厭氧預(yù)處理對曝氣耗氧量的削減作用和機(jī)理

厭氧穩(wěn)定是由一類非貯磷菌屬的兼性厭氧菌發(fā)酵反應(yīng)的結(jié)果，是一種脫氫氧化行為。厭氧穩(wěn)定削減的曝氣耗氧量可達(dá)20%～30%。厭氧穩(wěn)定對含糖比大，有機(jī)物濃度高的污水較為合適。從削減曝氣耗氧量的角度出發(fā)，厭氧穩(wěn)定應(yīng)是一個有利于產(chǎn)生并釋放H2和CO2的過程，這個過程應(yīng)促進(jìn)NAD的再氧化并避免降解產(chǎn)物的還原。

為控制水污染的日益加劇，目前國內(nèi)正大舉興建城鎮(zhèn)污水處理廠。這是一項(xiàng)保證國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略舉措，但也是一項(xiàng)只見投入，不見直接產(chǎn)出的公益行為。其不僅需要投入大筆的基建資金，而且還要付出可觀的運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用。一些地方大力籌資建成了污水處理廠，但卻因難以承擔(dān)運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用而不能充分發(fā)揮環(huán)境效益。因此，降低能耗，節(jié)約運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用對發(fā)展城鎮(zhèn)污水處理事業(yè)具有舉足輕重的作用。

在常規(guī)城鎮(zhèn)污水處理中，曝氣供氧的能耗最大，約占全廠總能耗的50%。因此，降低曝氣耗氧量是節(jié)約運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用的首要環(huán)節(jié)。降低曝氣耗氧量的途徑有兩條：第一，前置預(yù)處理設(shè)施，削減進(jìn)入曝氣區(qū)的耗氧量；第二，優(yōu)選運(yùn)行條件和擴(kuò)散裝置，提高氧利用率。本文將就前者作進(jìn)一步的探討。

1厭氧預(yù)處理對曝氣耗氧量的削減作用

在A/O、A2/O系統(tǒng)中，厭氧區(qū)可去除水中大部分有機(jī)物。過去，一直將這種現(xiàn)象主要?dú)w因于貯磷菌的吸收和貯存PHB的作用。因PHB是過渡產(chǎn)物，在好氧區(qū)將作為碳源而被氧化。故這一過程并不削減后續(xù)的曝氣耗氧量。然而，近年來的理論和實(shí)踐都證明，厭氧區(qū)不僅具有吸收和貯存基質(zhì)的功能，而且還產(chǎn)生脫氫氧化作用，并可大幅度削減繼后的曝氣耗氧量。

1.1早先的發(fā)現(xiàn)和實(shí)踐的證明

早在1983年，Lan等就發(fā)現(xiàn)在曝氣區(qū)前設(shè)置一個厭氧區(qū)，可降低曝氣區(qū)50%的耗氧量。繼后，Randall等(1984～1987年)多次證實(shí)了這一發(fā)現(xiàn)，并將這一現(xiàn)象命名為“厭氧穩(wěn)定”。Bordacs等(1988年)在曝氣區(qū)前加了一只厭氧選擇器，平均降低了30%的曝氣耗氧量。其降低幅度與F/M(BOD/MLVSS)有關(guān)：當(dāng)F/M為0.2時，降低36%，當(dāng)F/M為0.8時，降低20%。王凱軍等(1988年)將初沉池改成厭氧池，厭氧反應(yīng)1.67～2.5 h后，曝氣耗氧量降低約50%。McClintock等[3](1993年)應(yīng)用A2/O 工藝與常規(guī)活性污泥法進(jìn)行對比研究，前者厭氧、缺氧反應(yīng)各1h，在同等的除氮效果下，A2/O 工藝所需的曝氣時間由3.2h縮短至1.7h，曝氣耗氧量降低近1/2。

