厌氧预处理对曝气耗氧量的削减作用和机理.doc

厌氧预处理对曝气耗氧量的削减作用和机理
张永吉
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

0　前言
　　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/LF/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)
　　★作者通讯处：225002 江苏扬州友谊路4号扬州市环保局
　　　收稿日期：1998-7-29