光照對SBR 反應器中活性污泥膨脹性能的影響

朱康康 ，費學寧 ，c，焦秀梅 ，池勇志 ，李松亞

（天津城建大學 a.環(huán)境與市政工程學院；b.天津市水質(zhì)科學與技術(shù)重點實驗室；c.天津市化工廢水源頭減排與資源化工程技術(shù)中心，天津 300384）

從20 世紀初正式建立第一座活性污泥法污水處理廠已有百年歷史[1]，活性污泥法因其能耗低、運營成本低、運行穩(wěn)定和污水處理能力好而成為水處理的主流技術(shù)，隨著不斷研究，衍生出許多新型污水處理工藝[2]，比如序批式活性污泥法工藝，CAST 工藝和ICEAS工藝等[3]. 世界上大多數(shù)活性污泥法污水處理廠都伴隨有污泥膨脹.污泥膨脹是指污水處理系統(tǒng)中由于污泥結(jié)構(gòu)松散，泥水分離困難，污泥質(zhì)量變輕，沉淀壓縮性能差，造成活性污泥流失，導致無法維持污水處理系統(tǒng)正常運行的現(xiàn)象[4]. 活性污泥膨脹有絲狀菌污泥膨脹和非絲狀菌污泥膨脹兩種[5]. 非絲狀菌污泥膨脹是指菌膠團細菌過量生長產(chǎn)生大量黏性物質(zhì)使污泥沉降、壓縮性能變差的現(xiàn)象.絲狀菌污泥膨脹是絲狀菌過度繁殖，使污泥沉降壓縮性能變壞的現(xiàn)象[6].污泥的絲狀菌膨脹問題一直是世界性難題，大量研究表明，近90%以上污泥膨脹均屬絲狀菌污泥膨脹[7].為了反應器正常運行，控制污泥膨脹的發(fā)生和發(fā)展，國內(nèi)外眾多學者開始研究影響污泥膨脹的不同因素.

關于污泥膨脹學者已做碳源、溫度、DO 等方面的研究.丁峰[8]和彭永臻教授[9]等針對碳源對污泥膨脹的影響做了很多研究，分析不同氮磷含量和碳分子大小對污泥膨脹的影響.研究表明當?shù)缀坎蛔銜r容易引發(fā)污泥膨脹，碳水化合物分子越小，活性污泥對環(huán)境的變化越敏感，當運行條件不利時越容易引發(fā)污泥膨脹問題，大分子碳源吸附于絮體內(nèi)部能夠提高污泥的沉降性.周娜[10]采用人工配水研究溫度波動對SBR污泥沉降性的影響，一旦反應器水溫由25 ℃以上降低到15 ℃以下，污泥就會發(fā)生膨脹，當再升溫至25℃以上時，污泥膨脹消失，污泥沉降性能恢復到良好狀態(tài).Knoop[11]等人也研究了溫度對污泥膨脹的影響，研究發(fā)現(xiàn)溫度是引發(fā)M.parvicella 污泥膨脹的主要原因，可以通過調(diào)控溫度來調(diào)控M.parvicella 的生長，進而調(diào)控污泥膨脹.彭趙旭[12]針對DO 對污泥膨脹的影響做了相關研究，并提出一系列的控制策略.Hashemi[13]采用SBR 反應器研究DO 濃度對污泥膨脹的影響，研究表明在增加膨脹污泥的曝氣量，使DO 超過2 mg/L，膨脹在 3～5 d 內(nèi)消失，較低的 DO 質(zhì)量濃度（＜2 mg/L）能夠引發(fā)以微絲菌為優(yōu)勢菌的污泥膨脹.經(jīng)過長期的研究人們對污泥膨脹發(fā)生的規(guī)律有了基本的認識.關于光照對SBR 反應器的影響學者做了相關研究，巫小丹和王振偉等[14]研究了光照對SBR 系統(tǒng)處理生活污水效能的影響，采用4 個反應系統(tǒng)在相同光照強度，分別光照 6 h、8 h、10 h，12 h，運行一段時間后，SVI 平均值分別是 86.18 mL/g、76.12 mL/g、82.05 mL/g、85.27 mL/g.增加光照強度后，實驗后期反應器SVI 值常常超過100 mg/L.結(jié)果表明：光照對活性污泥的沉降性能是有一定影響的.該學者所做實驗周期較短，主要針對水質(zhì)處理效果的研究，對反應器菌群和沉降性能的變化研究較少，為了進一步了解污泥膨脹發(fā)生的規(guī)律，研究光照對污泥膨脹的影響是很有必要的.

