溫度對(duì)顆粒污泥處理畜禽養(yǎng)殖廢水脫氮除磷效果的影響

胡穎，謝小東，欒大鵬

(1.福州大學(xué) 土木工程學(xué)院，福建 福州 350116；2.江蘇城鄉(xiāng)建設(shè)職業(yè)學(xué)院 公用事業(yè)學(xué)院，江蘇 常州 213147；3.江蘇金梓環(huán)境科技股份有限公司，江蘇 常州 213000)

畜禽養(yǎng)殖是我國(guó)農(nóng)業(yè)的重要組成部分，其在維持畜產(chǎn)品供給、提高生活水平等方面發(fā)揮重要作用。然而畜禽養(yǎng)殖過(guò)程中產(chǎn)生的廢水含有大量的氮磷及有機(jī)質(zhì)，若該類畜禽廢水處理不當(dāng)，會(huì)產(chǎn)生環(huán)境二次污染[1]。

好氧顆粒污泥因生物量高、運(yùn)行費(fèi)用低、抗負(fù)荷能力強(qiáng)等原因而備受關(guān)注[2-3]。之前研究顆粒污泥的應(yīng)用多集中于模擬廢水，而針對(duì)成分復(fù)雜的畜禽養(yǎng)殖廢水的應(yīng)用鮮見(jiàn)。此外，溫度同樣會(huì)影響顆粒污泥對(duì)畜禽養(yǎng)殖廢水處理過(guò)程中顆粒污泥本身特性，脫氮除磷性能及顆粒污泥的元素構(gòu)成[4]。本文以實(shí)際畜禽廢水為探究對(duì)象，考察溫度對(duì)顆粒污泥處理畜禽養(yǎng)殖廢水脫氮除磷的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

廢水，取自某規(guī)?；B(yǎng)豬廢水，經(jīng)格柵過(guò)濾后，集中于集水井內(nèi)備用，主要特征見(jiàn)表1；為了降低畜禽廢水中的有機(jī)物含量，本研究采用厭氧預(yù)處理降低畜禽廢水中可降解有機(jī)物，厭氧出水特征見(jiàn)表1；接種污泥，取自某市政污水處理廠的二次沉淀池，經(jīng)過(guò)濾去掉大顆粒雜質(zhì)后備用。接種污泥的基本特性如下：pH 6.8±0.1，總懸浮顆粒物(TSS)(3 500±160)mg/L，揮發(fā)性懸浮固體(VSS)(2 100±120)mg/L。

表1 實(shí)驗(yàn)所用畜禽廢水的主要特征Table 1 Main characteristics of livestock wastewater used in the experiment

DRB2000 COD消解儀；T6紫外分光光度計(jì)；H205OR-1離心機(jī)；HQ30d溶解氧儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)在三個(gè)相同的序批式反應(yīng)器(SBR)內(nèi)進(jìn)行，SBR的有效工作容積為5.0 L，SBR為玻璃樹脂構(gòu)成，高度為1.0 m。SBR底部設(shè)有微孔曝氣頭、排泥口，側(cè)面設(shè)有進(jìn)樣口與取樣口。通過(guò)轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制SBR內(nèi)曝氣量為4～5 mg/L。SBR每日運(yùn)行1個(gè)周期，水力停留時(shí)間為24 h，運(yùn)行模式為緩慢進(jìn)水 30 min，好氧曝氣22 h，沉淀出水30 min，閑置期1 h。各SBR運(yùn)行分為兩階段，階段-Ⅰ運(yùn)行40周期，在該周期內(nèi)進(jìn)水pH調(diào)節(jié)至7.0±0.1以進(jìn)行顆粒污泥馴化，而階段-Ⅱ中進(jìn)水為厭氧出水，以判斷顆粒污泥對(duì)畜禽養(yǎng)殖廢水處理性能。各SBR運(yùn)行溫度通過(guò)水浴循環(huán)的模式分別控制在10，20，30 ℃。

1.3 分析方法

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度對(duì)顆粒污泥去除效率的影響

2.1.1 COD去除效率 溫度對(duì)出水COD去除效率的影響見(jiàn)圖1。

圖1 溫度對(duì)顆粒污泥處理畜禽廢水出水COD及其去除效率的影響Fig.1 Effect of temperature on COD and removal efficiency of granular sludge treatment of livestock and poultry wastewater effluent

