摘要: 厌氧预处理可削减曝气耗氧量的20%~30%。其机理既不是贮磷菌贮存过量的聚羟基丁酸盐(PHB)随污泥排出,也并非由于产生CH4、H2S的释放。而主要是兼性厌氧菌对糖类发酵作用产生H2、CO2的结果。
关键词: 耗氧量 厌氧稳定 非贮磷菌 发酵 PHB
为控制水污染的日益加剧,目前 国内正大举兴建城镇污水处理 厂。这是一项保证国民经济 可持续发展 的战略举措,但也是一项只见投入,不见直接产出的公益行为。其不仅需要投入大笔的基建资金,而且还要付出可观的运转费用。一些地方大力筹资建成了污水处理 厂,但却因难以承担运转费用而不能充分发挥环境效益。因此,降低能耗,节约运转费用对发展城镇污水处理 事业具有举足轻重的作用。 在常规城镇污水处理 中,曝气 供氧的能耗最大,约占全厂总能耗的50%。因此,降低曝气 耗氧量是节约运转费用的首要环节。降低曝气 耗氧量的途径有两条:第一,前置预处理设施,削减进入曝气 区的耗氧量;第二,优选运行条件和扩散装置,提高氧利用率。本文将就前者作进一步的探讨。 1 厌氧预处理对曝气 耗氧量的削减作用 在A/O、A2/O系统中,厌氧区可去除水中大部分有机物。过去,一直将这种现象主要归因于贮磷菌的吸收和贮存PHB的作用。因PHB是过渡产物,在好氧区将作为碳源而被氧化。故这一过程并不削减后续的曝气 耗氧量。然而,近年来的理论 和实践都证明,厌氧区不仅具有吸收和贮存基质的功能,而且还产生脱氢氧化作用,并可大幅度削减继后的曝气 耗氧量。 1.1 早先的发现和实践的证明 早在1983年,Lan等就发现在曝气 区前设置一个厌氧区,可降低曝气 区50%的耗氧量。继后,Randall等[1](1984~1987年)多次证实了这一发现,并将这一现象命名为“厌氧稳定”。Bordacs等(1988年)在曝气 区前加了一只厌氧选择器,平均降低了30%的曝气 耗氧量。其降低幅度与F/M(BOD/MLVSS)有关:当F/M为0.2时,降低36%,当F/M为0.8时,降低20%。王凯军等[2](1988年)将初沉池改成厌氧池,厌氧反应1.67~2.5 h后,曝气 耗氧量降低约50%。McClintock等[3](1993年)应用 A2/O 工艺与常规活性污泥法进行对比研究 ,前者厌氧、缺氧反应各1h,在同等的除氮效果下,A2/O 工艺所需的曝气 时间由3.2h缩短至1.7h,曝气 耗氧量降低近1/2。 1.2 氧平衡计算 的结果 所谓厌氧稳定是指在厌氧过程中,有机物完全氧化或还原成气态尾产物释放,既不是转化为菌体随污泥排出,也不是转化为潜在的耗氧物在系统内外继续耗氧,是一种脱氢氧化行为。在A/O、A2/O系统中,除厌氧稳定作用而外,还存在两项可削减曝气 耗氧量的因素,即:反硝化和排泥。为排除这两项因素的干扰,Randall等[1]应用物料氧平衡法对三项研究成果进行了评估。在氧平衡计算时,用氧当量表示有机物,统一进行量化。从全系统去除的COD氧当量中,扣除反硝化增补的和排泥损失的氧当量,则可计算出厌氧稳定的氧当量,及由此而削减的曝气 耗氧量。第一项研究应用A/O工艺,厌氧反应1.7h,曝气 3.9h。通过投药法抑制硝化作用的发生,免除反硝化增氧的干扰。扣除排泥带走的氧当量,测算出厌氧稳定削减的曝气 耗氧量占23%~48%。第二项研究应用A2/O工艺,厌氧、缺氧、好氧反应的时间分别为1.3h、2.1h、6.9h,扣除反硝化增补的和排泥损失的氧当量,得出厌氧稳定削减的曝气 耗氧量为23%~27%。第三项研究A2/O工艺与普通活性污泥法的平行对比试验,A2/O系统的厌氧、缺氧、好氧反应时间分别为2h、2h、4h,普通活性污泥法的曝气 时间为8h。结果为:厌氧稳定削减了8%~27%的曝气 耗氧量,A2/O工艺比普通活性污泥法降低23.2%~37.3%曝气 耗氧量。 2 厌氧稳定削减曝气 耗氧量的机理 厌氧预处理可削减曝气 耗氧量的发现已得到国内外大量科研成果和生产实践的证明。但对其机理却众说纷纭,认识不一。占优势的说法是,贮磷菌细胞内贮存过量的PHB,未经氧化而以污泥形态排出系统;也有人将其归因于厌氧还原产生CH4和H2S的释放。近年来的研究证明,这两种说法均科学 依据不足。 