溶解氧對生物轉盤技術處理乳制品廢水效能的影響

晁雷+崔東亮+趙曉光

摘要：在不同的溶解氧濃度條件下，研究接觸氧化池生物膜的狀態以及乳制品廢水污染物的去除效率。結果發現，水力停留時間為10 h時，生物轉盤轉速為10 r/min，此時生物轉盤出水CODCr、氨態氮（NH+4-N）含量、總磷（TP）含量分別約為129、4.67、2.81 mg/L；當接觸氧化池水力停留時間4 h時，溶解氧濃度在2.5～3.0 mg/L之間，CODCr、NH+4-N含量、TP含量出水分別達到55、4.44、1.42 mg/L。以上結果表明，乳制品廢水經過處理后滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級B標準。

關鍵詞：溶解氧；生物轉盤；接觸氧化；乳制品廢水；效能；水力；停留時間

中圖分類號： X703 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2017）01-0249-04

生物膜法與傳統的污水處理方法活性污泥法相比，具有對水質水量變動較強的適應性、剩余污泥量少、運行方便等特點，是一種被廣泛應用的生物處理技術[1]。其中，生物轉盤技術（rotating biological contactor，RBC）別稱浸沒式生物濾池，是在生物濾池的基礎上發展而來的，因其系統具有設計靈活可靠、安裝操作簡潔、無須曝氣降低能耗等特點，因此成為了既傳統同時又在不斷研究中的生物膜技術[2]。近年來，國內外學者對生物轉盤的應用范圍、脫氮機理、盤片結構、盤片驅動方式作了廣泛研究，并取得了大量成果[3-10]。

乳制品廢水相當于原狀牛奶的稀釋液，主要含有的污染物是乳蛋白、乳脂、乳糖、含于原乳當中的礦物質以及用于清洗生產設備、管道、容器和車間地面的酸性和堿性洗滌劑等[11]。乳制品廢水水質主要有以下特點：廢水的水質和水量有很大的波動，有機物含量高，良好的可生化性能。廢水中生化需氧量（BOD）/化學需氧量（COD）大于0.5時，屬于可生化性好的有機廢水[12]。本試驗采用新式盤片的生物轉盤對乳制品廢水運行效果進行研究。但目前，我國對于生物轉盤和生物接觸氧化池2個生物膜反應器代表的運行影響因素和運行參數研究尚不全面、深入。因此，本試驗通過改變曝氣量控制混合液中溶解氧的濃度，研究不同溶解氧條件下接觸氧化池生物膜的狀態以及污染物的去除效率，旨在獲得最佳運行系統和符合實踐應用所需要的經濟性要求的運行參數。

1 材料與方法

1.1 試驗用水

試驗采用牛奶配制的模擬乳制品工業廢水（表1）作為研究對象。本試驗使用的接種活性污泥取自沈陽北部污水處理廠，主要呈現棕褐色的大塊絮團，其污泥沉降比約為42%，污泥體積指數為87 mL/g。通過顯微鏡觀察，污泥菌膠團絮體較好，其中絲狀菌較少。

1.2 試驗裝置

本試驗主體反應裝置由水解酸化池、生物轉盤、接觸氧化池和二沉池構成（表2、圖1），輔助裝置系統由配電箱、溶解氧在線監測儀、氣體及液體轉子流量計、攪拌機、蠕動泵與曝氣機組成（圖2）。

1.3 反應器運行條件

水力停留時間為10 h的情況下，控制溫度為20 ℃，通過調速電機改變轉盤轉速，研究轉盤轉速對生物轉盤污染物去除率的影響。轉盤轉速分別為6、8、10、12、16、20 r/min，主要觀察在各轉盤轉速的條件下生物膜的狀態以及CODCr、NH+4-N、TP的去除率。當接觸氧化池水力停留時間為4 h左右、水溫20 ℃時，由于生物接觸氧化池中的溶解氧濃度會隨著微生物的生長繁殖發生變化，因此溶解氧濃度分別為0.5～1.0、2.5～3.0、4.5～5.0 mg/L。

1.4 分析項目與測定方法

CODCr的測定采用HACH，NH+4-N含量的測定采用納氏試劑分光光度法，總磷含量的測定采用鉬銻抗分光光度法，溶解氧采用膜電極法，SV含量的測定采用沉降法，MLSS含量的測定采用烘干法，pH值的測定采用pH計讀取。