由圖1可知，在前40 d，各溫度下出水COD的濃度隨時(shí)間逐漸下降，這主要是由于顆粒污泥逐漸適應(yīng)過(guò)程。在40 d之后，顆粒污泥運(yùn)行進(jìn)入穩(wěn)定時(shí)期，隨運(yùn)行溫度升高，出水COD的濃度降低，COD去除效率升高，運(yùn)行溫度30 ℃時(shí)，出水COD的濃度下降至116.3～120.3 mg/L，COD去除效率升高至80.6%～81.3%。表明提高運(yùn)行溫度能促進(jìn)顆粒污泥對(duì)畜禽養(yǎng)殖廢水COD的去除，最佳運(yùn)行溫度為30 ℃。顆粒污泥系統(tǒng)中有機(jī)物的去除主要依賴污泥吸附和氧化分解，當(dāng)運(yùn)行溫度較低時(shí)，微生物酶活性下降，生物膜的通透性變差，吸附在顆粒污泥表面的有機(jī)物分解機(jī)入胞速率下降，同時(shí)微生物增殖同樣會(huì)受到影響[7]。當(dāng)溫度為30 ℃時(shí)，微生物活性較高，顆粒污泥對(duì)COD去除效率較高。

圖2 溫度對(duì)顆粒污泥處理去除廢水過(guò)程中去除效率的影響Fig.2 Effect of temperature on the removal efficiency of in the process of wastewater removal by granular sludge treatment

2.1.3 TP去除效率 圖3為溫度對(duì)顆粒污泥去除TP的影響。

圖3 溫度對(duì)顆粒污泥處理畜禽養(yǎng)殖廢水去除TP的影響Fig.3 The effect of temperature on the removal of TP from livestock slaughterhouse wastewater treated with granular sludge

由圖3可知，在20 d時(shí)，各溫度下TP的去除效率均低于80 d時(shí)TP的去除效率，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因在于20 d時(shí)顆粒污泥處于適應(yīng)期，微生物活性較低，對(duì)TP的去除有限。當(dāng)運(yùn)行穩(wěn)定后，運(yùn)行溫度由10 ℃提高至30 ℃時(shí)，TP的去除效率由75.8%提高至81.4%，說(shuō)明溫度升高利于顆粒物對(duì)畜禽養(yǎng)殖廢水中TP的去除。顆粒污泥由外向內(nèi)形成了好氧、缺氧及厭氧的區(qū)域，磷酸鹽在顆粒污泥的表面被聚磷微生物(PAO)超量吸收，從而實(shí)現(xiàn)生物除磷。

2.2 溫度對(duì)顆粒污泥特征的影響

2.2.1 污泥EPS特征分析 顆粒污泥特征對(duì)不同溫度具有不同的響應(yīng)。由圖4可知，在啟動(dòng)階段及穩(wěn)定運(yùn)行期，溫度均對(duì)EPS及組分產(chǎn)生較大影響。在啟動(dòng)期(20 d)時(shí)，溫度由10 ℃升高至30 ℃，EPS含量由65.6 mg/g升高至79.6 mg/g，EPS含量升高主要是由于PN含量的升高，當(dāng)溫度由10 ℃升高至 30 ℃ 時(shí)，PN的含量由42.3 mg/g升高至52.6 mg/g，而PS的含量在實(shí)驗(yàn)溫度內(nèi)維持在16.6～17.3 mg/g。此外，在啟動(dòng)期，溫度升高，提高PN/PS，這促進(jìn)了顆粒污泥的穩(wěn)定性。在穩(wěn)定運(yùn)行期，溫度同樣影響EPS的含量及組成，當(dāng)運(yùn)行溫度由10 ℃升高至30 ℃，EPS的含量由 69.5 mg/g 升高至 83.2 mg/g，PN含量由 46.5 mg/g 升高至59.6 mg/g，而PS的含量同樣略有升高，但仍維持在18.5～18.9 mg/g。顆粒污泥由啟動(dòng)期轉(zhuǎn)為穩(wěn)定期后EPS、PN及PS的含量具有不同程度提高，且提高的主要為PN部分。研究表明，EPS中PN具有電負(fù)性及疏水性，能夠在一定程度改變污泥的表面性質(zhì)，促進(jìn)顆粒污泥的形成，而PS具有較強(qiáng)的黏合性，對(duì)顆粒的黏合及聚集具有一定作用[8]。此外，在本研究中，啟動(dòng)期與穩(wěn)定期內(nèi)隨溫度升高，PN/PS 同樣呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，PN/PS代表顆粒穩(wěn)定性，PN/PS越高，顆粒污泥穩(wěn)定性與沉降性越高。溫度對(duì)微生物的新陳代謝具有重要作用，研究表明30 ℃利于微生物生長(zhǎng)，從而加速顆粒污泥的形成。

