污泥負(fù)荷對好氧顆粒污泥運行穩(wěn)定性的影響

宋志偉， 程曉霞， 寧婷婷， 張 悅

(黑龍江科技學(xué)院 資源與環(huán)境工程學(xué)院，哈爾濱 150027)

污泥負(fù)荷對好氧顆粒污泥運行穩(wěn)定性的影響

宋志偉， 程曉霞， 寧婷婷， 張 悅

(黑龍江科技學(xué)院 資源與環(huán)境工程學(xué)院，哈爾濱 150027)

為實現(xiàn)好氧顆粒污泥的工業(yè)化應(yīng)用，以絮狀活性污泥為接種污泥，在氣升式間歇反應(yīng)器(SBAR)中培養(yǎng)好氧顆粒污泥，探討在顆粒污泥成熟后，不同的污泥負(fù)荷對好氧顆粒污泥運行穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明:污泥負(fù)荷過高或過低都會對好氧顆粒污泥的穩(wěn)定性有所影響。在SBAR中，污泥負(fù)荷為1 kg/(kg·d)時，好氧顆粒污泥的沉降性能和降解效果均好于污泥負(fù)荷為0.6和1.4 kg/(kg·d)時，其SVI平均為28.04 mL/g，COD、氨氮的去除率分別為91.37%和86.04%。當(dāng)反應(yīng)器運行77 d時粒徑大于0.6 mm的顆粒仍占6.13%。

SBAR;好氧顆粒污泥;污泥負(fù)荷;穩(wěn)定性

0 引言

好氧顆粒污泥實際上是一種特殊形式的生物膜。與生物膜不同的是，好氧顆粒污泥在形成過程中無須添加載體，完全是一種自凝聚現(xiàn)象，它相對于普通活性污泥，具有良好的沉降性能、較高的處理負(fù)荷、高生物濃度、結(jié)構(gòu)致密等獨特優(yōu)點，越來越受到研究者的青睞［1］。

近幾年來，研究者從好氧顆粒污泥的培養(yǎng)條件、形成機(jī)理、結(jié)構(gòu)特性及降解功能等方面進(jìn)行研究，對其穩(wěn)定性探討的文獻(xiàn)較少。好氧顆粒污泥廢水生物處理技術(shù)是未來研究開發(fā)的一項重點，有研究表明，好氧顆粒污泥在未來很大程度上會取代傳統(tǒng)絮狀活性污泥，成為污水生物處理的主流［2－3］。為此，明確好氧顆粒污泥穩(wěn)定性的影響因素，將會對好氧顆粒污泥在污水處理中的應(yīng)用有很大的幫助。筆者考察了不同的污泥負(fù)荷對好氧顆粒污泥穩(wěn)定性的影響，以期為好氧顆粒污泥的工業(yè)化提供理論參考。

1 實驗裝置及方法

1.1 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示。采用自制的氣升式內(nèi)循環(huán)序批反應(yīng)器(sequencing batch airlift reactor，SBAR)培養(yǎng)好氧顆粒污泥。

圖1 SBAR實驗裝置Fig.1 SBAR installation

1.2 進(jìn)水水質(zhì)

進(jìn)水采用人工配水，組成成分為:葡萄糖1 500 mg/L、牛肉膏75 mg/L、蛋白胨112.5 mg/L、氯化銨300 mg/L、硫酸亞鐵30 mg/L、無水氯化銨150 mg/L、磷酸氫二鉀52.5 mg/L、硫酸鎂22.5 mg/L、微量元素1 mL/L，實驗所用藥品均為分析純。

1.3 接種污泥

接種污泥采用哈爾濱利林污水處理廠二沉池的污泥，接種污泥呈絮狀黑褐色，污泥特性見表1。

表1 接種污泥性能Table 1 Characteristics of seeding inoculum

1.4 運行方式

實驗前期采用最佳的實驗條件進(jìn)行顆粒污泥的培養(yǎng)。最佳操作條件［4－5］為:表面氣流速度3.2 cm/s、曝氣量0.32 m3/h、循環(huán)周期6 h、有機(jī)負(fù)荷3.0 kg/(m3·d)、溫度30℃、pH 7.8。該階段約進(jìn)行30 d，好氧顆粒污泥已成熟，然后改變運行條件，見表2，再持續(xù)運行50 d。運行周期為6 h，其中進(jìn)水5 min，曝氣330～345 min，沉降5～15 min，排水5～10 min。

