彭趙旭，彭永臻，2，于振波，劉旭亮，柴同志

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室，哈爾濱 150090;2.北京工業(yè)大學(xué) 環(huán)境與能源學(xué)院，北京 100022)

目前我國污水處理廠普遍采用活性污泥法，其結(jié)構(gòu)簡單，運行高效.該工藝的核心部分是活性污泥，它是由多種原(后)生動物種群組成的復(fù)雜微生態(tài)系統(tǒng)［1］.活性污泥中的微生物利用污水中污染物作為底物進行新陳代謝，從而實現(xiàn)凈化污水的目的.作為一個生物系統(tǒng)，它的運行穩(wěn)定性會受到各種環(huán)境因子的直接影響(溫度、溶解氧、pH值等).本文選擇pH值作為研究對象，考察了活性污泥系統(tǒng)對環(huán)境pH值變化的響應(yīng)，意在為污水處理廠應(yīng)付pH值變化提供理論指導(dǎo).

1 材料與方法

1.1 試驗用水來源和水質(zhì)

為便于控制反應(yīng)條件，試驗進水采用模擬城市生活污水的人工配水，具體配制方案詳見表1，每升水中加 0.3mL 營養(yǎng)液［2］.

表1 試驗?zāi)M廢水成份及元素組成

1.2 試驗裝置和方法

SBR反應(yīng)器由有機玻璃制成，高為700 mm，直徑為200 mm，總有效容積為12 L.每周期進水體積3L，充水比為0.25，在反應(yīng)器壁的垂直方向設(shè)置一排間隔為10 cm的取樣口，用于取樣和排水.底部設(shè)有放空管，用于放空和排泥(圖1所示).以曝氣砂頭作為微孔曝氣器，由轉(zhuǎn)子流量計調(diào)節(jié)曝氣量.每周期由以下5部分組成:瞬時進水，缺氧攪拌(0.5 h)，好氧曝氣(2 h)，靜止沉淀(1 h)，潷水排放和閑置待機.每周期曝氣末段排放100mL泥水混合液，以維持混合液懸浮固體質(zhì)量濃度(MLSS)在1600～2200mg/L，污泥齡(SRT)控制在 12.5 d，水力停留時間(HRT)控制在10 h.溫度由溫控棒控制在(22±0.5)℃，事先配置好濃度均為1 mol/L的HCl和NaOH溶液，用于對系統(tǒng)進行pH值調(diào)節(jié).

1.3 檢測分析項目

圖1 試驗裝置

1.4 技術(shù)路線

試驗污泥取自本實驗室中試AAO反應(yīng)器，具有良好的脫氮除磷能力，污泥容積指數(shù) (SVI)在270mL/g左右，平均分配到4個SBR反應(yīng)器內(nèi).試驗共分兩個階段，第一階段調(diào)節(jié)4個SBR反應(yīng)器進水的 pH 值分別為 6、7、8、9，按照 1.2 節(jié)中制定的方式各運行60個周期;第二階段將第一階段的實驗污泥重新混合后再平均分配，調(diào)節(jié)4個SBR反應(yīng)器瞬時進水混合后的pH值分別為6、7、8、9，按照同樣的方式各運行60個周期，考察不同試驗階段下各個SBR反應(yīng)器的污水處理效果以及污泥沉降性的變化.

2 結(jié)果與討論

2.1 活性污泥系統(tǒng)對pH值沖擊的調(diào)節(jié)

在兩個試驗階段中，好氧階段的曝氣量都穩(wěn)定控制在28 L/h，各個反應(yīng)器中典型周期的pH值和DO變化曲線如圖2所示.從圖2(A)中可見，雖然4個SBR的進水pH值分別為6、7、8、9，但是經(jīng)過進水后的稀釋作用，差異有所減小.pH值和DO曲線的變化與每周期的生化反應(yīng)進程密切相關(guān).缺氧段初期進行反硝化反應(yīng)生成堿度，pH值升高，之后放磷，pH值降低.好氧段初期曝氣吹脫CO2，pH值升高，之后硝化過程消耗堿度，pH值降低.硝化結(jié)束后由于CO2吹脫仍在進行，pH值出現(xiàn)反彈［4－7］.有趣的是，經(jīng)過一周期的生化反應(yīng)后，各個SBR中的pH值有趨于一致的現(xiàn)象(均維持在7.7～8.0).在試驗的第2階段，進水完全混合后調(diào)節(jié)各SBR中初始 pH 值分別為6、7、8、9，這樣雖然 pH值差異進一步加大，但是pH值仍然顯現(xiàn)出統(tǒng)一的趨勢.在每周期末段，各個SBR中pH值維持在7.5～8.0.由此可見，活性污泥系統(tǒng)對環(huán)境pH值的變化具有很好的調(diào)節(jié)作用，使其向著適合自己生長的pH值范圍發(fā)展.分析其原因主要有以下2點:1)很多生化反應(yīng)可以直接改變混合液中的堿度.如硝化過程消耗堿度，當(dāng)pH值過低時，硝化活動受到抑制，這有效地防止了pH值的進一步降低;2)混合液中存在著許多離子的電離平衡.當(dāng)溶液pH值過高時，CO2更容易以的形式存在于溶液中，從而降低了其吹脫強度，緩和了溶液pH值的升高.

