超声波强化A2O工艺处理空间基地废水的可行性分析李娜

学术论文Scientific&TechnicalPaper52军民两用技术与产品201191概述人类载人航天的目标不只是近地轨道上的短期飞行，还包括建立月球基地、火星基地和探索更加遥远的深空等。如果宇航员的氧气、水和食物等生活必需品完全依靠地球补给，不仅耗资巨大，而且在技术上也难以实现。因此，有必要在月球、火星基地建立生物再生式生命保障系统（BLSS）。BLSS是利用绿色植物、微生物等生物来生产食物、处理废物，同时使空气和水再生，可为宇航员生命活动提供必需物质的独立、完整、复杂的系统。可见，在BLSS中需要对废水进行处理，进而实现水的再生与闭路循环。厌氧-缺氧-好氧法脱氮除磷工艺（A2/O工艺）在去除废水中的化学需氧量（COD）的同时，可同步脱氮除磷，且总水力停留时间短于其它同类工艺，是高效、低能耗、运行稳定、出水水质好的成熟工艺。用A2/O工艺处理空间基地废水，将为实现空间基地中水的再生利用奠定基础。但是，A2/O工艺存在一些固有缺陷，即硝化菌、反硝化菌和聚磷菌在有机负荷、泥龄及碳源需求上存在着矛盾和竞争，很难在同一系统中同时、高效地去除氮和磷。为解决A2/O工艺碳源不足及其引起的硝酸盐进入厌氧区干扰释磷的问题，研究人员进行了一些工艺改进，但这些工艺改进要么增加了占地面积、运行成本和操控难度，要么难于保持主要微生物在水处理系统中的优势地位。对于污水生物处理工艺，活性污泥的活性决定了污水的处理效果。研究发现，低强度超声波具有提高酶的活性、促进细胞生长与生物合成等作用，因此可用于强化A2/O工艺，获得更好的去除COD和脱氮除磷处理效果。这种方法不需要另设庞大复杂的水处理构筑物，所占用的体积空间较小，也不需要培养特殊的优势菌，为高效去除空间基地废水中的污染物开辟了新的途径。2A2/O工艺的研究进展A2/O工艺综合了传统活性污泥工艺、生物硝化及反硝化工艺和生物除磷工艺的作用。污水首先进入厌氧池与回流污泥混合，在兼性厌氧发酵细菌的作用下，部分易生物降解的大分子有机物被转化为小分子的挥发性脂肪酸，聚磷菌吸收这些小分子有机物合成聚-β-羟基丁酸盐（PHB）并储存在细胞内，同时将细胞内的聚磷水解成正磷酸盐，释放到水中，释放的能量可供专性好氧的聚磷菌在厌氧的压抑环境下维持生存，随后污水进入缺氧池，反硝化菌利用污水中的有机物和回流混合液中的硝酸盐进行反硝化，可同时去碳脱氮。当污水进入好氧池时，有机物浓度已经很低，聚磷菌分解体内的PHB以获得能量，供自身生长繁殖，同时吸收水中的溶解性磷，并以多聚磷酸盐的形式储存在体内，经过沉淀，将含磷高的污泥从水中分离出来，即可达到除磷的效果。由于该工艺将厌氧、缺氧和好氧三种不同的环境条件交替运行，并使不同种类的微生物菌群如聚磷菌、反硝化菌和硝化菌共存于同一污泥系统中。因此，必然存在细菌之间对不同泥龄和碳源的竞争。同时，回流污泥中携带的硝酸盐也抑制了厌氧条件下磷的释放。这些矛盾的存在，使该系统很难实现不同功能的三种菌的最佳生长条件，因此该工艺的脱氮除磷效率一般不高。为解决A2/O工艺碳源不足及其引起的硝酸盐进入厌氧区干扰释磷的问题，研究人员进行了三方面的工艺改进：（1）为解决硝酸盐干扰释磷问题，研究人员提出了UCT（UniversityofCapeTown，1983）工艺、VIP（VirginiaInitiativeProcess，1987）工艺和改良UCT工艺—MUCT工艺等工艺技术。其中，UCT工艺将A2/O中的污泥文章编号：1009-8119(2011)09-0052-03超声波强化A2/O/O工艺处理空间基地废水的可行性分析李娜1谢倍珍2刘红2(1.北京航空航天大学化学与环境学院环境科学与工程系，北京100191；2.北京航空航天大学生物与医学工程学院环境生物学与生命保障技术实验室，北京100191)摘要未来在月球、火星等空间永久基地上使用的生物再生式生命保障系统（BLSS）需要实现水的再生与闭路循环。