臭氧尾气回用对曝气池污泥影响研究

臭氧尾气回用对曝气池污泥影响研究陈楠1，张寒2，王乔2，张利华2，李译文2，周珉2，张海涛1（1．华东理工大学化工学院，上海200237；2．上海化学工业区中法水务发展有限公司，上海201507）［摘要］将活性污泥分别在14．68、30．72、43．84ｍg/L3种臭氧浓度下进行氧化，同时以纯氧曝气作为平行实验，考察臭氧尾气对活性污泥的影响。结果表明，污泥经纯氧曝气后，在反应时间内并无明显变化，但在臭氧氧化过程中，污泥ATP下降，同时上清液中COD、TP、TＮ上升，且臭氧浓度越高，变化速率越大，其原因为污泥发生了溶胞现象；臭氧氧化后，污泥MLSS、MLVSS减少，污泥呼吸速率下降，但沉降性得到改善，同样随着臭氧浓度的升高，变化更为显著。经14．68、30．72ｍg/L臭氧氧化后的污泥，其硝化能力、生化能力与反应前并无明显差距，而经43．84ｍg/L臭氧氧化后污泥的硝化能力、生化能力明显弱于反应前。［关键词］尾气回用；活性污泥；臭氧氧化；溶胞［中图分类号］Ｘ703［文献标识码］A［文章编号］1005-829Ｘ（2017）04-0033-06Researchontheinfluencesofozoneoff-gasrecyclingonaerationtanksludgeCｈenＮan1，ZｈangHan2，WangQiao2，ZｈangLiｈua2，LiYiwen2，ZｈouMin2，ZｈangHaitao1（1．ChemicalEngineeringInstitute，EastChinaUniversityofScienceandTechnology，Shanghai200237，China；2．ShanghaiChemicalIndustryParkSinoFrenchWaterDevelopmentCo.，Ltd.，Shanghai201507，China）Ａbstract：Activatedsludgeisoxidiｚedwｈentｈeoｚoneconcentrationsare14．68ｍg/L，30．72ｍg/Land43．84ｍg/L，respectively．Meanwｈile，pureoxygenaerationisusedintｈeparallelexperiｍentforinvestigatingtｈeinfluenceofoｚoneoff-gasonactivatedsludge．Tｈeresultssｈowtｈatnoobviouscｈangesareobservedintｈereactiontiｍe，aftertｈesludgeｈasbeenaeratedwitｈpureoxygen．Butduringoｚonationprocess，adenosinetripｈospｈate（ATP）ofsludgedecreaseswitｈtｈeincreaseofcｈeｍicaloxygendeｍand（COD），totalpｈospｈorous（TP）andtotalnitrogen（TＮ）ofsupernatant．Tｈeｈigｈertｈeoｚoneconcentrationis，tｈefastertｈevariationratesare，wｈicｈｍigｈtbeexplainedbysludgecelllysis．Afteroｚonation，ｍixedliquorsuspendedsolids（MLSS）andｍixedliquorvolatilesuspendedsolids（MLVSS）decrease，andoxygenuptakerate（OUR）declines，buttｈesettleｍentabilityｈasbeeniｍproved．Intｈesaｍeway，witｈtｈeincreaseofoｚoneconcentration，tｈecｈangesareｍoreobvious．Aftertｈeoｚonationprocessinwｈicｈoｚoneconcentrationsare14．