圖2 典型周期內(nèi)pH值和DO的變化(A)第1試驗階段;(B)第2試驗階段

好氧階段所有反應(yīng)器的曝氣量都為28 L/h，但是DO質(zhì)量濃度卻差別很大(圖2所示).總體來說，pH值的高低與好氧階段的平均DO質(zhì)量濃度大小成反比.其主要原因是硝化過程消耗溶解氧，而低pH值環(huán)境不利于硝化反應(yīng)的進行，導(dǎo)致耗氧量減少.隨著水中—N質(zhì)量濃度降低，DO質(zhì)量濃度緩慢升高.當(dāng)硝化過程接近尾聲時，DO質(zhì)量濃度出現(xiàn)突越.在試驗的第一階段，DO突越點隨著pH值的升高而逐漸延后.這是因為盡管低pH值不利于硝化反應(yīng)的進行，但是較高的平均DO質(zhì)量濃度彌補了這個不利因素.但是在試驗的第2階段，當(dāng)pH值過低時，高DO質(zhì)量濃度對硝化過程的促進不再有效，硝化過程受到嚴(yán)重抑制，甚至在好氧階段pH值曲線一直上升(圖2(B)所示).由此可見，當(dāng)pH值在一定范圍內(nèi)時(7.2～8.2)，DO質(zhì)量濃度對硝化速率起主要作用.當(dāng)pH值過低時(＜7.0)，硝化過程受到嚴(yán)重抑制，增加DO質(zhì)量濃度對硝化速率影響不大.

2.2 pH值對除磷過程的影響

生物除磷分為厭氧放磷和好氧(缺氧)吸磷2個階段.一般認(rèn)為，在生物除磷過程中，聚磷菌只有在厭氧段進行充分地放磷，才能保證在后續(xù)好氧段實現(xiàn)充分地吸磷［8］，本試驗就從這兩方面來考查環(huán)境pH值對除磷過程的影響.試驗第1階段，除了原水pH值為6的反應(yīng)器外，其余反應(yīng)器厭氧末—P量都在28～32mg/L，而在好氧末的出水中，所有反應(yīng)器的—P量都在0.5mg/L以下(圖3(A)所示).這主要是由于系統(tǒng)對外界pH值變化具有調(diào)節(jié)能力，事實上，在第1試驗階段各反應(yīng)器每周期平均 pH 值分別為 7.39、7.68、7.80、8.19，差別并不明顯.在第2試驗階段，各反應(yīng)器每周期平均 pH 值差異變大，分別為 7.02、7.41、7.99、8.51(圖 3(B)所示).Zhang等［9］研究發(fā)現(xiàn)，較高的pH有助于聚磷菌的生長和活性的增加，這與本試驗結(jié)果相符.Filipe等［10］研究表明，由于較高的pH值會增加乙酸進入聚磷菌過程中的耗能量，因此厭氧段吸收單位乙酸的放磷量隨著pH值的增加而增加.本試驗發(fā)現(xiàn)當(dāng)pH值在7～8的范圍內(nèi)，放磷量和吸磷量都隨著pH值的升高而升高，但是當(dāng)pH值進一步升高時，變化不再明顯.這可能是在堿性pH值環(huán)境下產(chǎn)生了磷酸鹽沉淀，減少了混合液中的—P量所致.