A2/O工艺具有较好的去碳、脱氮、除磷效果，因而可应用于空间基地的废水处理中。但是，A2/O工艺的固有缺陷使其很难在同一系统中同时高效地去除氮和磷。通过对超声波强化污水生物去除有机物、生物脱氮除磷等方法的分析研究，探讨了将超声波强化A2/O工艺应用于处理空间基地废水的可行性。关键词BLSS，超声波，A2/O工艺，脱氮除磷，可行性分析DOI:10.19385/j.cnki.1009-8119.2011.09.003Scientific&TechnicalPaper学术论文5320119军民两用技术与产品回流由厌氧区改到缺氧区，使污泥经反硝化后再回流至厌氧区，减少了回流污泥中硝酸盐和溶解氧的含量；当UCT工艺作为阶段反应器在水力停留时间较短和低泥龄条件下运行时在美国被称为VIP工艺。改良UCT工艺—MUCT工艺设置有2个缺氧池，前一个接受二沉池回流污泥，后一个接受好氧区硝化混合液，使污泥的脱氮与混合液的脱氮完全分开，进一步减小硝酸盐进入厌氧区的可能。（2）针对碳源不足的问题，研究人员采取了补充碳源、改变进水方式等措施，为反硝化和除磷重新分配碳源，形成了一些新工艺，如JHB（Johannesburg）工艺、倒置A2/O工艺等。JHB工艺是在A2/O工艺的厌氧区污泥回流线路中增加一个缺氧池。这样，来自二沉池的污泥可利用进水中33%左右的有机物作为反硝化碳源去除硝态氮，以消除硝酸盐对厌氧池厌氧环境的不利影响。倒置A2/O工艺是把厌氧池和缺氧池交换位置。有专家认为，传统A2/O工艺厌氧、缺氧、好氧布置的合理性值得怀疑。在碳源分配上总是优先照顾释磷的需要，厌氧区在前，缺氧区置后。这种做法是以牺牲系统的反硝化速率为前提的。但释磷并不是脱氮除磷工艺的最终目的。由此，他们提出了这种新的碳源分配方式——倒置A2/O工艺。（3）随着反硝化除磷菌（DPB）的发现，研究人员开发出了以厌氧污泥中的PHB为反硝化碳源的工艺，如DEPHANOX工艺和反硝化及生物—化学沉淀除磷组合工艺（BCFS工艺）等。DEPHANOX工艺是满足DPB所需环境和基质的一种强化除磷工艺，其特点是在A2/O工艺的厌氧池与缺氧池之间增设中间沉淀池和固定膜反应池（一种好氧生物膜反应器）。污水进入厌氧池后，聚磷菌释磷，大部分有机底物被污泥生物降解；在中间沉淀池中的活性污泥与富含磷和氨的上清液分离；上清液在固定膜反应池中进行硝化。被沉淀的污泥则跨越固定膜反应池并与在其内生成的硝酸盐一起进入后续的缺氧池，同时进行反硝化和摄磷；然后，在曝气池吹脱氮气并使聚磷菌完全再生。BCFS工艺具有处理过程中氧气消耗量较少、剩余污泥量小等特点，并且利用DPB实现生物除磷，能使碳源得到有效利用。因此，该工艺在COD/（N+P）值相对较低的情况下仍能保持良好的运行状态，并使除磷的化学药剂量大大减少，同时，除磷器内可获得富含磷的污泥，使磷的循环利用成为可能。然而，对传统工艺流程及反应器进行改进的新工艺，如JHB工艺、DEPHANOX工艺等，需要另设庞大、复杂的水处理构筑物，所占用的体积空间大，而且增加了运行成本和操控难度，因此不适用于空间基地；基于新的微生物学和生物化学理论开发的新工艺，如BCFS工艺等，在微生物的筛选、培育，以及合理控制其在水处理系统中的优势地位等方面都较难实现。如果能够采取措施提高活性污泥中微生物的活性，就可以大大提高COD和氮磷的去除效率。这种方法不需要另设庞大复杂的水处理构筑物，节省了宝贵的空间资源，也不需要培养特殊的优势菌，为高效去除空间基地废水中的污染物另辟了蹊径。利用超声波强化A2/O工艺正是基于这样一种考虑而提出的。3超声波的研究进展超声波在媒质中传播时会产生一系列效应：力学效应如搅拌、分散、除气、成雾、凝聚、冲击破碎和疲劳损坏作用等；热学效应如声能被吸收而引起的整体加热，边界处的局部加热等；化学效应如促进氧化、还原，促进高分子物质的聚合和解聚作用等。所谓超声空化是指存在于液体中的微气核在超声场的作用下振动、生长、崩溃和闭合的动力学过程。