AMC厭氧顆粒污泥快速培養(yǎng)及對印染廢水處理性能研究

王寧，丁海川，劉永紅，王全紅，梁世飄

(1.西安工程大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，陜西 西安 710049； 2.平陽縣質(zhì)量檢驗檢測研究院，浙江 溫州 325400)

成熟穩(wěn)定的厭氧顆粒污泥是高效厭氧系統(tǒng)的重要組成部分。相關(guān)研究表明，高效厭氧反應(yīng)器可對印染廢水形成有效處理[1-2]。然而，厭氧污泥顆?；且粋€極其復(fù)雜的物理、化學(xué)及微生物過程，眾多研究者為解決此難題開展了大量以惰性載體促進(jìn)污泥顆?；难芯縖3-5]。

本文以生物載體固定化理論為基礎(chǔ)[6]，采用新型有機-無機復(fù)合材料AMC(Anaerobic microorganism carrier)顆粒載體填充接種絮狀污泥的UASB反應(yīng)器，以快速掛膜的方式培養(yǎng)AMC厭氧顆粒污泥，并對其印染廢水的處理性能進(jìn)行探索研究，以期為其在工程化的應(yīng)用中提供可靠的參考依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 原料與儀器

CaCl2、MgSO4、FeCl3、CoCl2、MnCl2、ZnCl2、NiCl2、EDTA、CuCl2、H3BO3、(NH4)6Mo7O24、Na2SeO3均為分析純；36%HCl，自行配制；印染廢水，取自咸陽某印染廠污水站初沉池，COD濃度為 2 300 ～3 300 mg/L，氨氮濃度在40 mg/L左右，色度為200～300倍，B/C為0.18～0.27；接種污泥，為西安某污水處理廠濃縮池回流污泥，顏色為黃褐色，污泥質(zhì)量濃度為 35.6 g/L；AMC顆粒載體，由山東邦皓環(huán)?？萍加邢薰咎峁?，一種具有多孔結(jié)構(gòu)的有機高分子-無機復(fù)合材料，其內(nèi)部分布著大小5～10 μm的微小孔徑；載體長度為3～5 mm，密度為 1.05 g/cm3，略大于水；顆粒表面的微波膨脹結(jié)構(gòu)非常有利于活性污泥的附著生長。

5B-3C COD快速測定儀；LH-BOD601S(L)BOD5測定儀；PHS-3C pH值測定儀；VEGAII-XMUINCA掃描電子顯微鏡。

1.2 模擬廢水配制

白砂糖為主要碳源，以氯化銨和磷酸二氫鉀補充氮、磷元素；COD∶N∶P控制在200∶5∶1，同時在模擬廢水中添加微量元素液1 mL/L。微量元素液的組成見表1。

表1 微量元素母液

1.3 實驗方法

實驗采用自行設(shè)計的UASB反應(yīng)器(有效容積12.8 L，高2 m，內(nèi)徑0.9 m)，為雙層夾套結(jié)構(gòu)，以恒溫水槽向夾套內(nèi)輸水的方式進(jìn)行反應(yīng)器內(nèi)部的控溫。反應(yīng)器從下至上平均分布5個取樣口，通過蠕動泵由反應(yīng)器底部進(jìn)水，頂部出水，出水口設(shè)有載體顆粒阻攔裝置與回流裝置。整個實驗裝置見圖1。接種污泥共投加6 L，整個反應(yīng)器的污泥濃度為 16.6 g/L。AMC載體的投加量約為反應(yīng)器有效容積的30%。

實驗初期以模擬廢水培養(yǎng)AMC厭氧顆粒污泥，驗證AMC載體在促進(jìn)厭氧顆粒污泥形成方面的優(yōu)勢；并在后續(xù)的實驗過程中通過處理實際印染廢水對AMC顆粒污泥的性能展開探索研究。

1.4 測定方法

COD采用快速測定儀測定；BOD5采用LH-BOD601S(L)測定儀測定；pH值采用酸度計測定；總堿度采用甲基橙指示劑滴定法測定[7]；VFA采用酸堿滴定法測定[8]；AMC顆粒污泥沉降速度采用重力沉降法測定[9]；AMC顆粒微生物相采用掃描電鏡觀察。AMC顆粒污泥微生物群落分布委托上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 AMC厭氧顆粒污泥培養(yǎng)