圖3 試驗期間除磷表現(xiàn)的變化(A)第1試驗階段;(B)第2試驗階段

2.3 pH值對活性污泥沉降性的影響

pH值作為一個重要的環(huán)境因子，對活性污泥系統(tǒng)的穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的影響.Rob［11］等研究指出，可以通過檢測單位污泥中的總平均絲狀菌長度、污泥容積指數(shù)和最大比耗氧速率三個指標(biāo)來定量考察活性污泥系統(tǒng)的穩(wěn)定性.其中前兩個指標(biāo)都和污泥沉降性直接相關(guān)，可見污泥沉降性對活性污泥系統(tǒng)的穩(wěn)定性有著非常重要的影響.考慮到檢測操作的方便性，本試驗主要考察污泥容積指數(shù)(SVI)的變化，從而分析pH值對活性污泥沉降性的影響.從圖4可見，初始SVI都在270mL/g，雖然污泥沉降性在運行初期出現(xiàn)過短期的波動，但是隨著實驗的進行，都逐漸趨于穩(wěn)定，并沒有哪個反應(yīng)器出現(xiàn)極度惡化或者改善的趨勢.如前面分析可見，由于系統(tǒng)對于外界pH值的酸堿沖擊具有很好的緩沖調(diào)節(jié)作用，每周期中活性污泥暴露在極端酸性條件或堿性條件下的時間并不長(圖2所示).實際上，在兩個試驗階段中，系統(tǒng)的平均pH值分別為7.39、7.68、7.80、8.19 和7.02、7.41、7.99、8.51.丁峰等［12］研究發(fā)現(xiàn)，在中性略偏堿條件下，pH值對絲狀菌與絮狀菌之間的競爭關(guān)系影響不大，這與本試驗的結(jié)論相似.在試驗進行過程中，每10天對活性污泥微生物相進行一次鏡檢觀察，結(jié)果發(fā)現(xiàn)絲狀菌指數(shù)(FI)一直維持在1左右［13］，絲狀菌在活性污泥絮體中的比例沒有發(fā)生明顯的改變，這可能是造成本試驗各反應(yīng)器SVI相似的主要原因.

圖4 試驗期間污泥沉降性和污泥質(zhì)量濃度的變化(A)第1試驗階段;(B)第2試驗階段

另外，pH值對活性污泥微生物的生長代謝也有重要影響，不同的微生物種群適合生長的pH值條件不同.污泥生長速率是個簡單明了的衡量指標(biāo)，本試驗初始mLSS相同，隨著試驗的進行，MLSS逐漸發(fā)生變化，MLSS平均值的大小對應(yīng)著污泥生長速率的快慢.第一試驗階段各反應(yīng)器的平均mLSS 分別是1953、1945、1889、1995mg/L，而第2實驗階段的平均MLSS分別是1834、1972、2048、2145mg/L(圖4所示).由此可見，堿性環(huán)境更有助于活性污泥生長.Chen等［14］研究發(fā)現(xiàn)，pH值過高時，聚磷菌吸收揮發(fā)酸(VFA)會消耗更多的能量，造成污泥產(chǎn)率降低，這與本試驗結(jié)論矛盾.進一步分析發(fā)現(xiàn)，酸性條件下沉淀后的上清液比較渾濁，懸浮固體(SS)質(zhì)量濃度高，每周期排水過程中排掉了大量活性污泥，造成MLSS偏小，而堿性條件下沉后上清液則十分清澈.這可能是造成兩者差異的主要原因.

3 結(jié)論

考察了pH值對活性污泥系統(tǒng)污水處理效果以及污泥沉降性的影響，得到以下主要結(jié)論.

1)硝化、反硝化、放磷等許多生化反應(yīng)過程都直接參與堿度的消耗或產(chǎn)生，再加上水溶液中普遍存在離子的電離平衡，使活性污泥系統(tǒng)對環(huán)境pH值的變化具有很好的調(diào)節(jié)作用，使其向著適合自己生長的pH值范圍發(fā)展.

2)當(dāng)pH值在7.2～8.2時，升高DO質(zhì)量濃度對加快硝化速率效果顯著.當(dāng)pH值 ＜7.0時，硝化過程受到嚴(yán)重抑制，此時增加DO質(zhì)量濃度難以再有效地提高硝化速率.

3)當(dāng)pH值在7～8時，活性污泥放磷量和吸磷量都隨著pH值的升高而升高，但是當(dāng)pH值進一步升高時，變化不再明顯.

4)當(dāng)進水pH值在6～9變化時，活性污泥沉降性差異不大.不同的是酸性條件下污泥沉后上清液較渾濁，而堿性條件下的污泥沉后上清液十分清澈.

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