低溫好氧顆粒污泥培養(yǎng)及其基質(zhì)降解動(dòng)力學(xué)

王 碩，時(shí)文歆，于水利，2，衣雪松

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，150090哈爾濱;2.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，200092上海)

與傳統(tǒng)的活性污泥法相比，好氧顆粒污泥技術(shù)具有無(wú)可比擬的巨大優(yōu)勢(shì)［1］，如較好的污泥沉降性能、較低的操作運(yùn)行費(fèi)用、較高的生物量和污水處理效能，目前已被應(yīng)用到高濃度有機(jī)廢水［2］、生活污水［3］、有毒有害廢水［4］和富含重金屬［5］的廢水處理中.絕大多數(shù)好氧顆粒污泥的培養(yǎng)是在常溫條件下進(jìn)行的，只有 Bao［3］和 Kreuk［6］等對(duì)低溫條件下培養(yǎng)的好氧顆粒污泥進(jìn)行研究，但效果較差，并且低溫條件下好氧顆粒污泥運(yùn)行工藝難以調(diào)控，嚴(yán)重制約了其發(fā)展.我國(guó)北方冬季寒冷漫長(zhǎng)，生活污水的溫度一般在10℃左右，因此，低溫條件下好氧顆粒污泥反應(yīng)器的啟動(dòng)與穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)低溫生活污水的處理至關(guān)重要.溫度對(duì)硝化作用影響巨大，低于5℃時(shí)硝化作用停止.Frijters等［7］發(fā)現(xiàn)，與活性污泥系統(tǒng)相比，溫度降低對(duì)生物膜系統(tǒng)影響較小，其脫氮效能降低約20%，除磷效能降低約10%［8］.

Liu等［9］假設(shè)了好氧顆粒污泥形成的步驟:微生物間的相互吸附作用;物理化學(xué)作用力對(duì)微生物的聚集;胞外聚合物對(duì)微生物吸附作用;水力剪切力的作用.但是低溫條件下，好氧顆粒污泥較難培養(yǎng)，其低溫形成機(jī)理還沒(méi)有被充分了解.同時(shí)，對(duì)于低溫好氧顆粒污泥的動(dòng)力學(xué)研究也較少［10］.動(dòng)力學(xué)可以定量描述微生物的生理活性，進(jìn)而用于優(yōu)化反應(yīng)系統(tǒng)的運(yùn)行條件［11］.因此，本文考察了低溫好氧顆粒污泥的形成過(guò)程及其對(duì)生活污水的處理效能，并對(duì)好氧顆粒污泥的基質(zhì)降解動(dòng)力學(xué)進(jìn)行探討.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 運(yùn)行工況

采用序批氣提式污泥反應(yīng)器(sequencing batch airlift reactor，SBAR)培養(yǎng)低溫好氧顆粒污泥，反應(yīng)器有效容積6.0L，排水比50%，控制曝氣量為0.15m3/h.反應(yīng)進(jìn)水、曝氣、排水均由微電腦時(shí)控開(kāi)關(guān)控制.運(yùn)行周期為6h，其中包括閑置期30min、靜態(tài)進(jìn)水期30min、沉淀期5min、排水期5min，剩余為曝氣時(shí)間290min.采用循環(huán)冷水保持反應(yīng)器的低溫環(huán)境，溫度為10℃.

1.2 試驗(yàn)廢水和種泥

試驗(yàn)用水采用人工模擬生活污水，水質(zhì)主要成分如下(mg/L):乙酸鈉625，NH4Cl400，KH2PO430，K2HPO460，MgSO440，CaCl280，EDTA40，NaHCO3100，對(duì)應(yīng)COD、NH4+－N、TP質(zhì)量濃度分別為1000、60、15mg/L.另外添加微量元素液1mL/L［8］，其成分如下(g/L):FeCl3·6H2O1.5，H3BO30.15，CuSO4·5H2O0.03，KI0.03，MnCl2·4H2O0.12，Na2MoO4·2H2O0.06，ZnSO4·7H2O0.12，CoCl2·6H2O0.15.試驗(yàn)接種污泥取自哈爾濱某污水處理廠曝氣池最末端一格的絮狀污泥，該廠采取A/O工藝，初始接種污泥質(zhì)量濃度2.0g/L.

