h)，平均比反硝化速率为2.96 mg/(g·h)。第1段比反硝化速率最大，此阶段微生物和菌胶团大量吸附硝态氮，反硝化菌充分利用易生物降解的有机物进行脱氮，水中硝态氮下降较快，在反应20 min左右时，MPSR中硝态氮质量浓度下降了6.6 mg/L，而SBR中硝态氮质量浓度仅下降了4.2 mg/L，MPSR的比反硝化速率要比SBR大1.82 mg/(g·h)。两个反应器反硝化过程的第2段相比第1段比反硝化速率都明显变小，因为此阶段水中快速可生物降解有机物已几乎消失殆尽，反硝化菌通过中慢速可生物降解有机物获得电子还原含氮化合物。在第3段，反硝化菌通过内源代谢进行反硝化，因此比反硝化速率最小。从第2、3段的比反硝化速率看，两个反应器的反硝化水平相差不大。MPSR的平均比反硝化速率比SBR大0.42 mg/(g·h) 。由此可见，MPSR反硝化能力大于SBR，并且主要差别体现在第1段，这也进一步验证了2.1节中的结论。

3 结 论

MPSR对碳、氮、磷的去除能力强于SBR，主要是MPSR的反硝化能力强于SBR。MPSR中总EPS浓度高于SBR，并且MPSR中蛋白质与多糖质量比也大于SBR，因而MPSR的污泥沉淀脱水性能更强，除磷效果更好。MPSR污泥的粒径总体小于SBR，也有利于提高MPSR的污泥吸附性能。MPSR和SBR的硝化能力基本相当，但反硝化能力MPSR大于SBR。