1.2氧平衡計(jì)算的結(jié)果

所謂厭氧穩(wěn)定是指在厭氧過程中，有機(jī)物完全氧化或還原成氣態(tài)尾產(chǎn)物釋放，既不是轉(zhuǎn)化為菌體隨污泥排出，也不是轉(zhuǎn)化為潛在的耗氧物在系統(tǒng)內(nèi)外繼續(xù)耗氧，是一種脫氫氧化行為。在A/O、A2/O系統(tǒng)中，除厭氧穩(wěn)定作用而外，還存在兩項(xiàng)可削減曝氣耗氧量的因素，即：反硝化和排泥。為排除這兩項(xiàng)因素的干擾，Randall等應(yīng)用物料氧平衡法對三項(xiàng)研究成果進(jìn)行了評估。在氧平衡計(jì)算時，用氧當(dāng)量表示有機(jī)物，統(tǒng)一進(jìn)行量化。從全系統(tǒng)去除的COD氧當(dāng)量中，扣除反硝化增補(bǔ)的和排泥損失的氧當(dāng)量，則可計(jì)算出厭氧穩(wěn)定的氧當(dāng)量，及由此而削減的曝氣耗氧量。第一項(xiàng)研究應(yīng)用A/O工藝，厭氧反應(yīng)1.7h，曝氣3.9h。通過投藥法抑制硝化作用的發(fā)生，免除反硝化增氧的干擾。扣除排泥帶走的氧當(dāng)量，測算出厭氧穩(wěn)定削減的曝氣耗氧量占23%～48%。第二項(xiàng)研究應(yīng)用A2/O工藝，厭氧、缺氧、好氧反應(yīng)的時間分別為1.3h、2.1h、6.9h，扣除反硝化增補(bǔ)的和排泥損失的氧當(dāng)量，得出厭氧穩(wěn)定削減的曝氣耗氧量為23%～27%。第三項(xiàng)研究Ａ2/O工藝與普通活性污泥法的平行對比試驗(yàn)，A2/O系統(tǒng)的厭氧、缺氧、好氧反應(yīng)時間分別為2h、2h、4h，普通活性污泥法的曝氣時間為8h。結(jié)果為：厭氧穩(wěn)定削減了8%～27%的曝氣耗氧量，A2/O工藝比普通活性污泥法降低23.2%～37.3%曝氣耗氧量。同時可以查看中國污水處理工程網(wǎng)更多技術(shù)文檔。

2厭氧穩(wěn)定削減曝氣耗氧量的機(jī)理

厭氧預(yù)處理可削減曝氣耗氧量的發(fā)現(xiàn)已得到國內(nèi)外大量科研成果和生產(chǎn)實(shí)踐的證明。但對其機(jī)理卻眾說紛紜，認(rèn)識不一。占優(yōu)勢的說法是，貯磷菌細(xì)胞內(nèi)貯存過量的PHB，未經(jīng)氧化而以污泥形態(tài)排出系統(tǒng)；也有人將其歸因于厭氧還原產(chǎn)生CH4和H2S的釋放。近年來的研究證明，這兩種說法均科學(xué)依據(jù)不足。

2.1貯磷菌貯存過量的PHB流失的可能性這方面存在兩種觀點(diǎn)：第一，認(rèn)為貯磷菌貯存PHB是厭氧反應(yīng)的主導(dǎo)作用；第二，認(rèn)為污泥中含有過量的PHB。在厭氧條件下，吸收并貯存PHB的主要是一類小型陰性短桿菌(Acinetobacter)也稱除磷菌。這類菌在厭氧條件下僅能利用醇、酸等低分子有機(jī)物合成PHB，而不能直接利用糖類等復(fù)雜物。其對乙酸的親合性特別強(qiáng)，只要水中有乙酸存在，無論在厭氧、缺氧或好氧條件下，也不管污泥處于循環(huán)周期的何種狀態(tài)，貯磷菌就要釋放磷而吸收乙酸。此外，必須指出，貯磷菌也是一類活性差、增殖慢、競爭力弱的菌屬，其對環(huán)境條件有一定的要求和選擇性，在A/O、A2/O系統(tǒng)中，將與其他菌種發(fā)生競存和篩選作用。

近年來的研究表明，在厭氧條件下，除貯磷菌而外，還存在另一類能吸收并貯存有機(jī)物的非貯磷菌。兩類菌既可共存又有競爭。Jakub等曾做了這樣一個試驗(yàn)，在葡萄糖和乙酸各50%的基質(zhì)中，接種非貯磷菌。從0天～23天內(nèi)，A/O系統(tǒng)的貯磷菌接近于零，但隨著時間的推移，貯磷菌逐漸增加，而非貯磷菌相應(yīng)減少，至131天后，兩類菌數(shù)量相近。在整個試驗(yàn)過程中，不管兩類菌種的比例如何演變，厭氧區(qū)出水的可溶性COD均很低，且變幅甚小。結(jié)果表明，非貯磷菌同樣具有吸收并貯存乙酸等有機(jī)物的能力。然而，非貯磷菌以何種形態(tài)吸收并貯存有機(jī)物，是PHB、PHA、糖類，還是其他物質(zhì)，目前所知甚少。