68ｍg/Land30．72ｍg/L，tｈesludgenitrificationabilityandbiodegradationabilitydonotｈaveobviouscｈanges，coｍparedwitｈtｈeabilitiesbeforetｈereaction．Aftertｈeoｚonationprocessinwｈicｈoｚoneconcentrationis43．84ｍg/L，tｈesludgenitrificationabilityandbiodegradationabilityareobviouslyweak，coｍparedwitｈtｈeabilitiesbeforetｈereaction．Keywords：off-gasrecycling；activedsludge；oｚonation；celllysis臭氧具有强氧化性且不易造成二次污染〔1-2〕，使得臭氧深度氧化技术成为污水处理领域的新热点〔3〕。目前，工业所用臭氧主要采用液氧作为气源，通过高压放电的方式来制备。在实际运行过程中通常只有10%（质量分数）的氧气被转化为臭氧，氧气和臭氧的混合气体与废水混合、接触、反应后，剩余的氧气和少量未被完全利用的臭氧经过臭氧破坏器后直接排入大气。与此同时，污水处理厂生物处理系统的曝气池每天需要消耗大量电力对活性污泥进行机械曝气以维持池内适量溶解氧，保持微生物一定的活性〔4〕。臭氧尾气回用工艺是将臭氧接触氧化系统的尾气直接通入曝气池内，能够实现停运臭氧尾气破坏器并减少或停运曝气池曝气机。但由于臭氧具有强氧化性和毒性〔5〕，为保证臭氧系统尾气回用后原工艺的稳定运行，必须考察臭氧对曝气池活性污泥的影响。关于臭氧尾气回用至曝气池对污泥微生物及原工艺运行的影响鲜有报道，臭氧氧化污泥的研究大多集中在污泥减量化方面〔6〕，其原理是利用臭氧的强氧化性使原工艺的回流污泥微生物细胞溶解并释放细胞质，回流至曝气池后，可被微生物新陈代谢二次利用，从而实现污泥的隐性生长，减少剩余污泥的第37卷第4期2017年4月工业水处理IndustrialWaterTreatｍentVol．37Ｎo．4Apr．，201733排放〔7-8〕。臭氧溶胞过程中，细胞质（主要包括蛋白质、多聚糖以及脂类）会大量释放，势必引起碳、氮、磷等物质浓度的升高〔9〕，从而增加原污水处理工艺负荷；同时，臭氧的杀菌作用可能会抑制甚至破坏曝气池内活性污泥的活性〔2〕，对曝气池处理污水的能力产生较大冲击，影响出水水质。因此笔者采用小试装置，考察了3种浓度的臭氧尾气（气相质量浓度分别为14．68、30．72、43．84ｍg/L）对曝气池活性污泥的影响，研究臭氧尾气回用的可行性。1实验部分1．1实验材料与仪器活性污泥取自某污水处理厂曝气池末端出口，MLSS为3800~4400ｍg/L。主要试剂：碘化钾、淀粉、氯化铵，分析纯，上海润捷化学试剂有限公司；98%浓硫酸，优级纯，上海凌峰化学试剂有限公司；硫代硫酸钠、乙二酸钠，分析纯，上海凌峰化学试剂有限公司；硝酸钠，分析纯，上海青析化工科技有限公司。主要仪器：LAB2B臭氧发生器，OZOＮIA公司；AWH-6电子天平，上海英展机电企业有限公司；C-MAGMS7磁力搅拌器，艾卡仪器设备有限公司；DL-4C离心机，上海安亭科学仪器厂；DRB200COD消解仪，DR3900HACH分析仪，HACH公司；SPH-310F新型脱色摇床，上海世平实验设备有限公司；YSI5100溶解氧仪，Ｘyleｍ；Luｍitesterc-100ATP检测仪，LuｍinUltra；DHG-9030A电热恒温鼓风干燥箱，SＸ2-2-4-10-TP箱式电阻炉，上海一恒科学仪器有限公司；Kjeltec8400凯式定氮仪，FOSS。1．2分析方法臭氧浓度采用碘量法（CJ/J3028．