表2 運行條件Table 2 Operation conditions

1.5 分析方法

COD、NH3－N、TP，SV、SVI、MLSS采用標(biāo)準(zhǔn)方法［6］;沉降速度測定方法參照文獻(xiàn)［7］，粒徑分布采用標(biāo)準(zhǔn)篩分法［8］，Zeta電位用微電泳儀(China，JS94J3)進(jìn)行測定;顆粒污泥的形態(tài)采用電子顯微鏡(Leica DM1000)觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 好氧顆粒污泥的物理性能

2.1.1 形態(tài)變化

用電子顯微鏡對污泥的形態(tài)進(jìn)行定期觀察，圖2a～c分別是R1、R2、R3反應(yīng)器運行49 d時顆粒污泥的形態(tài)(40倍)，圖2d～f分別是R1～R3運行77 d的形態(tài)(40倍)。

圖2可見，反應(yīng)器運行49 d時R1中顆粒的表面出現(xiàn)絨狀的絲狀菌，SVI為30.69 mL/g，沉降速度為32.64 m/h。分析認(rèn)為，由于污泥負(fù)荷較低，顆粒污泥不能充分得到營養(yǎng)物質(zhì)，而絲狀菌卻可以從顆粒表面伸出到水中吸收營養(yǎng)成分來供自己生長繁殖。王芳等［9］也有研究表明，在污泥負(fù)荷率下降至0.4 kg/(kg·d)以下時，顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，顆粒污泥表面絲狀真菌生長迅猛，污泥狀態(tài)惡化。R2、R3中的顆粒表面都比較光滑，R2中 SVI已降到了20.34 mL/g，沉降速度也達(dá)到38.45 m/h。當(dāng)運行到77 d時，R1中的污泥大部分已成絮狀，SVI迅速上升到70.69 mL/g，沉降速度下降到15.62 m/h，R3中情況與R1相似，SVI為72.95 mL/g，沉降速度下降到15.24 m/h。而R2中SVI為61.16 mL/g，沉降速度較高為23.11 m/h。由此可見，R2污泥狀態(tài)較好，運行較R1、R3穩(wěn)定。

圖2 好氧顆粒污泥的形態(tài)變化Fig.2 Variation of morphology of aerobic granular sludges

2.1.2 沉降性能

SVI的變化反應(yīng)了好氧顆粒污泥的沉降性能，反應(yīng)器運行過程中其變化如圖3所示。

圖3 反應(yīng)器運行階段好氧顆粒污泥SVI的變化Fig.3 Variation of SVI in SBAR during operation period

從圖3可以看出在28 d時，SVI均在40 mL/g以下，此時污泥已基本顆?；?，顆粒污泥有很好的沉降性能，而普通活性污泥的SVI一般在100～150 mL/g。改變運行條件以后，SVI值有稍微的上升，這是因為好氧顆粒污泥要有一定的適應(yīng)時間。隨后開始下降，且三個反應(yīng)器在40～68 d都穩(wěn)定在40 mL/g以下，沉降性能良好，從72 d時都開始上升，到80 d時R2的SVI值最小，為61.62 mL/g，相對于R1、R3沉降性較好。但三個反應(yīng)器變化的總體趨勢很相似，這說明污泥負(fù)荷對顆粒污泥的沉降性影響較小。

2.1.3 粒徑分布

好氧顆粒污泥的粒徑較大，但在不同條件下形成的顆粒污泥區(qū)別很大。在厭氧－好氧交替工藝中，粒徑在0.5 mm以上的顆粒占全部污泥微粒的20%［10］，而在循環(huán)間歇反應(yīng)器(sequencing batch reactor，SBR)中，顆粒直徑多在1.9～4.6 mm，穩(wěn)定狀態(tài)下形成的顆粒光滑、致密，顆粒直徑為4.6 mm［11］。宋志偉等在氣升式間歇反應(yīng)器中進(jìn)行好氧顆粒污泥的培養(yǎng)，在第7周時顆粒污泥的粒徑主要分布在0.2～1.0 mm;運行9周，最大的污泥顆粒已經(jīng)達(dá)到了25 mm［12］。