基于上述，在厭氧區(qū)貯磷菌和非貯磷菌均能吸收并貯存大量有機(jī)物。為深究這些貯存物的演變和最終產(chǎn)物，一些學(xué)者進(jìn)行了探索。劉延華等在以乙酸為基質(zhì)的試驗(yàn)中測出：厭氧終端污泥的PHB高達(dá)200mg/L，而在好氧結(jié)束時，降至20 mg/L；在以葡萄糖為基質(zhì)時，污泥的PHB始終處于40 mg/L的低水平，變幅甚小。Randall等對三項(xiàng)研究排泥的氧當(dāng)量測定值為：第二、第三項(xiàng)研究排泥的氧當(dāng)量為1.42 mg/(mg MLVSS)；第四項(xiàng)研究中，A2/O工藝排泥的氧當(dāng)量為1.34mg/(mg MLVSS)，普通活性污泥為1.30mg/(mg MLVSS)。這些測定值與標(biāo)準(zhǔn)值1.42mg/(mg MLVSS)相等或接近。據(jù)此推測，排泥中的PHB等細(xì)胞貯存物數(shù)量甚微，不足以對曝氣耗氧量產(chǎn)生重大的影響。

2.2產(chǎn)生CH4、H2S所起的作用

在厭氧條件下，必然有甲烷菌存在并產(chǎn)生CH4。但一般的A/O、A2/O系統(tǒng)均在常溫下運(yùn)行，且MCRT較短(10天～20天)。這種環(huán)境條件不利于甲烷菌的增殖和代謝活動。雖然甲烷化能消耗一部分有機(jī)物，但不可能產(chǎn)生大幅度削減曝氣耗氧量的結(jié)果。Wable(1992年)曾對一A2/O系統(tǒng)的尾氣進(jìn)行監(jiān)測，未檢出CH4，但該系統(tǒng)仍發(fā)生厭氧穩(wěn)定作用。此外，在Randall等的第二、第四項(xiàng)研究中，雖發(fā)現(xiàn)一些還原硫化物，但數(shù)量甚微，這一過程消耗的有機(jī)物在氧平衡計(jì)算中所占比例甚小。

2.3厭氧穩(wěn)定的機(jī)理

如前所述，厭氧穩(wěn)定既不能歸因于細(xì)胞貯存過量的PHB等有機(jī)物的流失，也不是由于產(chǎn)生CH4和H2S的釋放。其實(shí)這是由廣泛存在，但被忽視的糖類發(fā)酵反應(yīng)所引起。提起發(fā)酵反應(yīng)，一般認(rèn)為僅是將復(fù)雜的、大分子有機(jī)物降解為簡單的、小分子有機(jī)物，發(fā)酵過程產(chǎn)生的氫以降解物或氧化物為受體，不排出系統(tǒng)。因此，發(fā)酵產(chǎn)物的COD與原基質(zhì)相等，不導(dǎo)致削減COD的效果。這種認(rèn)識只看到了發(fā)酵反應(yīng)的一個側(cè)面，而忽視了更為重要的方面。發(fā)酵反應(yīng)是由多種微生物參與、反應(yīng)途徑多種多樣的復(fù)雜過程。其中既有脫氫氧化作用，又有加氫還原作用。發(fā)酵產(chǎn)物既可能是甲、乙、丙、丁、乳酸，也可能是醇類。發(fā)酵途徑和產(chǎn)物隨著環(huán)境條件和優(yōu)勢菌種的變化而變化。近年來的研究證明，在A/O、A2/O系統(tǒng)中，有許多兼性厭氧菌能在降解糖類時釋放出H2和CO2，從而削減了系統(tǒng)的COD總量。按經(jīng)典的EM代謝途徑，1 mol C6H12O6首先無氧酵解為2 mol的CH3COCOOH。在厭氧條件下，CH3COCOOH既可能加氫產(chǎn)生丙、丁、乳酸和醇類，也可能脫氫產(chǎn)生乙酸。CH3COCOOH脫氫發(fā)酵的途徑多種多樣，目前已知的主要有兩條：