2 結果與分析

2.1 轉盤轉速對CODCr去除效果的影響

生物轉盤轉速對于生物轉盤來說是在不曝氣的情況下改變氧化池中溶解氧濃度的有效途徑。合適的轉盤轉速可以使氧化池中的混合液均勻混合，產生良好的傳質效果。同時，合理的轉盤轉速可以產生恰當的剪切力，生物轉盤可以使新老膜良性交替，使生物膜一直處于比較好的活性狀態，可以持續獲得較好的污染物去除效果[13]。

在生物轉盤轉速從6 r/min增加到12 r/min的過程中，CODCr去除率的變化并不是很明顯，平均去除率僅從78%升到87%。同時從混合液外觀上來看，隨著轉速的增大，混合液更加均勻，混合液中溶解氧濃度隨轉速增大而增大，但同時混合液中懸浮污泥量也有所增加。當轉盤轉速增大到 16 r/min 甚至20 r/min時，CODCr去除率下降明顯，去除率約下降10%（圖3），主要可能是轉盤轉速的增大會增強混合液的擾動程度，提升氧氣溶解量，同時也會增加有機物與生物膜的接觸與傳遞，而溶解氧濃度的增加也會促進有機物的降解。但另一方面，轉速的增大導致轉盤邊界層變薄，底物基質傳遞到生物膜的時間變短，來不及被生物膜吸附吸收降解。因此，CODCr去除率變化并沒有很明顯。當轉速繼續增大時，轉盤邊緣角速度逐漸增大，剪切力增大，發生生物膜的脫落， 邊界層變薄以及微生物膜量減少導致生物轉盤CODCr去除率的下降。

2.2 轉盤轉速對NH+4-N去除效果的影響

混合液中溶解氧的濃度與生物轉盤轉速成正比。當生物轉盤轉速當轉速慢、混合不均勻時，溶解氧濃度低，此時好氧的硝化細菌在異養菌的競爭以及低溶解氧的抑制下，活性受到影響，所表現出來的NH+4-N去除效能不強，平均去除率僅為52%左右。當生物轉盤轉速增加到12 r/min時，NH+4-N 去除率高達82%左右。但轉速超過12 r/min后，氨氮去除效率逐漸下降（圖4），主要原因是混合液對轉盤盤片生物膜的剪切作用增強，使得部分生物膜脫落分散進入混合液中并隨水流失，導致微生物量減少；此外，混合液中的懸浮污泥不適合生長繁殖慢、世代長的硝化細菌生長[14]。

2.3 轉盤轉速對TP去除效果的影響

生物膜量對污染物去除效率影響很大，從外觀狀態可以看出，轉速過大會導致生物膜變薄?？偭兹コ屎蟀攵闻c生物膜量基本呈正相關，前半段則隨轉速增大而增加。在轉速為6 r/min時，TP平均去除率最低，為32.35%；當轉速為 12 r/min 時，平均去除率最高，接近60%。而轉速分別達到16、20 r/min時，去除率均出現下降，平均去除率相較最高平均去除率下降近20%（圖5）。

當轉盤轉速為6 r/min時，溶解氧濃度為1.5 mg/L左右，此時溶解氧量不充足、處于缺氧狀態，好氧聚磷菌繁殖較慢，同時厭氧層增厚導致聚磷菌釋磷作用增強，雙重作用導致總磷去除率不高，僅為32%左右（圖6）。在轉盤轉速增大過程中，混合液攪動程度加強，促使溶解氧濃度升高，好氧聚磷菌繁殖變快，對污水中磷的吸收作用加強，同時加強的剪切作用，從而使轉盤生物膜更換速度變快，內層厭氧環境到混合液中好氧環境轉換周期變短，總磷的去除率有所提升[15] 。轉盤轉速過大時，生物膜脫落較多、較快，較強的剪切力使掛載的生物膜比較薄，生物膜量較少，導致總磷去除率下降較為明顯。