實驗過程中，每7 d測一次粒徑組成，圖4a、b分別顯示了反應(yīng)器在運行49 d和77 d時的粒徑組成情況。圖4a中可以看出R2、R3中的d＞0.6 mm的顆粒均比R1中所占的比例大。R2中d＞0.6 mm的顆粒占41.56%，R3中d＞0.6 mm的顆粒占41.29%，而R1的僅占13.70%。這表明在較高污泥負(fù)荷下顆粒粒徑增長較快，且大粒徑顆粒所占比例大。當(dāng)運行到77 d時，如圖4b，三個反應(yīng)器中的顆粒都大部分集中在d≤0.2 mm的范圍內(nèi)，R3中d＞0.2 mm的顆粒占的比例最大為32.18%。而d＞0.6 mm的顆粒R2中所占比例最大為6.13%。由此可知，低污泥負(fù)荷下好氧顆粒污泥穩(wěn)定性很差。經(jīng)分析，是由于污泥負(fù)荷過低，顆粒得不到充分的營養(yǎng)物質(zhì)而導(dǎo)致其解體，使系統(tǒng)不能穩(wěn)定地運行。

圖4 好氧顆粒污泥的粒徑分布Fig.4 Size distribution of aerobic granular sludge in reactors

2.2 好氧顆粒污泥的生物活性

2.2.1 微生物代謝活性

耗氧速率(oxygen uptake rate，OUR)是評價污泥微生物代謝活性的一個重要指標(biāo)，反映了微生物新陳代謝過程的快慢，即微生物活性的大小、微生物對有機(jī)物的降解能力。單位重量的污泥在單位時間內(nèi)吸收氧氣的量定義為比耗氧速率OURw，普通活性污泥絮體的OURw值約0.8 mg/(g·min)［13］。圖5表示了反應(yīng)器在整個實驗過程中OURw的變化。

圖5 好氧顆粒污泥OURw的變化Fig.5 Variation of OURw of aerobic granular sludge in reactors

由圖5可知，隨著實驗的進(jìn)行，三個反應(yīng)器中的OURw都達(dá)到了4 mg/(g·min)以上，R2在49 d的時候達(dá)到了最大，為5.022 mg/(g·min)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通的活性污泥。這也正體現(xiàn)了圖7a所顯示的好氧顆粒污泥對COD的去除率要遠(yuǎn)高于絮狀污泥。R1從56 d開始迅速下降，最小為1.011 mg/(g·min)。R2、R3也有所下降，但均高于R1，這說明污泥負(fù)荷過低不能使微生物長時間維持足夠的活性。

2.2.2 疏水性能

Zeta電位反應(yīng)了顆粒污泥的疏水性，電位越高疏水性越強(qiáng)，越利于絮狀污泥的團(tuán)聚，從而形成顆粒污泥。實驗過程中，Zeta電位ξ每7 d測定一次，其變化趨勢如圖6所示。

從圖6中可以看出，開始時污泥的Zeta電位在－20 mV左右，隨著實驗的進(jìn)行，Zeta電位逐漸升高，在28 d時，R2、R3均上升到了－6 mV左右，R1在－10.221 mV。此時R2、R3中已基本顆粒化，R1中顆?；潭壬缘停梢钥闯龊醚躅w粒污泥的Zeta電位遠(yuǎn)比絮狀污泥的高。有研究顯示，顆粒形成過程中微生物細(xì)胞表面的疏水性發(fā)生了很大的變化，這表明顆粒污泥的形成與細(xì)胞表面疏水性的增加有密切聯(lián)系［14］。在35～56 d，R2均維持在－5 mV左右，隨后開始有所下降，到80 d時下降到－11.804 mV。而R1、R3整個過程中波動都較大，R1最后下降到了－17.603 mV。Zeta電位的大小直接體現(xiàn)了污泥的疏水性強(qiáng)弱，而疏水性的變化與細(xì)胞分泌的胞外多聚物(ECP)有很大關(guān)系。蔡春光等研究表明，ECP中各種化學(xué)官能團(tuán)直接影響污泥的表面電荷和疏水性，其中蛋白質(zhì)與總糖的比值與污泥的表面負(fù)電荷成負(fù)相關(guān)，與污泥的疏水性成正相關(guān)。蛋白質(zhì)與總糖的比例高有利于顆粒污泥的形成和穩(wěn)定［14］。由圖6顯示的結(jié)果可知，改變運行條件后，R2中Zeta電位均高于R1、R3，這說明R2中細(xì)菌的凝聚性好，可以使好氧顆粒污泥保持較好的穩(wěn)定性。