(1) 1 mol的CH3COCOOH 分裂成各1mol的CH3COOH和HCOOH。HCOOH 在脫氫酶的作用下氧化成H2和CO2。其反應(yīng)式為：

CH3COCOOH+H2O? CH3COOH+HCOOH(1)

HCOOH? H2+CO2(2)

參與這一反應(yīng)過程的微生物主要有：Escherichia， Enterobacter， Proteus 菌屬，及Aeromonas， Beneckea， Photobacterium菌屬的一部分。

(2) CH3COCOOH 直接降解為CH3COOH和H2、CO2。其反應(yīng)式為：

CH3COCOOH+H2O? CH3COOH+H2+CO2(3)

參與這一反應(yīng)過程的微生物屬于產(chǎn)芽孢菌，如：Clostridium， Bacillus等。這類微生物也能使丙、丁、乳酸和醇類脫氫氧化。

糖類脫氫發(fā)酵的總反應(yīng)式為：

C6H12O6+2H2O? 2CH3COOH+4H2+2CO2(4)

從(4)式可算出，1 mol C6H12O6降解為CH3COOH，需氧量降低33%，如扣除排泥帶走的氧當(dāng)量，則削減的耗氧量約50%。這條發(fā)酵途徑的結(jié)果與實(shí)踐中厭氧穩(wěn)定削減的曝氣耗氧量相近。

3影響厭氧穩(wěn)定的因素

影響厭氧穩(wěn)定的因素主要有：原水含糖比、原水有機(jī)物濃度、MCRT、F/M、MLVSS等。

3.1原水含糖比

發(fā)酵反應(yīng)的對象是糖類等復(fù)雜的有機(jī)物，原水含糖比對厭氧穩(wěn)定的影響最大。Randall等在其第二項(xiàng)研究中，曾以乙酸取代葡萄糖為基質(zhì)，結(jié)果引起厭氧穩(wěn)定效果的急劇下降。在MCRT為3天時，削減的曝氣耗氧量接近于零。

3.2原水有機(jī)物濃度

Randall等[1]在研究中發(fā)現(xiàn)，原水有機(jī)物濃度也對厭氧穩(wěn)定效果產(chǎn)生重大的影響。應(yīng)用相對較稀的腐化池出水作試驗(yàn)，當(dāng)原水COD＜190 mg/L時，厭氧穩(wěn)定效果接近于零。但隨著原水COD的提高而直線上升。

3.3MCRT、F/M、MLVSS

這是三項(xiàng)互相關(guān)聯(lián)的影響因素。Randall等[1]在第四項(xiàng)研究中，將MCRT由5天提高到15天時，厭氧穩(wěn)定削減的曝氣耗量由8%～18%上升至12%～27%，升幅達(dá)50%。而與此相應(yīng)的是：MLVSS由1000mg/L上升至2000mg/L，F(xiàn)/M由0.2kgCOD/kg MLVSS降低至0.1mgCOD /kg MLVSS。結(jié)果提示，過低的MCRT將導(dǎo)致MLVSS下降、F/M上升，從而削弱厭氧穩(wěn)定效果。

4結(jié)束語

厭氧穩(wěn)定是由一類非貯磷菌屬的兼性厭氧菌發(fā)酵反應(yīng)的結(jié)果，是一種脫氫氧化行為。厭氧穩(wěn)定削減的曝氣耗氧量可達(dá)20%～30%。厭氧穩(wěn)定對含糖比大，有機(jī)物濃度高的污水較為合適。從削減曝氣耗氧量的角度出發(fā)，厭氧穩(wěn)定應(yīng)是一個有利于產(chǎn)生并釋放H2和CO2的過程，這個過程應(yīng)促進(jìn)NAD的再氧化并避免降解產(chǎn)物的還原。然而，迄今為止，有關(guān)厭氧穩(wěn)定的理論知識仍相當(dāng)貧乏，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)更是不足。如何優(yōu)化篩選參與厭氧穩(wěn)定的微生物，如何優(yōu)化厭氧穩(wěn)定的運(yùn)行條件，如何將厭氧穩(wěn)定與除氮、磷作用有機(jī)結(jié)合等一系列課題，都有待今后研究和探討。來源：中國環(huán)保頻道