1.3 分析方法

COD、NO2－-N、NO3－-N、NH4+-N、PO43－-P和MLSS通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測(cè)定［12］.污泥體積指數(shù)(SVI)采取文獻(xiàn)［3］的方法進(jìn)行測(cè)定.顆粒污泥形態(tài)通過(guò)掃描電子顯微鏡(Scanning Electronic Microscope，SEM，S-4300N，Japan)進(jìn)行觀察.EPS采用文獻(xiàn)［13］的方法進(jìn)行提取并測(cè)定.

1.4 好氧顆粒污泥吸附特性試驗(yàn)

低溫好氧顆粒污泥對(duì)有機(jī)物吸附試驗(yàn)［14-15］中，采用培養(yǎng)成熟的好氧顆粒污泥50 mL，分別加入裝有150 mL上述人工模擬生活污水的錐形瓶中，保持其COD質(zhì)量濃度為600 mg/L，曝氣1 h后測(cè)量錐形瓶中出水COD，利用下式分別計(jì)算比污泥吸附量和污泥吸附率.

式中:Qt表示比污泥吸附量(mg/g);Q表示污泥吸附率(%);ρ(COD0)和ρ(CODt)分別表示0時(shí)刻和t時(shí)刻反應(yīng)系統(tǒng)COD，ρ(MLSS)表示靜態(tài)試驗(yàn)好氧顆粒污泥生物量.

1.5 好氧顆粒污泥基質(zhì)降解動(dòng)力學(xué)

低溫好氧顆粒污泥基質(zhì)降解動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)［10-11］中，采用培養(yǎng)成熟的好氧顆粒污泥50mL，分別加入裝有150mL生活污水的250mL錐形瓶中，保持其COD質(zhì)量濃度分別為1200、600、400、300、200mg/L，曝氣1h后測(cè)量錐形瓶中出水COD，利用所得數(shù)據(jù)計(jì)算基質(zhì)降解動(dòng)力學(xué)常數(shù)并得出相應(yīng)基質(zhì)降解動(dòng)力學(xué)方程.

2 結(jié)果與討論

2.1 好氧顆粒污泥的培養(yǎng)

將取自污水處理場(chǎng)活性污泥投入SBAR中，經(jīng)過(guò)9d培養(yǎng)，觀察到有微小的淺黃色顆粒出現(xiàn)，形狀不規(guī)則，一般呈橢球型.隨著SBAR進(jìn)一步運(yùn)行，一部分沉降性能較差的活性污泥被沖出反應(yīng)器，導(dǎo)致SBAR內(nèi)生物量下降，同時(shí)由于反應(yīng)過(guò)程中進(jìn)水水質(zhì)穩(wěn)定，沒(méi)有出現(xiàn)絲狀菌大量生長(zhǎng)而引起污泥膨脹的現(xiàn)象，這與Bao［3］與Liu等［16］的研究結(jié)果不同，說(shuō)明低溫條件可以降低絲狀菌生長(zhǎng)速率和代謝活性而抑制絲狀菌的生長(zhǎng).經(jīng)過(guò)25d的培養(yǎng)，結(jié)構(gòu)緊密、外表光滑的好氧顆粒污泥已經(jīng)成為污泥主體，其剖面SEM如圖1(a)所示.好氧顆粒污泥結(jié)構(gòu)緊密，其內(nèi)部存在較多孔道用于傳質(zhì)傳氧(圖1(b)).在SBAR啟動(dòng)過(guò)程中，污泥SVI從86.4降為43.9mL/g，MLSS質(zhì)量濃度由1.8升高到4.7g/L(圖2)，說(shuō)明培養(yǎng)成熟的好氧顆粒污泥具有較好的沉降性能和較高的生物量.