以模擬廢水培養(yǎng)AMC厭氧顆粒污泥，整個培養(yǎng)階段反應(yīng)器運行狀態(tài)見圖2。

圖2 AMC顆粒污泥培養(yǎng)階段反應(yīng)器對COD去除效果

由圖2可知，AMC厭氧顆粒污泥的培養(yǎng)過程主要分為四個階段，每個階段反應(yīng)器的運行條件以改變HRT與進(jìn)水COD濃度的方式進(jìn)行調(diào)控。第一階段，反應(yīng)器HRT設(shè)置為38.5 h，進(jìn)水COD濃度為 1 000 mg/L，容積負(fù)荷為0.6 kg COD/(m3·d)，運行到第15 d時，COD去除率達(dá)到了94%；此時肉眼觀察發(fā)現(xiàn)，AMC載體表面已經(jīng)變成黑色或者深灰色，形成了AMC顆粒污泥初成體；相比其他惰性載體顆粒物[4-6]，AMC載體以快速掛膜的方式加快了反應(yīng)器內(nèi)部顆粒污泥的形成。后續(xù)通過縮短HRT改變反應(yīng)器運行條件，當(dāng)HRT縮短至14.5 h時，以提高進(jìn)水COD濃度的方式提高反應(yīng)器進(jìn)水負(fù)荷；第55 d時，進(jìn)水COD濃度達(dá)到3 500 mg/L，容積負(fù)荷為 5.8 kg COD/(m3·d)，COD去除率達(dá)到了75%，且逐步上升趨勢明顯；此時反應(yīng)器內(nèi)部的AMC載體已經(jīng)全部變成了深黑色顆粒，AMC厭氧顆粒污泥培養(yǎng)完成。在55 d的運行過程中反應(yīng)器運行狀態(tài)良好，進(jìn)出水堿度為1 000～1 500 mg/L，系統(tǒng)pH維持在 6.8～7.8之間，出水VFA濃度保持在200 mg/L以下。

2.2 AMC厭氧顆粒污泥物理特性與微生物相分析

2.2.1 AMC顆粒的外觀變化及沉降性能 培養(yǎng)過程中AMC顆粒的外觀的變化見圖3。

圖3 AMC顆粒外觀變化

由圖3可知，空白AMC顆粒為棕色，經(jīng)過15 d的掛膜，AMC顆粒表面呈現(xiàn)黑色或深灰色，形成了大小3～5 mm的AMC顆粒污泥初成體；隨后又經(jīng)過40 d的培養(yǎng)，AMC載體表面的生物膜不斷生長繁殖導(dǎo)致載體全部變成了深黑色顆粒，成熟AMC顆粒污泥培養(yǎng)完成。經(jīng)測定，AMC顆粒污泥的平均沉降速率由第15 d時的110 m/h提高到運行結(jié)束時的213 m/h。

2.2.2 AMC顆粒污泥微生物相 AMC顆粒載體SEM見圖4。

由圖4a可知，AMC顆粒載體為多孔結(jié)構(gòu)，顆粒內(nèi)部的自由空間既增加了載體的比表面積，也為氣體(CH4、CO2)和基質(zhì)交換提供了場所，相較傳統(tǒng)惰性載體，AMC載體具備較好的孔隙率。待反應(yīng)器運行結(jié)束時，AMC載體表面的微生物密度逐漸提高(見圖4b)，微生物種類豐富，呈現(xiàn)多樣化緊密排列，其中以短桿菌數(shù)量居多，不同的菌落隨機分布，相互交融，形成混棲的菌群。此時AMC載體的平均污泥附著量也從第15 d時的0.203 g/g提高到第55 d時的0.583 g/g(以每g AMC載體附著的VSS計)。

圖4 AMC顆粒載體SEM圖像

2.3 AMC厭氧顆粒污泥對印染廢水的處理

2.3.1 對廢水COD去除效果 對印染廢水的處理主要分為兩個階段，第一階段為顆粒污泥的馴化。由于印染廢水的毒性較強，AMC顆粒污泥從運行模擬廢水到印染廢水的過程中需要一個馴化階段的過渡，馴化過程主要通過將模擬廢水與印染廢水按比例混合的方式，逐步提高進(jìn)水中印染廢水的比例，以此使AMC顆粒污泥逐漸適應(yīng)印染廢水的水質(zhì)條件。第二階段在馴化階段結(jié)束后，在反應(yīng)器出水口增設(shè)出水回流裝置，探究反應(yīng)器在不同回流比條件下，AMC顆粒污泥對印染廢水處理能夠達(dá)到的最佳效果。整個運行過程中反應(yīng)器對廢水COD處理效果見圖5。