该过程是集中声场能量并迅速释放的绝热过程。根据声压强的不同，空化作用可分为瞬态空化（声强10W/cm2）和稳态空化（声强10W/cm2）两种。超声波在水处理和生物工程中的应用就是利用了超声波的空化作用。研究表明，高强度超声波的空化作用在处理环境污染物，尤其是难降解有机污染物方面具有很强的优势；而低强度超声波可提高微生物的生物活性。3.1低强度超声波强化污水生物去除有机物过程随着超声波在生物技术领域中研究的不断深入和拓展，人们发现，低强度超声波可以有效促进传质，提高生物的活性，因此可将其直接作用于污水生物处理过程，通过提高反应器内微生物的活性来提高污水的生物处理效率。俄罗斯在利用低强度超声波强化污水生物处理方面的研究开展得较早。其研究人员通过在实验室中对蜂蜜加工污水处理厂的污泥进行超声波强化处理的试验研究发现，强度为3W/cm2～6W/cm2的超声波可使好氧活性污泥脱氢酶的活性提高71%，并且对于不同的声强存在最佳的作用时间，对于不同类型的微生物活性的强化效果有较大差别。俄罗斯研究人员通过实验室小试发现，将频率为25kHz、声能密度为0.3W/L的超声波直接作用于生物反应器可有效改善污泥颗粒的固液界面，促进氧气和营养物质的传递，增强污泥活性，提高反应效率。研究人员随后在中试研究中发现，存在一个非常窄的超声强度范围可显著增强生物活性，过高或过低的超声强度都会导致有机物降解速率的下降。对每一种生物处理过程都必须准确地选择最佳超声强度。通过实验得出：对好氧生物反应器，增强污泥活性的最佳声能密度为1.5W/L，而提高厌氧反硝化反应器效率的最佳声能密度为0.9W/L（频率均同小试，为25kHz）。北京航空航天大学对低强度超声波作用的最佳超声强度、辐照时间、辐照周期，以及每次超声辐射处理反应器中污泥的比例进行了优化选择。结果表明，当所用超声强度为0.3W/cm2时，每隔8h提取反应器中10%的活性污泥辐学术论文Scientific&TechnicalPaper54军民两用技术与产品20119照10min后再返回反应器，污泥活性可提高12%以上。在此基础上，还考察了低强度超声波对序批式活性污泥工艺（SBR）系统耐高浓度负荷和有毒物质冲击能力的强化效果。结果表明，设置超声波的SBR反应器可明显增强高负荷冲击下处理系统的稳定性，从而保证良好的出水水质。其中，对照反应器出水的COD为18mg/L～69mg/L，超声波强化反应器出水的COD为11mg/L～33mg/L，比对照出水降低了40%～53%。研究人员研究了低强度超声波对厌氧污泥活性和厌氧污水处理效率的影响，并以脱氢酶活性（DHA）和辅酶F420的含量作为厌氧污泥活性变化的指标，经单因素和多因素优选实验确定了超声波强化A2/O工艺的最佳超声强度是0.2W/cm2，最佳超声辐照时间为10min。在最佳超声强度和辐照时间作用下，污泥的生物活性显著提高，并且超声处理出水的COD比对照出水低30%。3.2低强度超声波强化污水生物脱氮除磷过程此外，研究人员发现，在强化生物除磷过程中，低强度超声波可提高生物除磷效率。在厌氧、好氧交替运行的过程中，用单因素实验和正交试验来研究超声强度和辐照时间的影响。结果显示，最佳超声强度是0.2W/cm2，最佳超声辐照时间为10min。在最佳超声强度和辐照时间作用下，以总磷和DHA作为检测指标，超声处理出水中总磷的浓度比对照出水低35%～50%。污泥活性在经超声波辐照后4h增至最高，16h后强化效果基本消失。经超声波辐照后，DHA增加超过了50%。低强度超声波对反硝化污泥活性的强化效果同样非常显著。研究发现，在超声强度0.2W/cm2和超声辐照时间10分钟的条件下，超声波对反硝化污泥活性的强化效果最佳。在最佳的超声强度和辐照时间作用下，反硝化速率在经超声波辐照后5h达到峰值（16%），16小时强化效果基本消失。而低强度超声波对硝化污泥活性的强化效果不明显。频率为35kHz，强度为0.1W/cm2～1.2W/cm2，辐照时间为5min～40min的超声波