本文采用3 個SBR 反應器，進水采用生活污水，以45 W 白熾燈作為光源，控制DO 和溫度等運行條件一致，研究不同光照時間對活性污泥膨脹的影響，探索菌群、SVI 和水質(zhì)指標之間的相互關系和規(guī)律，以期為實際工程中控制污泥膨脹的發(fā)生提供參考.

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 接種污泥

接種污泥為天津市西青區(qū)某污水處理廠進入二沉池的污泥，污泥取回曝氣24 h 后，將污泥依次投入到序批式反應器，3 個反應器的污泥質(zhì)量濃度依次是：3 500 mg/L、3 600 mg/L、3 550 mg/L，SVI 是 171 mL/g.

1.1.2 試驗用水

試驗用水采用該水廠的原生活污水，水質(zhì)指標特性如表1 所示.

表1 生活污水組分mg/L

1.1.3 試驗裝置

試驗裝置采用3 組相同的序批式反應器，在封閉的小屋內(nèi)進行試驗，小試裝置SBR 反應器有效容積為3.5 L，反應器兩側(cè)設有進水口、排水口、取樣口和放空管等管口.反應器進水由進水桶供給，排水由排水桶收集，并定時將排水桶的水倒掉，防止水溢出發(fā)生安全事故.反應器進出水流量由蠕動泵控制，曝氣方式采用曝氣泵連接曝氣管進行曝氣，攪拌方式采用電動攪拌機方式進行混合攪拌，連接控制進出水流量的蠕動泵的開關、控制曝氣泵的開關、控制電動攪拌機的開關均采用時間控制開關控制，以45 W 日光燈作為光源，懸掛在反應器正上方，反應器示意圖如圖1 所示.

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗運行方式

反應器采用厭氧/好氧交替的方式運行，每天運行4 個周期，每個周期運行時間為6 h，進水時間為10 min，厭氧時間為90 min，好氧時間為150 min，沉淀時間為100 min，排水時間為7 min，靜置時間為3 min，溶解氧控制1～1.5 mg/L，利用pH 計將反應器pH 值控制在7.0～7.8 之間，環(huán)境溫度采用空調(diào)控制，控制在14～16 ℃，晚上 21：00 用遮光棉封閉反應器，早上 9：00取下，實現(xiàn)間歇光照條件.

圖1 SBR 反應器示意圖

1.2.2 分析方法

常規(guī)水質(zhì)指標和SVI 采用國標法[15]進行檢測，菌的種類的分析方法：對污泥分別進行革蘭氏染色和奈瑟氏染色，再用正置顯微鏡（BX53，奧林巴斯有限公司生產(chǎn)）觀察菌的陰陽性，對照絲狀菌圖譜判斷菌的種類，絲狀菌豐度的判定如表2 所示.

表2 絲狀菌豐度評價

2 結(jié)果與討論

本文研究了光照對污泥沉降性能的影響，在相同的控制條件下，采用不同的光照時間，檢測3 個反應器的污泥SVI 值、菌群和水質(zhì)指標特性變化的規(guī)律.

2.1 反應器沉降性能分析

以生活污水為進水，3 個反應器同時接種某水廠二沉池中的膨脹污泥，接種時污泥的質(zhì)量濃度依次是3 500，3 600，3 550 mg/L，SVI 是 171.21 mL/g.3 個反應器的SVI 變化曲線見圖2，SVI 值見表3.由圖2 和表3 可知，運行30 d 后，3 個反應器SVI 值出現(xiàn)差距，SBR3 反應器 SVI 值相對 SBR1 和 SBR2 分別相差16.99 mL/g 和 26.46 mL/g，因為第 30 天時 M.parvicella消失，3 個反應器的優(yōu)勢菌N.Limicola 的豐度分別為2，2 和 1；30～70 d，3 個反應器 SVI 值變化幅度不大；反應器運行70 d 時，3 個反應器SVI 差值進一步加大，SBR3 反應器SVI 值為112.36 mL/g，污泥由膨脹狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴慌蛎洜顟B(tài)，SBR3 反應器SVI 值相對SBR1和SBR2 差66.47 mL/g 和63.29 mL/g，這是由于反應器優(yōu)勢菌N.Limicolahe 和0092 豐度下降導致的，3 個反應器優(yōu)勢菌豐度分別為 5，5，3；70～100 d，3 個反應器SVI 值漸漸下降，SVI 差值變化較小，第86 天時，反應器污泥都轉(zhuǎn)變?yōu)椴慌蛎洜顟B(tài)，SVI 的下降是因為反應器絲狀菌豐度漸漸下降，導致污泥沉降性能變好.

