腐殖活性污泥生化特征及處理效能

吳 磊，尹 軍，韓相奎，劉志生，馬 臻

腐殖活性污泥生化特征及處理效能

吳 磊1.2，尹 軍1.2，韓相奎2，劉志生3，馬 臻4

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，150090哈爾濱；2.吉林建筑大學(xué)松遼流域水環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，130018長春；3.長春市城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，130021長春；4.吉林省固體廢物管理中心，130000長春）

為探討腐殖活性污泥的生物化學(xué)特征及其作用機(jī)理，對腐殖生物填料進(jìn)行掃描電鏡和能譜（SEM-EDAX）測定，表明填料中主要組成元素為C、O、Si，同時(shí)含有少量Al、S、Fe.腐殖活性污泥與普通活性污泥中若干特征菌群的對比分析表明，腐殖活性污泥中的一般細(xì)菌總量、硝酸菌、亞硝酸菌、脫氮菌及放線菌含量明顯高于普通活性污泥；腐殖活性污泥中有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比普通活性污泥低，但腐殖酸及富里酸和胡敏酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于普通活性污泥；腐殖活性污泥法運(yùn)行的SBR反應(yīng)器對CODCr、TP和TN的去除效果優(yōu)于普通SBR反應(yīng)器，分別高出4%、14%和10%.

腐殖活性污泥；菌群數(shù)量；污泥有機(jī)質(zhì)；腐殖酸

腐殖活性污泥法是通過在活性污泥處理工藝污泥回流段中增設(shè)腐殖活性污泥培養(yǎng)池，利用池中添加的腐殖生物填料釋放的腐殖質(zhì)類物質(zhì)，使活性污泥處理工藝中的微生物富集并改變菌群結(jié)構(gòu)，進(jìn)而強(qiáng)化污水處理效能的一種方法［1］.該方法具有良好的除臭、抑臭效果，可改善污泥性能，降低污泥產(chǎn)率，提高污水處理系統(tǒng)的脫氮除磷性能，已在日本和韓國廣泛應(yīng)用于污水處理及糞便處理中［2-3］，國內(nèi)也有多個(gè)城市引進(jìn)該技術(shù)進(jìn)行污水處理.

目前，國內(nèi)外對腐殖活性污泥法的研究多集中于處理效能方面［4-6］，對腐殖活性污泥的生物化學(xué)特征及其作用機(jī)理的研究少見報(bào)道.本文在對腐殖生物填料的物化特性及元素組成進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，通過腐殖活性污泥與普通活性污泥中若干特征菌群數(shù)量的對比，考察了腐殖活性污泥微生物的菌群特征，分析了腐殖活性污泥中有機(jī)質(zhì)成分構(gòu)成特點(diǎn)，并在相同工況條件比較了按腐殖活性污泥法運(yùn)行的SBR反應(yīng)器與普通SBR反應(yīng)器的去污效能.

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)裝置及運(yùn)行條件

反應(yīng)器A與B（圖1，2）均由有機(jī)玻璃制成，高40 cm，直徑20 cm，有效容積為15 L.采用多孔石曝氣，曝氣量由轉(zhuǎn)子流量計(jì)調(diào)節(jié)，溫控儀調(diào)控水溫，瞬時(shí)進(jìn)水，反應(yīng)器處理能力為10 L／d.運(yùn)行周期為10 h，先進(jìn)行缺氧（厭氧）微曝氣運(yùn)行2 h，溶解氧保持在0.5 mg／L左右；曝氣運(yùn)行6 h，曝氣量維持在1 m3／h；靜沉2 h，排水.腐殖活性污泥培養(yǎng)池高20 cm，直徑10 cm，有效容積1.5 L.培養(yǎng)池中添加腐殖生物填料和輕石，培養(yǎng)池內(nèi)溶解氧控制在0.5 mg／L左右.每天取1 L A反應(yīng)器排水后的高質(zhì)量濃度活性污泥投入培養(yǎng)池，經(jīng)24 h培養(yǎng)，再將培養(yǎng)池內(nèi)污泥回流至A反應(yīng)器中.