圖6 Zeta電位的變化Fig.6 Variation of Zeta potential

2.3 好氧顆粒污泥的降解性能

好氧顆粒污泥廢水中COD的降解能力測定結(jié)果如圖7所示。實驗約30 d時污泥已達(dá)顆?；?，此時改變運行條件(如表2)，整個過程中的COD去除率η如圖7a。從圖中可以看出，在16～68 d，R2對COD的去除率比較穩(wěn)定，R1和R3均有一定程度的波動，但68 d以后三個反應(yīng)器都開始下降，這說明好氧顆粒污泥在16～68 d有較好的穩(wěn)定性，且R2對COD的去除效果最好也最為穩(wěn)定。

圖7b反應(yīng)了實驗整個過程中氨氮的去除效果。實驗開始氨氮的去除率都在55%以下，當(dāng)28 d時去除率都達(dá)到了90%左右，可見好氧顆粒污泥對氨氮的去除效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于普通的活性污泥。這是由于好氧顆粒污泥存在氧梯度變化，氧的傳輸與分布對好氧顆粒污泥脫氮能力的影響可以用微環(huán)境理論加以解釋。DO濃度和擴(kuò)散阻力共同決定著氧在顆粒中的滲透深度，從而在顆粒中產(chǎn)生DO梯度，顆粒外表面DO較高，硝化菌集中分布于此，顆粒內(nèi)部由于氧傳遞受阻和在透過外層時的大量消耗，產(chǎn)生缺氧環(huán)境，反硝化菌占優(yōu)勢［15］。好氧顆粒污泥能實現(xiàn)同步硝化反硝化，因此對氨氮的去除率較高。從圖7b中可以看出，R2運行到68 d，去除率都維持在80%以上，高于R1和R3，可以看出R2的穩(wěn)定性最好。經(jīng)分析，是由于R2中大于0.6 mm的顆粒比R1、R3中所占比例大，這部分顆粒的粒徑可能會提供一個較為理想的好氧－缺氧環(huán)境，更好地實現(xiàn)氨氮的同步硝化反硝化。

圖7 SBAR中COD、氨氮的去除效果Fig.7 Removal efficiency of COD in SBAR

3 結(jié)論

(1)在有機(jī)負(fù)荷與曝氣量相同情況下，對R1、R2、R3反應(yīng)器污泥負(fù)荷分別為0.6、1.0、1.4 kg/(kg·d)進(jìn)行對比實驗，實驗結(jié)果R2反應(yīng)器好氧顆粒污泥穩(wěn)定性較好。

(2)R2反應(yīng)器運行到72 d時SVI為61.96 mL/g，COD、氨氮去除率仍能達(dá)到87.38%和66.96%，優(yōu)于R1和R3反應(yīng)器，說明污泥負(fù)荷過大或過小都不利于好氧顆粒污泥的穩(wěn)定運行。

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Effect of sludge loading on operation stability of aerobic granular sludge

SONG Zhiwei， CHENG Xiaoxia， NING Tingting， ZHANG Yue
(College of Resources＆Environmental Engineering，Heilongjiang Institute of Science＆Technology，Harbin 150027，China)

Aimed at the realization of the industrial application of aerobic granular sludge，this paper describes the cultivation of aerobic granular sludge in sequencing batch airlift reactor(SBAR)，using conventional flocculent activated sludge as seeding sludge in synthetic domestic wastewater and presents a study of effect of sludge loading on the stability of aerobic granular sludge after the maturity of aerobic granular sludge.Aerobic granular sludge exhibits better settling properties and degradation effects in the presence of sludge loading of 1.0 kg/(kg·d)in SBAR than in the presence of sludge loading of 0.6 and 1.4 kg/(kg·d)，with the consequent SVI of 28.04 mL/g，and removal efficiency of COD，NH3－N of 91.37%、86.04%respectively.With the reactor operation of 77 d，the particles greater than 0.6 mm still accounts for 6.13%.

SBAR;aerobic granular sludge;sludge loading;stability

X703.1

A

1671－0118(2012)02－0111－05

2012－01－13

黑龍江省教育廳骨干教師支持計劃項目(1155G4P)

宋志偉(1968－)，女，黑龍江省訥河人，教授，博士，研究方向:污水治理技術(shù)及工藝，E-mail:szwcyp@tom.com。

(編輯徐 巖)