2—1994）测定；ATP采用生物荧光法测定；MLSS、MLVSS采用重量法（GB11901—1989）测定；COD采用重铬酸钾消解分光光度法测定；TＮ采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法（GB11894—1989）测定；TKＮ采用蒸馏法（GB11891—1989）测定；ＮH3-Ｎ采用蒸馏法（GB7478—1987）测定；ＮO3--Ｎ采用变色酸法（HACH10020）测定；ＮO2--Ｎ采用亚硝酸盐指示剂分光光度法（GB7493—1987）测定；TP/P-PO43-采用钼酸铵分光光度法（GB11893—1989）测定；污泥体积指数SVI采用沉降法（ISO5667—16）测定；可生化降解性测试评估方法采用赞恩-惠伦斯实验（ISO9888：1999（E））；活性污泥耗氧速率抑制毒性采用化学品活性污泥呼吸抑制试验（GB/T21796—2008）测定；硝化毒性采用ISO9509—2006测定；反硝化毒性采用水样生物试验方法指南（ISO5667-16-98）测定。1．3实验装置如图1所示，实验装置由臭氧发生器、反应器、多余臭氧吸收、臭氧浓度测定装置4部分组成。图1实验装置由氧气钢瓶给臭氧发生器提供纯氧进气，通过调节臭氧发生器的档位为整个实验提供不同浓度的臭氧。臭氧发生器出气从上至下共分为3路：气路1测定臭氧进气浓度，气路2吸收多余臭氧，气路3通入反应器，进行臭氧化反应。该反应器为1个容积4L的鼓泡型接触玻璃柱，其出口接1个缓冲瓶和臭氧尾气浓度测定装置，测定臭氧尾气浓度并防止倒吸。实验过程中保持气路1、3的臭氧气体流量为0．15L/ｍin，总反应时间为5ｈ，每小时取样测试污泥ATP及上清液中的COD、TＮ、TP，并在反应结束后考察活性污泥变化并评估上清液的可处理性。2结果与讨论2．1臭氧杀菌和溶胞作用ATP是生物体内能量代谢的重要产物，并作为细胞内能量传递的“能量通货”，储存和传递化学能，通过测定ATP含量可以反映活性污泥中微生物的活性〔10〕。活性污泥是由多种微生物种群及其吸附的有机物、无机物组成的集合体—菌胶团，其化学组成中碳、氮、磷各约占54%、12%、2%〔11〕。COD、TＮ、TP可反映水体受营养物质污染的程度，也是污水处理领域重要的参考指标，同时可表示臭氧的溶胞过程。实验过程中每小时取样测定污泥ATP及上清液中的COD、TＮ、TP，结果见图2。由图2可知，在氧气曝气的条件下，活性污泥中的ATP及上清液中的COD、TＮ、TP均无明显变化，而在臭氧曝气过程中，ATP随着反应时间延长而明工业水处理2017-04，37（4）试验研究34显下降，COD、TＮ、TP则显著持续上升，且臭氧浓度越高，各参数变化趋势更快。图2ATP（a）、COD（b）、TＮ（c）、TP（d）随反应时间的变化情况实验过程中氧气对活性污泥并无明显影响，同时由于污泥取自曝气池出口处，其废水中残留的COD已属于难降解部分，因此经纯氧曝气后COD并无明显下降。但由于臭氧具有强氧化性，能够杀死活性污泥中的微生物，降低总体活性，且臭氧浓度越高，ATP下降速率越快；同时使微生物的细胞壁、细胞膜破裂，释放细胞质（含有大量有机质和氮、磷等营养物质，以蛋白质、多聚糖和脂类为主），发生了溶胞现象，从而造成COD、TＮ、TP持续上升，溶胞速率随着臭氧浓度的升高而增大，额外增加了曝气池内的污染物负荷，因此需后续考察其可处理性。2．2活性污泥反应前后的变化研究了活性污泥反应前后的变化情况，包括性状变化以及硝化、生化能力的变化，可反映臭氧对活性污泥的直接作用，并对保证曝气池内工艺运行稳定性的调控具有一定指导作用。2．2．1污泥反应前后的性状变化活性污泥反应前后的性状变化如表1所示。由表1可知，在氧气曝气条件下各参数基本没有变化，再次证明反应5ｈ内，氧气对污泥无明显影响。但污泥经臭氧化后MLSS、MLVSS明显减少，且随着臭氧浓度的增大，污泥减少量增多。将各质量浓度下MLSS的前后变化差值与MLVSS的变化差值进行比较，发现MLSS的下降主要是由MLVSS的下降引起的，同时MLVSS与MLSS的比值经臭氧氧化后也有一定下降，这表