圖5 不同回流比條件下AMC厭氧顆粒污泥對印染廢水COD去除效果

初期的馴化階段共運行6 d，進(jìn)水中模擬廢水與印染廢水的比例以3∶1，1∶1，1∶3依次進(jìn)行，每個比例連續(xù)運行2 d。由圖5可知，當(dāng)進(jìn)水比例為3∶1時，反應(yīng)器對該比例進(jìn)水的COD去除率在85%以上，但隨著后續(xù)進(jìn)水中印染廢水比例不斷提高，反應(yīng)器的處理效率也逐漸降低，當(dāng)最后進(jìn)水比例達(dá)到 1∶3 時，反應(yīng)器的處理效率降到最低，COD去除率只有70%左右。

回流比影響廢水在厭氧反應(yīng)器中的上升流速和水力負(fù)荷，進(jìn)而影響反應(yīng)器中污泥床的流化程度[10-13]。根據(jù)這一原理，在印染廢水可生化性較差的條件下，在反應(yīng)器出水口增設(shè)回流裝置，可對反應(yīng)器內(nèi)部的AMC顆粒污泥形成有效攪動，加強系統(tǒng)內(nèi)部的傳質(zhì)效果，提高AMC顆粒污泥對印染廢水的處理效率，也可探究出AMC顆粒污泥處理印染廢水時的最佳水力運行條件。

從第7 d開始，反應(yīng)器進(jìn)水為100%印染廢水。由圖5可知，當(dāng)回流比R=0時，反應(yīng)器對印染廢水COD的平均去除率達(dá)到了47.3%，超過了一般UASB反應(yīng)器對印染廢水COD 36.4%的去除效果[1]，AMC厭氧顆粒污泥的性能得到有效驗證。隨后，在此基礎(chǔ)上增大回流比，可見污泥床膨脹率明顯提高；由圖5可知，隨著回流比R的提高，反應(yīng)器對廢水COD的平均去除率也明顯提升，當(dāng)R=2時，COD去除率最高達(dá)到65.8%，平均去除率為 58.6%；但當(dāng)后續(xù)回流比R提高至3與4時，COD平均去除率又呈現(xiàn)出下降趨勢，分別為53.5%和48.6%。因為回流比過高，造成AMC顆粒污泥受到過度攪動，系統(tǒng)內(nèi)難以形成最佳的微生物群落分布狀態(tài)，從而降低了系統(tǒng)對廢水COD的去除效果，說明外回流對系統(tǒng)內(nèi)微生物群落的穩(wěn)定性有著重要影響。此外，通過肉眼觀察發(fā)現(xiàn)，雖然水力條件的不斷改變對反應(yīng)器內(nèi)部AMC顆粒污泥形成了連續(xù)性沖擊，但是其依然保持著穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，沒有出現(xiàn)生物膜脫落現(xiàn)象，證明AMC顆粒污泥具備較強的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與耐沖擊能力。

2.3.2 運行過程中反應(yīng)器內(nèi)pH與出水VFA的變化 VFA與pH是厭氧反應(yīng)器穩(wěn)定運行的重要參數(shù)[14-15]，系統(tǒng)內(nèi)微生物的代謝平衡受到酸性發(fā)酵與堿性發(fā)酵的影響，代謝平衡被打破會影響系統(tǒng)內(nèi)pH穩(wěn)定，進(jìn)而影響產(chǎn)甲烷菌的活性，并且pH值也是影響厭氧反應(yīng)器顆粒污泥形成的重要因素[16]。

圖6為反應(yīng)器運行期間pH與VFA的變化情況。在整個實驗過程中，控制進(jìn)水pH在7.1～8.2之間，反應(yīng)器出水pH為7.7～9.1；雖然在不同的運行階段回流比不相同，但是在整個實驗過程中，出水VFA濃度始終穩(wěn)定在271～445 mg/L的合理范圍內(nèi)。

由圖6可知，在不同的回流比條件下，反應(yīng)器出水pH均較進(jìn)水pH高，這是因為在水解發(fā)酵的過程中，有機物酸性發(fā)酵產(chǎn)物的產(chǎn)甲烷代謝和廢水中的有機氮通過脫氨基作用生成較高濃度的氨氮，導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)pH有所升高。