圖1 腐殖活性污泥法運(yùn)行的SBR反應(yīng)器A

實(shí)驗(yàn)原水以長春市某污水處理廠進(jìn)廠生活污水作為碳源加適量的自來水稀釋配制而成，投加（NH4）2SO4和KH2PO4作為輔助氮源和磷源，投加NaHCO3調(diào)節(jié)pH，進(jìn)水CODCr質(zhì)量濃度維持在350 mg／L左右，總氮質(zhì)量濃度在27.5 mg／L左右，總磷質(zhì)量濃度在5.4 mg／L左右，維持系統(tǒng)內(nèi)MLSS在5 000 mg／L左右，水溫控制在（25±1）℃.

圖2 普通SBR反應(yīng)器B

1.2 檢測指標(biāo)

CODCr、TN、TP采用國家標(biāo)準(zhǔn)方法測定；腐殖生物填料的掃描電鏡和能譜儀（SEM-EDAX）測定采用荷蘭Philips公司XL-30TMP型測定儀.污泥中有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用重鉻酸鉀氧化法［7］.活性污泥中的一般細(xì)菌、放線菌、脫氮菌、硝化菌、亞硝化菌等菌群數(shù)量測定見文獻(xiàn)［8］.

2 結(jié)果與討論

2.1 腐殖生物填料SEM-EDAX分析

為了分析腐殖生物填料的物化特性及元素組成，對腐殖生物填料進(jìn)行了SEM-EDAX測定，結(jié)果見圖3.由圖3（a）可見，腐殖生物填料表面粗糙，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不規(guī)則，含有大量凹凸結(jié)構(gòu)，較緊密，比表面積大.局部放大后的SEM照片顯示（圖3（b）），腐殖生物填料內(nèi)部的凸凹結(jié)構(gòu)由大量動物骨骼殘骸和植物碎屑無序堆積而成，表明腐殖生物填料的腐殖質(zhì)成分主要由死亡的動植物經(jīng)過長期物理、化學(xué)及生物作用而形成的復(fù)雜有機(jī)物構(gòu)成.

腐殖生物填料EDAX能譜圖見圖4，元素組成及質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表1.可以看出，此種腐殖生物填料含有的主要元素為C、O、Al、Si、S、Fe.能譜圖中Fe元素兩次出現(xiàn)譜峰，分別為釋放的2次電子ka和kb躍遷產(chǎn)生的低能峰（0.8 keV）和高能峰（6.40 keV）.質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高的為O元素，達(dá)38.99%，原子數(shù)百分含量均值達(dá)45.56%；其次為Si元素，質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值為32.30%，原子數(shù)百分含量均值為21.31%；第三為C元素，質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值為17.40%，原子數(shù)百分含量均值為26.65%.O、Si、C 3種元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)88.69%，原子數(shù)百分含量達(dá)93.52%，說明腐殖生物填料的主要元素為O、Si、C.

圖3 腐殖生物填料SEM照片

圖4 腐殖生物填料組成元素能譜圖

表1 腐殖生物填料元素組成及質(zhì)量分?jǐn)?shù)%

2.2 腐殖活性污泥微生物的菌群對比

腐殖活性污泥法的主要特點(diǎn)是通過反應(yīng)器中的腐殖填料作用，使活性污泥處理工藝中的一些特征微生物富集，進(jìn)而強(qiáng)化污水處理的效能.為了考察腐殖活性污泥微生物菌群特點(diǎn)，對腐殖活性污泥與普通活性污泥中的若干特征菌群數(shù)量進(jìn)行對比，結(jié)果見表2.