2.1 贮磷菌贮存过量的PHB流失的可能性这方面存在两种观点:第一,认为贮磷菌贮存PHB是厌氧反应的主导作用;第二,认为污泥中含有过量的PHB。在厌氧条件下,吸收并贮存PHB的主要是一类小型阴性短杆菌(Acinetobacter)也称除磷菌。这类菌在厌氧条件下仅能利用醇、酸等低分子有机物合成PHB,而不能直接利用糖类等复杂物。其对乙酸的亲合性特别强,只要水中有乙酸存在,无论在厌氧、缺氧或好氧条件下,也不管污泥处于循环周期的何种状态,贮磷菌就要释放磷而吸收乙酸。此外,必须指出,贮磷菌也是一类活性差、增殖慢、竞争力弱的菌属,其对环境条件有一定的要求和选择性,在A/O、A2/O系统中,将与其他菌种发生竞存和筛选作用。 近年来的研究表明,在厌氧条件下,除贮磷菌而外,还存在另一类能吸收并贮存有机物的非贮磷菌。两类菌既可共存又有竞争。Jakub等[4]曾做了这样一个试验,在葡萄糖和乙酸各50%的基质中,接种非贮磷菌。从0天~23天内,A/O系统的贮磷菌接近于零,但随着时间的推移,贮磷菌逐渐增加,而非贮磷菌相应减少,至131天后,两类菌数量相近。在整个试验过程中,不管两类菌种的比例如何演变,厌氧区出水的可溶性COD均很低,且变幅甚小。结果表明,非贮磷菌同样具有吸收并贮存乙酸等有机物的能力。然而,非贮磷菌以何种形态吸收并贮存有机物,是PHB、PHA、糖类,还是其他物质,目前所知甚少。 基于上述,在厌氧区贮磷菌和非贮磷菌均能吸收并贮存大量有机物。为深究这些贮存物的演变和最终产物,一些学者进行了探索。刘延华等[5]在以乙酸为基质的试验中测出:厌氧终端污泥的PHB高达200mg/L,而在好氧结束时,降至20 mg/L;在以葡萄糖为基质时,污泥的PHB始终处于40 mg/L的低水平,变幅甚小。Randall等对三项研究排泥的氧当量测定值为:第二、第三项研究排泥的氧当量为1.42 mg/(mg MLVSS);第四项研究中,A2/O工艺排泥的氧当量为1.34mg/(mg MLVSS),普通活性污泥为1.30mg/(mg MLVSS)。这些测定值与标准值1.42mg/(mg MLVSS)相等或接近。据此推测,排泥中的PHB等细胞贮存物数量甚微,不足以对曝气 耗氧量产生重大的影响 。 2.2 产生CH4、H2S所起的作用 在厌氧条件下,必然有甲烷菌存在并产生CH4。但一般的A/O、A2/O系统均在常温下运行,且MCRT较短(10天~20天)。这种环境条件不利于甲烷菌的增殖和代谢活动。虽然甲烷化能消耗一部分有机物,但不可能产生大幅度削减曝气 耗氧量的结果。Wable(1992年)曾对一A2/O系统的尾气进行监测,未检出CH4,但该系统仍发生厌氧稳定作用。此外,在Randall等的第二、第四项研究中,虽发现一些还原硫化物,但数量甚微,这一过程消耗的有机物在氧平衡计算中所占比例甚小。 2.3 厌氧稳定的机理 如前所述,厌氧稳定既不能归因于细胞贮存过量的PHB等有机物的流失,也不是由于产生CH4和H2S的释放。其实这是由广泛存在,但被忽视的糖类发酵反应所引起。提起发酵反应,一般认为仅是将复杂的、大分子有机物降解为简单的、小分子有机物,发酵过程产生的氢以降解物或氧化物为受体,不排出系统。因此,发酵产物的COD与原基质相等,不导致削减COD的效果。这种认识只看到了发酵反应的一个侧面,而忽视了更为重要的方面。发酵反应是由多种微生物参与、反应途径多种多样的复杂过程。其中既有脱氢氧化作用,又有加氢还原作用。发酵产物既可能是甲、乙、丙、丁、乳酸,也可能是醇类。发酵途径和产物随着环境条件和优势菌种的变化而变化。近年来的研究证明,在A/O、A2/O系统中,有许多兼性厌氧菌能在降解糖类时释放出H2和CO2,从而削减了系统的COD总量。按经典的EM代谢途径,1 mol C6H12O6首先无氧酵解为2 mol的CH3COCOOH。在厌氧条件下,CH3COCOOH既可能加氢产生丙、丁、乳酸和醇类,也可能脱氢产生乙酸。CH3COCOOH脱氢发酵的途径多种多样,目前已知的主要有两条: (1) 1 mol的CH3COCOOH 分裂成各1mol的CH3COOH和HCOOH。HCOOH 在脱氢酶的作用下氧化成H2和CO2。