圖1 好氧顆粒污泥SEM和HE染色圖片

圖2 低溫好氧顆粒污泥SVI和MLSS變化

2.2 胞外聚合物(EPS)

微生物在生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)分泌稱作胞外聚合物(EPS)的黏性物質(zhì)，其主要成分包括多糖類、蛋白質(zhì)類、腐殖酸類、DNA類等［13］，其中以多糖類和蛋白質(zhì)類占較大比重，這些黏性物質(zhì)可以黏附其周圍的微生物而促進(jìn)微生物聚集，有利于污泥的顆?；M(jìn)程.由圖3可知，在活性污泥的顆?；M(jìn)程中，EPS中蛋白質(zhì)類質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著增加，單位MLSS由3.86提高到10.61mg/g，而多糖類物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)則呈現(xiàn)小幅度升高態(tài)勢(shì)，單位MLSS由5.29升高到8.60mg/g，蛋白質(zhì)類與多糖類的比值m(PN)/m(PS))從初始階段的0.74升高到1.57.以上結(jié)果說(shuō)明EPS中蛋白質(zhì)類質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加是污泥顆粒化的重要因素，較高質(zhì)量濃度的蛋白質(zhì)類起到微生物間的架橋作用，這與Mc-Swain［17］和Adav［13］等的研究結(jié)果一致，但是Tay等［18］認(rèn)為多糖類物質(zhì)才是污泥顆?；闹匾蛩?，因此，關(guān)于EPS的何種成分是好氧顆粒污泥形成的關(guān)鍵因素仍是現(xiàn)今相關(guān)領(lǐng)域的研究重點(diǎn).與Liu等［9］的試驗(yàn)結(jié)果相比，本研究中多糖類和蛋白質(zhì)類的質(zhì)量濃度都相對(duì)較低，這可能是因?yàn)榈蜏貤l件下微生物的代謝活性相對(duì)較低，其分泌的胞外聚合物質(zhì)量濃度也較低.

圖3 低溫好氧顆粒污泥EPS內(nèi)多糖類和蛋白質(zhì)類質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化

2.3 污染物去除

SBAR運(yùn)行初始階段，活性污泥對(duì)COD、NH4+-N和PO43－-P的去除效果都較差，這是因?yàn)榈蜏貤l件下活性污泥內(nèi)微生物的代謝能力較差.隨著SBAR的運(yùn)行，活性污泥對(duì)COD、NH4+-N和PO43－-P的去除效果逐漸提高.到好氧顆粒污泥培養(yǎng)成熟、SBAR穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，出水COD、NH4+-N和PO43－-P一般保持在86.8、5.2和2.0mg/L(圖4)，COD、NH4+-N和PO43－-P去除率分別達(dá)84.5%，91.1%和94.1%.同步硝化反硝化率為83.2%，同時(shí)硝化反硝化速率達(dá)0.47mmol/(L·h).這一結(jié)果與Bao［3］和Kreuk等［6］的結(jié)果較為相近，說(shuō)明與常溫條件下培養(yǎng)的好氧顆粒污泥或普通活性污泥工藝相比，低溫條件下培養(yǎng)成熟的好氧顆粒污泥對(duì)COD、NH4+-N和PO43－-P仍可以保持較高的去除率，這是因?yàn)榈蜏睾醚躅w粒污泥內(nèi)部存在溫度梯度和溶解氧質(zhì)量濃度梯度等，生活在其內(nèi)部微環(huán)境下的微生物因?yàn)榫哂羞m宜的生長(zhǎng)條件而對(duì)污染物質(zhì)有較高的代謝能力.

2.4 吸附性能

由圖5可知，在好氧顆粒污泥吸附有機(jī)物的初始階段，吸附能力較差，這主要是因?yàn)楹醚躅w粒污泥結(jié)構(gòu)緊密，有機(jī)物在好氧顆粒污泥內(nèi)部傳質(zhì)速率較低，但是隨著吸附時(shí)間延長(zhǎng)，好氧顆粒污泥比污泥吸附量在第30分鐘達(dá)70.0mg/g，此后其比污泥吸附量逐漸趨于穩(wěn)定;污泥吸附率的變化和比污泥吸附量的變化一致，在第30分鐘達(dá)55.0%.由于好氧顆粒污泥EPS質(zhì)量濃度較高(圖3)，同時(shí)具有較多的傳質(zhì)通道(圖1(b))和較大的比表面積［19］，對(duì)水中污染物具有較高的吸附性能.好氧顆粒污泥對(duì)有機(jī)物的吸附是一個(gè)快速過(guò)程，僅30min就可以達(dá)到吸附平衡，這是因?yàn)樵囼?yàn)采用配水模擬實(shí)際生活污水，有機(jī)物主要以膠體性和溶解性形式存在，好氧顆粒污泥對(duì)有機(jī)物的吸附效果明顯，對(duì)有機(jī)物具有較高的吸附效能.