圖6 實驗過程中系統(tǒng)內(nèi)pH與出水VFA的變化

由圖6可知，不同階段回流比的改變，出水VFA濃度均會出現(xiàn)增大而后又變小的趨勢。系統(tǒng)內(nèi)水力條件的改變影響了微生物間的代謝平衡，而產(chǎn)酸細(xì)菌具有比產(chǎn)甲烷菌更強的適應(yīng)能力，所以才會導(dǎo)致系統(tǒng)出水VFA濃度偏高；隨著系統(tǒng)內(nèi)微生物對新環(huán)境的適應(yīng)，產(chǎn)甲烷細(xì)菌的代謝能力逐漸恢復(fù)，微生物間的代謝平衡逐漸穩(wěn)定，VFA分解速率的加快導(dǎo)致出水VFA濃度又逐漸降低。與之對應(yīng)圖5中COD去除率趨勢也可發(fā)現(xiàn)，在R=0，1時，系統(tǒng)的COD平均去除率雖然逐漸提高，但是出水VFA平均濃度卻是各回流比中最高的，說明該條件下產(chǎn)甲烷菌受到抑制；而在R=4時，系統(tǒng)出水VFA濃度和COD去除效率在各回流比中最低，說明在該水力條件下產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌均受到了一定程度的抑制。因此，AMC顆粒污泥受到過度攪動會對微生物間代謝底物的傳遞產(chǎn)生負(fù)面影響。

圖7為實驗過程中進(jìn)、出水氨氮濃度的變化情況，出水的氨氮濃度均較進(jìn)水提高了3倍左右，這是因為系統(tǒng)內(nèi)的氨化細(xì)菌將廢水的有機氮通過脫氨基作用生成了較高濃度的氨氮，說明AMC顆粒污泥內(nèi)部形成了較為豐富的氨化細(xì)菌；且出水B/C也從 0.18～0.27提高至0.58～0.64，印染廢水的可生化性提高了2～3倍，而一般厭氧反應(yīng)器只能將印染廢水可生化性提高1.5倍左右[1-2]，說明與普通厭氧顆粒污泥相比，AMC顆粒污泥在提高印染廢水可生化性方面具有明顯優(yōu)勢。同時，在整個實驗運行過程中，反應(yīng)器對印染廢水色度的去除率也保持在65%以上。

圖7 實驗過程中進(jìn)、出水NH3-N的變化

2.3.3 AMC顆粒污泥微生物群落分布變化 AMC顆粒污泥的微生物群落分布變化見圖8。圖中縱坐標(biāo)7與9分別對應(yīng)的是反應(yīng)器運行印染廢水前后AMC顆粒污泥內(nèi)部微生物群落分布狀況。

圖8 AMC顆粒污泥微生物群落分布變化圖

由圖8可知，反應(yīng)器在運行印染廢水前后，AMC顆粒污泥的微生物菌群沒有發(fā)生明顯變化，其中放線菌門(Actinobacteria)、厚壁菌門(Firmicutes)和變形菌門(Proteobacteria)始終是AMC顆粒污泥中的主要細(xì)菌類群。但是在處理印染廢水過程中，AMC顆粒污泥的菌群分布比例發(fā)生了改變，厚壁菌門和變形菌門的所占比例明顯提高。有研究表明[17]，上述兩個菌門是偶氮染料中的常見微生物，這些菌群在偶氮染料的脫色過程中起關(guān)鍵作用。以上現(xiàn)象說明，AMC顆粒污泥會在處理不同類型廢水時改變自身的微生物種群分布狀態(tài)，以適應(yīng)新的廢水環(huán)境條件。

3 結(jié)論

(1)以AMC顆粒為微生物固定化載體填充接種絮狀污泥的UASB反應(yīng)器，可在2周左右實現(xiàn)載體表面的快速掛膜。在隨后的提負(fù)荷過程中，載體表面的生物膜不斷生長繁殖，到第55 d時，反應(yīng)器內(nèi)的AMC載體已全部變成深黑色，成熟AMC厭氧顆粒污泥培養(yǎng)完成；其平均掛膜質(zhì)量達(dá)到0.583 g/g(以每g AMC載體附著的VSS計)，平均沉降速達(dá)到213 m/h。相較傳統(tǒng)的啟動方法，AMC顆粒載體以快速掛膜的方式促進(jìn)了反應(yīng)器內(nèi)顆粒污泥的形成，極大縮短了厭氧反應(yīng)器的啟動周期。因此，關(guān)于UASB反應(yīng)器的啟動，以絮狀污泥接種，并添加AMC顆粒載體是實際生產(chǎn)運行過程中可以借鑒的一種快速有效的啟動方法。

(2)相較一般厭氧顆粒污泥，AMC顆粒污泥對印染廢水有著較好的處理效果。為提高AMC顆粒污泥對印染廢水的處理效率，除提高系統(tǒng)內(nèi)部的傳質(zhì)效果外，形成最佳的微生物群落分布狀態(tài)也至關(guān)重要。本實驗在回流比R為2的水力條件下，AMC顆粒污泥對印染廢水COD去除率達(dá)到最佳效果，但在實際的工程應(yīng)用過程中，還需要根據(jù)厭氧反應(yīng)器的類型和實際廢水狀況確定最佳運行條件。