在整個運行期間，3 個反應器光照時間分別是全天光照、晝夜間隙光照（白天光照12 h，晚上避光）和全天避光，SVI 平均值分別為 173.08，170.83，140.21 mL/g，由此可知：光照和避光相比，光照條件更加有利于維持污泥的膨脹，全天光照和晝夜間歇光照條件下污泥沉降性能差別不大，最佳光照時間需進一步研究.

圖2 SVI 變化曲線

表3 反應器SVI 值mL/g

2.2 菌群變化分析

通過對污泥在革蘭氏染色、奈瑟氏染色以及原味狀態(tài)下進行觀察，對絲狀菌種類進行識別，記錄數(shù)量變化，根據(jù)絲狀菌豐度等級劃分原則，繪出絲狀菌豐度變化（見圖 3～5）.

3 個SBR 反應器接種污泥為膨脹的活性污泥（SVI=171 mL/g），種泥中影響污泥膨脹的主要菌種是M.parvicella，其次是N.Limicola，豐度分別為3 和1.M.parvicella 一般出現(xiàn)在低負荷的生活污水處理廠，它是引起污泥膨脹最重要的絲狀菌，一般出現(xiàn)在深秋、冬季、春初[16].N.Limicola 一般出現(xiàn)在低負荷的生活污水處理廠，現(xiàn)在依然不知道決定該絲狀菌生長的因素，該絲狀菌的存在導致污泥的氣浮和浮渣層出現(xiàn)，對污泥膨脹有一定的影響[17].

如圖 3-5，1～38 d，3 個反應器菌群的種類和豐度變化一致；1～10 d，3 個反應器污泥中菌群主要是M.parvicella 和 N.Limicola，豐度不變；第 10 天時，3 個反應器中M.parvicella 的豐度下降，N.Limicola 豐度上升，出現(xiàn)021N 型絲狀菌，菌群總豐度變大，但反應器SVI 值下降，這是由于M.parvicella 對污泥膨脹影響較大，M.parvicella 豐度下降導致 SVI 下降；30～40 d，反應器菌群豐度一樣，SBR3 反應器SVI 值漸漸小于其他兩個反應器（見圖2），由顯微鏡觀察SBR1 和SBR2反應器污泥中菌群數(shù)量更多，此時豐度大小不能作為評價標準，這也是豐度評價方法的不足之處.運行至5月份時，M.parvicella 由于季節(jié)性原因，在第30 天消失，污泥中優(yōu)勢菌變成N.Limicola 和021N，豐度分別是2 和2.隨著反應器的運行，第46 天時，021N 型絲狀菌消失，總共存在36 d 左右.021N 型菌是嚴格好氧的，在脫氮除磷系統(tǒng)中，021N 型菌生長所需的底物往往會在缺氧或厭氧的條件下被菌膠團去除，因此021N型菌在脫氮除磷系統(tǒng)中不會成為第一優(yōu)勢菌，也導致該菌生長時間較短.第42 天，三個反應器同時出現(xiàn)0092 型絲狀菌，這種絲狀菌大部分都隱藏在菌膠團內(nèi)部，所以對SVI 的影響很小[18].42～70 d，此時反應器優(yōu)勢菌N.Limicola 相對較多，其次是0092，0092 型絲狀菌豐度都是 2，N.Limicola 豐度分別為 4，4，3. 由于0092 型絲狀菌對SVI 影響很小，則N.Limicola 豐度大小可以近似表征污泥的沉降性能的好壞，SBR1 和SBR2 反應器SVI 值大致一樣，大于SBR3 反應器（見圖2）.第75 天時，SBR3 反應器提前兩天出現(xiàn)了0041型絲狀菌. 0041 型絲狀菌一般出現(xiàn)在污泥負荷小于0.2 kgBOD5/（kgMLSS·d）的生活污水處理廠中，不會導致較高的SVI（通常穩(wěn)定在120～130 mL/g），在SBR3反應器中該菌豐度很小，對反應器污泥沉降性能影響不是很大.第82 天時，SBR3 反應器中的N.Limicola 消失，SBR1 和 SBR2 菌群豐度出現(xiàn)差別，N.Limicola 豐度分別為2 和1，導致SBR1 反應器SVI 漸漸大于SBR2反應器.