圖4 完整周期內(nèi)低溫好氧顆粒污泥對(duì)污染物的去除

圖5 低溫好氧顆粒污泥對(duì)有機(jī)物的吸附

2.5 基質(zhì)降解動(dòng)力學(xué)

通過(guò)對(duì)低溫好氧顆粒污泥基質(zhì)降解動(dòng)力學(xué)的研究可以定量描述反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)微生物的生理活性［10-11］.通過(guò)對(duì)不同COD質(zhì)量濃度下低溫好氧顆粒污泥對(duì)COD的降解，計(jì)算出1/V和1/S并作直線，將直線擬合后得k=5.49d-1和Ks=4760mg/L，由此得到低溫好氧顆粒污泥基質(zhì)降解動(dòng)力學(xué)方程(圖6):V=S/(0.8665+0.182S).好氧顆粒污泥的最大表觀降解速率k值明顯高于Unal［20］和Guiot［21］等的試驗(yàn)結(jié)果，也明顯高于李善評(píng)［10］和王志平［11］等的試驗(yàn)結(jié)果.這可能是由于與厭氧顆粒污泥相比，好氧顆粒污泥活性更高;好氧顆粒污泥內(nèi)部的微環(huán)境為微生物提供了良好的生長(zhǎng)代謝環(huán)境，其所形成的代謝互補(bǔ)關(guān)系可以加快有機(jī)物的生物降解;此外，好氧顆粒污泥為了補(bǔ)償?shù)蜏貤l件對(duì)其生長(zhǎng)代謝的抑制，會(huì)產(chǎn)生冷活性酶、冷激蛋白［22－23］等，這些物質(zhì)也會(huì)加速其對(duì)底物的利用.另外，本實(shí)驗(yàn)獲得的表觀半速率常數(shù)Ks也高于厭氧顆粒污泥和常溫好氧顆粒污泥，這可能是由于組成好氧顆粒污泥的微生物具有較高的疏水性［24］，導(dǎo)致好氧顆粒污泥對(duì)有機(jī)物的親合力較高［11］，說(shuō)明好氧顆粒污泥系統(tǒng)的基質(zhì)降解速率主要受液相和顆粒之間的傳質(zhì)效能影響.

圖6 低溫好氧顆粒污泥基質(zhì)降解動(dòng)力學(xué)

3 結(jié)論

1)低溫條件下，經(jīng)過(guò)25d即培養(yǎng)成熟的好氧顆粒污泥具有良好的沉降性能和較高的生物量，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)碳氮磷高效同步去除，COD、NH+-4N、PO43－-P去除率分別達(dá)到84.5%、91.1%和94.1%.

2)EPS中蛋白質(zhì)類質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高是污泥顆?；闹匾蛩?，其單位MLSS質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)10.61mg/g，而EPS中糖類物質(zhì)質(zhì)量濃度變化不大，較高質(zhì)量濃度的蛋白質(zhì)類起到微生物間的架橋作用.

3)好氧顆粒污泥較高的EPS質(zhì)量濃度、較多的傳質(zhì)通道和較大的比表面積，使其對(duì)水中污染物具有較高的吸附性能.好氧顆粒污泥對(duì)有機(jī)物的吸附是一個(gè)快速過(guò)程，僅30min就可以達(dá)到吸附平衡，吸附平衡時(shí)比污泥吸附量70.0mg/g，最大污泥吸附率為55.0%.

4)基質(zhì)降解動(dòng)力學(xué)的研究表明，相應(yīng)的最大表觀降解速率k和表觀半速率常數(shù)Ks分別為5.49d-1和4760mg/L，表明顆粒污泥系統(tǒng)具有抗沖擊性強(qiáng)、處理效率高等優(yōu)點(diǎn).好氧顆粒污泥的微生物具有較高的疏水性，導(dǎo)致好氧顆粒污泥對(duì)有機(jī)物的親合力較高，說(shuō)明好氧顆粒污泥系統(tǒng)的基質(zhì)降解速率主要受液相和顆粒之間的傳質(zhì)效能影響.

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