表2 腐殖活性污泥與普通活性污泥中特征菌群數(shù)量對比g-1

由表2可知，按腐殖活性污泥法運(yùn)行的A反應(yīng)器中一般細(xì)菌（general bacteria）總量是普通SBR反應(yīng)器B的4倍多，其中硝酸菌（nitrifying bacteria）是B反應(yīng)器的60多倍，亞硝酸菌（nitrosobacteria）是其2倍多，脫氮菌（denitrifier）達(dá)43倍，放線菌（actinomycetes）為3倍多，表明腐殖活性污泥的特征菌群數(shù)量與普通活性污泥存在很大差別.其原因可能是腐殖生物填料與回流的活性污泥充分接觸后，填料中含有的腐殖酸類物質(zhì)吸附于活性污泥表面，融入到細(xì)胞胞外聚合物中，提高了污泥中菌膠團(tuán)的形成速度；同時(shí)，由于填料中所添加的輕石比表面積大、質(zhì)脆、含有大量硅酸鹽類物質(zhì)，輕石在活性污泥和氧的不斷攪拌摩擦下，沖刷下細(xì)小顆粒，使活性污泥中的菌膠團(tuán)富集在這些被沖刷下來的細(xì)小顆粒載體上.相比普通活性污泥，腐殖活性污泥系統(tǒng)相當(dāng)于在反應(yīng)器中添加了一種非固定式生物膜，微生物能夠更好地富集.有研究表明，腐殖酸類物質(zhì)通過影響微生物和藻類的生化機(jī)制，改變其細(xì)胞膜的功能，提高體內(nèi)酶的活性，使某些藻類如腰鞭毛藻葉綠素含量增加，并使微生物和低等植物的細(xì)胞數(shù)目與質(zhì)量增加，促進(jìn)它們的生長繁殖，還能誘導(dǎo)某些平面放線菌形成芽孢［9-11］.正是這些綜合作用結(jié)果，使得腐殖活性污泥中的各種特征菌群數(shù)量明顯高于普通活性污泥.

2.3 腐殖活性污泥中有機(jī)質(zhì)成分構(gòu)成特點(diǎn)

為了進(jìn)一步比較腐殖活性污泥與普通活性污泥中有機(jī)質(zhì)成分的構(gòu)成特點(diǎn)，在相同工況條件下，對穩(wěn)定運(yùn)行的腐殖活性污泥法SBR反應(yīng)器A與普通SBR反應(yīng)器B中的活性污泥有機(jī)質(zhì)成分進(jìn)行了分析，結(jié)果見圖5.

由圖5可知，A反應(yīng)器污泥有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為533.5 g／kg，B反應(yīng)器為654.3 g／kg，兩個(gè)反應(yīng)器相差120.8 g／kg，B反應(yīng)器污泥有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高出A反應(yīng)器18.5%；與此相反，A反應(yīng)器污泥中的腐殖酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為232.9 g／kg，B反應(yīng)器為152.7 g／kg，A反應(yīng)器污泥中的腐殖酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于B反應(yīng)器；A反應(yīng)器污泥中腐殖酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)占污泥有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的43.7%，B反應(yīng)器污泥中腐殖酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅占污泥有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的23.3%，A反應(yīng)器污泥中的腐殖酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)比B高20.4%，表明A反應(yīng)器中污泥的腐殖化程度要高于B反應(yīng)器.這是由于腐殖活性污泥法馴化培養(yǎng)出的微生物通過發(fā)酵、發(fā)霉反應(yīng)引起有機(jī)物的高分子凝集化，部分重組達(dá)到腐殖化所致［12］.另一方面從腐殖酸的成分看，A反應(yīng)器污泥中富里酸和胡敏酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為178.1，54.8 g／kg，B反應(yīng)器為108.3，44.4 g／kg，A反應(yīng)器污泥中富里酸和胡敏酸分別高出B反應(yīng)器69.8，14.4 g／kg.以上結(jié)果表明，在腐殖生物填料釋放的腐殖酸物質(zhì)的作用下，腐殖活性污泥中的腐殖酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于普通活性污泥，而且由于腐殖酸本身具有的低碳效應(yīng)又導(dǎo)致腐殖活性污泥有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于普通活性污泥［13］.