整個運行期間，反應器M.parvicella 和021N 型絲狀菌總豐度一樣，N.Limicola 總豐度分別為 52，48，38，0092 型絲狀菌總豐度分別是 25，25，19 ，0041 型絲狀菌總豐度分別是4，4，5，由此可知光照條件下0092 型絲狀菌菌群豐度更大，更加有利于該菌的生長，SBR1和SBR2 反應器中一直存在N.Limicola 型絲狀菌，N.Limicola 在光照條件下的生長周期更長，全天光照條件菌群豐度更大，0041 型絲狀菌出現(xiàn)在反應器中的時間分別是第79 天、第79 天，第75 天，避光條件0041型絲狀菌更早出現(xiàn).

圖3 SBR1 反應器典型絲狀菌豐度評價

圖4 SBR2 反應器典型絲狀菌豐度評價

2.3 水質(zhì)處理能力分析

氨氮，亞硝氮和硝氮之間轉(zhuǎn)化過程分為硝化過程和反硝化過程. 圖6 為反應器進出水氨氮的質(zhì)量濃度，在整個運行周期，SBR1 的氨氮去除效果最差.當進水氨氮超過35 mg/L 時，SBR1 反應器氨氮去除率比較低.試驗期間3 個反應器曝氣量一樣，用溶解氧測定儀測得SBR1 反應器的溶解氧相對較小，導致氨氮去除率較低.

圖7 為反應器進出水硝態(tài)氮的質(zhì)量濃度，1～30 d，由于反應器膨脹嚴重，導致出水效果不好，反硝化作用減弱，硝態(tài)氮積累較多；30～55 d，硝態(tài)氮積累減小，這是由于該階段進水水質(zhì)變化幅度較大，導致硝化作用減弱；60～88 d，反應器硝態(tài)氮積累不斷升高，由于期間氨氮濃度降低，去除率升高，硝化作用比較好，而碳源不足導致反硝化作用較弱.

圖6 反應器氨氮質(zhì)量濃度

圖7 反應器硝態(tài)氮質(zhì)量濃度

圖8 是反應器磷酸根質(zhì)量濃度變化和去除率變化，3 個反應器磷酸根的去除率分別為 63.41%，57.14%，49.94%，SBR1 反應器的去除率最高，這是由于光照條件下會產(chǎn)生藻類物質(zhì)，使磷酸根去除率上升，這和周鳳鳴研究的結(jié)果一樣[19].

圖8 反應器總磷質(zhì)量濃度和去除率

圖9 是反應器一個月的總氮質(zhì)量濃度變化和去除率變化，3 個反應器的總氮平均去除率分別是36.70%，41.81%，36.72%，這是因為一個月內(nèi)雨期比較多，造成污水COD 降低，COD 的不足，導致總氮的去除率比較低，SBR1 總氮去除率相對最低，由于反應器曝氣量相對較小一些，SBR2 的總氮去除率大于SBR3，這是由于光照會促進N 的去除.

圖9 反應器總氮質(zhì)量濃度和去除率

COD 的質(zhì)量濃度和去除率變化如圖10，3 個反應器COD 去除率都不高，分別為44.42%，54.27%和40.01%，這是因為 C ∶N 較小，導致 COD 去除率降低，光照條件的COD 去除率更高，光照產(chǎn)生的藻類有利于COD 的去除，SBR1 去除率小于SBR2，可能由于光照時間過長影響了藻類的正常代謝[20].

3 結(jié) 論

（1）整個運行周期，3 個反應器SVI 平均值分別為 173.08，170.83，140.21 mL/g ，避光條件下污泥的沉降性能更好.

（2）光照條件下0092 型絲狀菌菌群豐度更大，更加有利于該菌的生長，SBR1 和SBR2 反應器中一直存在N.Limicola 型絲狀菌，N.Limicola 在光照條件下的生長周期更長，全天光照條件菌群豐度更大，0041 型絲狀菌出現(xiàn)在3 個反應器中的時間分別是第79 天、第79 天、第75 天，避光條件0041 型絲狀菌更早出現(xiàn).

（3）光照條件下，COD、磷酸根和總氮的去除率升高，本試驗中磷酸根的去除率隨著光照時間增加而增加，在這一光照強度下，COD 和總氮去除率最佳的光照時間還需進一步研究.