圖4 溫度對(duì)顆粒污泥特征的影響Fig.4 The influence of temperature on the characteristics of granular sludge a.20 d；b.80 d

2.2.2 污泥EPS濃度及沉降性分析 顆粒污泥濃度及沉降性對(duì)顆粒污泥的應(yīng)用至關(guān)重要，本文探究了溫度對(duì)顆粒污泥MLSS及SVI的影響，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 溫度對(duì)顆粒污泥MLSS濃度(a)及SVI(b)的影響Fig.5 Effect of temperature on the MLSS concentration (a) and SVI (b) of granular sludge

由圖5a可知，各反應(yīng)器內(nèi)MLSS的濃度隨時(shí)間先下降后逐漸升高并平穩(wěn)。1～20 d內(nèi)，顆粒污泥處于適應(yīng)時(shí)期，部分污泥隨排水被沖刷掉，導(dǎo)致MLSS濃度下降，而在隨后的時(shí)間內(nèi)，隨顆粒污泥內(nèi)微生物逐漸適應(yīng)運(yùn)行環(huán)境，污泥的濃度逐漸提高。在穩(wěn)定時(shí)期，當(dāng)溫度為10 ℃時(shí)，MLSS的濃度高達(dá) 4 289 mg/L，而溫度在20 ℃和30 ℃時(shí)，MLSS的濃度升高至4 616 mg/L和4 895 mg/L，顯著高于低溫運(yùn)行時(shí)期。溫度升高，促進(jìn)了顆粒污泥中微生物的代謝，從而提高污泥濃度，利于顆粒污泥對(duì)污染物的去除。由圖5b可知，各反應(yīng)器內(nèi)顆粒污泥的SVI隨時(shí)間先下降后平穩(wěn)，在穩(wěn)定時(shí)期，溫度同樣影響顆粒污泥的SVI，當(dāng)溫度由10 ℃升高至30 ℃時(shí)，SVI值由64 mL/g下降至45 mL/g，雖然各溫度下顆粒污泥的沉降性均較好，但溫度升高，促進(jìn)了污泥沉降。

2.3 溫度對(duì)顆粒污泥運(yùn)行時(shí)期元素構(gòu)成的影響

畜禽廢水中存在部分金屬元素，金屬元素可吸附至顆粒污泥表面，溫度對(duì)顆粒污泥吸附畜禽廢水中元素的影響見(jiàn)表2。

表2 溫度影響下顆粒污泥的元素比例分布Table 2 Element ratio distribution of granular sludge under the influence of temperature

由表2可知，顆粒污泥中P的比例較大，說(shuō)明本研究中顆粒污泥具有較強(qiáng)的除磷性能，但溫度升高提高了顆粒污泥中P的百分比，這也與本研究中溫度升高提高生物除磷效率相一致。Na與Mg是顆粒污泥中的關(guān)鍵元素，研究表明顆粒污泥中Na與Mg的存在利于顆粒污泥對(duì)污染物的吸附與去除[9]，在本研究中運(yùn)行溫度由10 ℃提高至30 ℃時(shí)，Na與Mg的元素分布綜合由23.8%提高至29.6%。此外，Mg參與了多聚磷酸鹽的合成與能量的轉(zhuǎn)移，而溫度升高提高了顆粒污泥中Mg的百分比。

3 結(jié)論

(2)溫度提高能促進(jìn)顆粒污泥內(nèi)EPS含量，且主要促進(jìn)PN含量，當(dāng)運(yùn)行溫度由10 ℃升高至 30 ℃，EPS的含量由69.5 mg/g升高至83.2 mg/g，PN含量由46.5 mg/g升高至59.6 mg/g。

(3)溫度提高，促進(jìn)了顆粒污泥內(nèi)Na和Mg的相對(duì)百分比，提高了污泥顆粒化，對(duì)污泥顆粒形成具有重要作用。