圖5 腐殖活性污泥中有機(jī)質(zhì)成分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)

2.4 腐殖活性污泥系統(tǒng)除污效果分析

為進(jìn)一步比較腐殖活性污泥法運(yùn)行的SBR與普通SBR反應(yīng)器的運(yùn)行效能，考察了相同工況下兩種反應(yīng)器對CODCr、TP、TN處理情況，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均為多組數(shù)據(jù)的平均值，結(jié)果見圖6～8.

由圖6可知，反應(yīng)器A與反應(yīng)器B對CODCr的降解率分別為85%、81%，兩種反應(yīng)器對CODCr的處理效能相差不多，但在反應(yīng)進(jìn)程中CODCr的去除特點(diǎn)不同.在缺氧段結(jié)束時(shí)，A反應(yīng)器內(nèi)CODCr已從進(jìn)水的347.23 mg／L降至79.82 mg／L，而B反應(yīng)器只降至130.24 mg／L，此階段A反應(yīng)器CODCr的去除效能高出B反應(yīng)器14.52%.其原因?yàn)?一是前已述及，腐殖活性污泥中一般細(xì)菌的總數(shù)是普通活性污泥的4倍多，菌群數(shù)量高于普通活性污泥，可提高污水處理效能；二是腐殖活性污泥中富含的腐殖酸類物質(zhì)通過疏水作用、配位交換和氫鍵作用吸附有機(jī)物質(zhì)，強(qiáng)化了污泥對有機(jī)物的去除［14-15］.

由圖7可知，A反應(yīng)器對總磷的去除率為85%，B反應(yīng)器為71%，表明腐殖活性污泥的除磷效能明顯優(yōu)于普通活性污泥.從反應(yīng)進(jìn)程看，在缺氧段結(jié)束時(shí)A反應(yīng)器中TP質(zhì)量濃度由進(jìn)水的5.4 mg／L升至7.2 mg／L，B反應(yīng)器則升至6.4 mg／L，相比B反應(yīng)器，在缺氧段A反應(yīng)器中有更多的磷釋放.這可能是由于聚磷菌在腐殖酸類物質(zhì)的作用下，以腐殖質(zhì)為末端電子受體，進(jìn)行厭氧腐殖質(zhì)呼吸，通過氧化電子供體偶聯(lián)腐殖質(zhì)還原，并從這一過程中儲存生命活動的能量［16-17］，從而使聚磷菌釋放出更多的磷.進(jìn)入好氧段后，A反應(yīng)器中好氧吸磷量為6.4 mg／L，B反應(yīng)器為4.8 mg／L，A反應(yīng)器好氧吸磷量高于B反應(yīng)器，其原因可能與腐殖活性污泥中富里酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于普通活性污泥有關(guān).文獻(xiàn)［18］發(fā)現(xiàn)聚磷菌在腐殖酸組成成分富里酸的協(xié)同作用下能夠促進(jìn)聚磷菌對磷的吸收，本研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了富里酸的協(xié)同吸磷作用.

圖6 兩種反應(yīng)器CODCr處理效果對比

圖7 兩種反應(yīng)器TP處理效果對比

由圖8可知，TN進(jìn)水質(zhì)量濃度為27.5 mg／L，至反應(yīng)結(jié)束時(shí)，A反應(yīng)器出水為7 mg／L，B反應(yīng)器出水9.75 mg／L，對總氮的去除率A反應(yīng)器達(dá)75%，B反應(yīng)器為65%，表明腐殖活性污泥的除氮效能優(yōu)于普通活性污泥，處理效能高出10個(gè)百分點(diǎn).從反應(yīng)進(jìn)程看，在前120 min缺氧段，兩種反應(yīng)器均發(fā)生了不同程度的同步硝化反硝化（simultaneousnitrificationanddenitrification，SND）現(xiàn)象.在SND過程中，反硝化細(xì)菌利用吸附的有機(jī)物質(zhì)，在缺氧條件下完成了反硝化.但由圖8可以看出，A系統(tǒng)的SND現(xiàn)象比B系統(tǒng)明顯，這主要是由于腐殖填料中含有的Ca2+、Mg2+等陽離子可以增加污泥絮體的密度［19］，有助于粒徑較大的顆粒污泥形成.這種絮體較大的污泥可以在微生物絮體內(nèi)產(chǎn)生DO梯度，使絮體的外表面DO較高，微生物絮體以異養(yǎng)好氧菌和硝化菌為主；而在絮體內(nèi)部產(chǎn)生缺氧區(qū)，微生物絮體中反硝化菌占優(yōu)勢，使整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生SND現(xiàn)象.在120～480 min內(nèi)，系統(tǒng)進(jìn)入好氧狀態(tài)后，反應(yīng)器繼續(xù)進(jìn)行硝化、反硝化反應(yīng)，且腐殖活性污泥中的細(xì)菌總數(shù)、硝酸菌、亞硝酸菌數(shù)量均明顯高于普通活性污泥，使得這一反應(yīng)過程中A反應(yīng)器的除氮效能高于B反應(yīng)器.