上述關于生物轉盤轉速對生物轉盤污染物去除效率性能的研究表明，對于不采用曝氣裝置的生物轉盤來說，調節生物轉盤轉速可以有效控制混合液中的溶解氧濃度。適當增大轉速會對污染物的去除有促進作用，但是過大的轉盤轉速會因為強的剪切作用而使生物膜無法達到，從而滿意的厚度，進而影響整個系統的去除率；此外，過高的轉速需要更多的能耗、增加運行成本。因此，綜合考慮CODCr、NH+4-N、TP的去除效果及運行成本，本試驗最終確定轉盤轉速為10 r/min。

2.4 接觸氧化池水力停留時間對運行效果的影響

曝氣裝置是生物接觸氧化池重要的裝置之一，扮演著提供充足溶解氧以及充分攪拌混合均勻氧化池內液體的雙重角色[16]。同時，攪拌混合作用可以有效提高污水中污染物與接觸氧化池生物膜接觸效率，并且產生合適的剪切力促進生物膜的新老更替。生物接觸氧化池中需要適當的溶解氧濃度，濃度過低會使反應器缺氧，進而抑制好氧菌種的生長繁殖，降低污染物的去除率；同時較低濃度的溶解氧意味著攪拌作用不足，液體混合不均勻，容易產生混合死角，污泥堆積易腐敗，水質變差產生惡臭。而曝氣過大、溶解氧濃度過高會導致生物膜的老化，造成微生物細胞的自體分解[17]。

由于生物接觸氧化池中的溶解氧濃度會隨著微生物的生長繁殖發生變化，因此對于溶解氧的研究只能控制在一定濃度范圍內。當溶解氧濃度為0.5～1.0 mg/L時，此時反應器內處于缺氧狀態，所有的好氧微生物生長均受到抑制、生物活性降低，尤其是對好氧自養微生物的硝化細菌抑制作用更為嚴重，同時厭氧環境下微生物膜釋磷作用更加明顯[18]。當溶解氧濃度增加到2.5～3.0 mg/L時，相對于CODCr去除率的變化，銨態氮和總磷去除率波動更加明顯，尤其是銨態氮平均去除率從45%增加到66%，總磷也略有增加。污染物整個去除率的變化不僅是因為反應器中溶解氧的增加，同時通過增加曝氣量增加溶解氧的方式促使混合液擾動強度更大、混合更加均勻，增加了污水中污染物與生物膜的接觸效率，這也是污染物去除率增加的一個原因。當溶解氧濃度升到4.5～5.0 mg/L時，污染物去除效率增加不明顯，主要是因為溶解氧濃度過高時，好氧微生物大量消耗污水中的污染物，底物濃度減少，微生物營養不充足，部分微生物老化自體分解，導致微生物膜厚度減小。另外，曝氣過強導致對載體上的生物膜剪切力太大，生物膜紛紛脫落，進而流失，也是生物膜量減少的原因（圖7、圖8）。因此，污染物去除率增加不明顯，實際上嚴重時會導致出水水質變差、去除率驟降，甚至反應器停止運行。

3 結論

本試驗主要利用單因素分析法，分別通過改變生物轉盤轉速與生物接觸氧化池反應器水力停留時間來控制溶解氧濃度。通過觀察生物膜狀態以及監測CODCr、NH+4-N含量、TP含量等污染物指標，得到如下結論：（1）在水力停留時間為 10 h 時，控制溫度在20 ℃的情況下，結合污染物的去除效率以及生物轉盤轉動能耗，試驗確定生物轉盤轉速為10 r/min，此時生物轉盤對乳制品工業廢水中CODCr、NH+4-N、TP的平均去除率分別達到85.83%、79.34%、56.67%，生物轉盤出水CODCr、NH+4-N含量、TP含量分別約為129、4.67、2.81 mg/L。生物轉盤處理廢水過程中保持了較好的去除率，維持了適宜的生物膜厚度和良好的微生物活性。（2）針對生物接觸氧化池運行特征，確定水力停留時間為4 h，挑選溶解氧濃度為研究變量。遵循去除率與能耗相結合原則，溶解氧濃度在2.5～3 mg/L之間為最佳運行條件。在試驗確定的最優運行條件下，接觸氧化池對CODCr、NH+4-N、TP的平均去除率分別為71.27%、65.8%、51.82%，接觸氧化池出水分別達到55、4.44、1.42 mg/L，滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級B標準。

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