其反应式为: CH3COCOOH H2O? CH3COOH HCOOH (1) HCOOH? H2 CO2 (2) 参与这一反应过程的微生物主要有:Escherichia, Enterobacter, Proteus 菌属,及Aeromonas, Beneckea, Photobacterium菌属的一部分。 (2) CH3COCOOH 直接降解为CH3COOH和H2、CO2。其反应式为: CH3COCOOH H2O? CH3COOH H2 CO2 (3) 参与这一反应过程的微生物属于产芽孢菌,如:Clostridium, Bacillus等。这类微生物也能使丙、丁、乳酸和醇类脱氢氧化。 糖类脱氢发酵的总反应式为: C6H12O6 2H2O? 2CH3COOH 4H2 2CO2 (4) 从(4)式可算出,1 mol C6H12O6降解为CH3COOH,需氧量降低33%,如扣除排泥带走的氧当量,则削减的耗氧量约50%。这条发酵途径的结果与实践中厌氧稳定削减的曝气 耗氧量相近。 3 影响厌氧稳定的因素 影响厌氧稳定的因素主要有:原水含糖比、原水有机物浓度、MCRT、F/M、MLVSS等。 3.1 原水含糖比 发酵反应的对象是糖类等复杂的有机物,原水含糖比对厌氧稳定的影响最大。Randall等在其第二项研究中,曾以乙酸取代葡萄糖为基质,结果引起厌氧稳定效果的急剧下降。在MCRT为3天时,削减的曝气 耗氧量接近于零。 3.2 原水有机物浓度 Randall等[1]在研究中发现,原水有机物浓度也对厌氧稳定效果产生重大的影响。应用相对较稀的腐化池出水作试验,当原水COD<190 mg/L时,厌氧稳定效果接近于零。但随着原水COD的提高而直线上升。 3.3 MCRT、F/M、MLVSS 这是三项互相关联的影响因素。Randall等[1]在第四项研究中,将MCRT由5天提高到15天时,厌氧稳定削减的曝气 耗量由8%~18%上升至12%~27%,升幅达50%。而与此相应的是:MLVSS由1000mg/L上升至2000mg/L,F/M由0.2kgCOD/kg MLVSS降低至0.1mgCOD /kg MLVSS。结果提示,过低的MCRT将导致MLVSS下降、F/M上升,从而削弱厌氧稳定效果。 4 结束语 厌氧稳定是由一类非贮磷菌属的兼性厌氧菌发酵反应的结果,是一种脱氢氧化行为。厌氧稳定削减的曝气 耗氧量可达20%~30%。厌氧稳定对含糖比大,有机物浓度高的污水较为合适。从削减曝气 耗氧量的角度出发,厌氧稳定应是一个有利于产生并释放H2和CO2的过程,这个过程应促进NAD的再氧化并避免降解产物的还原。然而,迄今为止,有关厌氧稳定的理论知识仍相当贫乏,实践经验更是不足。如何优化筛选参与厌氧稳定的微生物,如何优化厌氧稳定的运行条件,如何将厌氧稳定与除氮、磷作用有机结合等一系列课题,都有待今后研究和探讨。
参考 文献 1 Randall C W et al.
The case for anaerobic reduction of oxygen requirements in biological phosphorus removal systems. Water Environment Research,1992, 64(6):824~833
2 王凯军,等.低能耗城市
污水处理 工艺
研究 .
中国 给水排水,1998(5)
3 McClintock S A et al. Effects of temperature and mean cell residence time on biological nutrient removal processes. Water Envionment Research, 1993, 65 (2),110~118
4 Jakub S C et al. Competition between poly-p and non poly -p bacteria in an enhanced phosphate removal system. Water Envinment Research, 1993, 65(3):690~692.
5 刘延华,等,厌氧-好氧活性污泥法快速低耗氧去除COD的机理初探.给水排水, 1997, 23(6)