圖8 兩種反應(yīng)器TN處理效果對比

以上結(jié)果表明，按腐殖活性污泥法運(yùn)行的SBR反應(yīng)器A的綜合運(yùn)行效果優(yōu)于普通SBR反應(yīng)器B.

3 結(jié) 論

1）腐殖生物填料中含有大量的動物骨骼殘骸和植物碎屑，填料中主要組成元素為C、O、Si，這3種元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)占88.69%，原子數(shù)百分含量達(dá)93.52%，同時(shí)還含有Al、S、Fe.

2）腐殖活性污泥中各種特征菌群數(shù)量明顯高于普通活性污泥，一般細(xì)菌總量是普通活性污泥的4倍多，硝酸菌為60多倍，亞硝酸菌為2倍多，脫氮菌達(dá)43倍，放線菌為3倍多.

3）腐殖活性污泥中有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比普通活性污泥低18.46%，但腐殖酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)高出20.4%，而且富里酸和胡敏酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)也明顯高于普通活性污泥，表明腐殖活性污泥的腐殖化程度較高.

4）腐殖活性污泥法運(yùn)行的SBR反應(yīng)器對COD、TP和TN的去除效果優(yōu)于普通SBR反應(yīng)器，分別高4%、14%和10%.

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（編輯 劉 彤）

Biochemical characterization and treatment efficiency of humic activated sludge process

WU Lei1，2，YIN Jun1，2，HAN Xiangkui2，LIU Zhisheng3，MA Zhen4
（1.School of Municipal and Environmental Engineering，Harbin Institute of Technology，150090 Harbin，China；2.Key Laboratory of Songliao Aquatic Environment Ministry of Education，Jilin Architectural and Civil Engineering Institute，130018 Changchun，China；3.Changchun Institute of Urban Planning and Designing，130021 Changchun，China；4.Jilin Province Waste Solid Managent Center，130000 Changchun，China）

To thoroughly investigate biochemical characteristics of the humic activated sludge and action mechanism，the humic biological pellets were tested by means of SEM-EDAX.The results show that the main composition elements in humic biological pellets are C，O，Si，and there are small amounts of Al，S，F(xiàn)e. Compared to conventional activated sludge，the number of typical bacteria，nitrifying bacteria，nitrosobacteria，denitrifier and actinomycetes in humic activated sludge were significantly higher.Organic matter content in humic activated sludge is less than that in conventional activated sludge，but the humic acids content is higher. The humification degree of humic activated sludge is considerably higher than that of conventional activated sludge.The SBR reactor operated under humic activated sludge process performed excellent pollutant removal efficiency than conventional SBR reactor，the removal efficiency of CODCr，TN and TP is 4%，10%and 14% higher respectively.

humic activated sludge process；microbial biomass；organic matter content in sludge；humic acids

X703

A

0367-6234（2014）04-0031-05

2013-04-07.

國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)（2012ZX07201001）.

吳 磊（1983—），男，博士研究生；

尹 軍（1944—），男，教授，博士生導(dǎo)師.

尹 軍，hitjunyin＠163.com.