不同粒徑好氧顆粒污泥的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及污染物去除效果

易名儒，曾 玉，劉 永，程媛媛，龍 焙，曾敏靜，任 帥

（江西理工大學(xué)土木與測繪工程學(xué)院，江西 贛州 341000）

0 引言

好氧顆粒污泥（aerobic granular sludge, AGS）是微生物自凝聚形成的生物聚集體，具有沉降快、耐毒性高、結(jié)構(gòu)密實(shí)、單級同步脫氮除磷等優(yōu)點(diǎn)[1]，被認(rèn)為是極具發(fā)展前景的新一代污水生化處理技術(shù)。目前，AGS 技術(shù)正處在應(yīng)用推廣關(guān)鍵階段[2]，有關(guān)其處理各類污水的研究報(bào)道層出不窮，但是AGS 的穩(wěn)定性仍是限制其大規(guī)模應(yīng)用的主要瓶頸[3]。影響AGS 穩(wěn)定性的因素研究主要集中在運(yùn)行條件、污水成分、污泥齡、溫度等方面，而對AGS 具有較大的粒徑區(qū)間這一特征關(guān)注較少。

通常粒徑在0.2 mm 以上的污泥被定義為AGS[4]，但不同運(yùn)行條件下所形成的AGS 的粒徑分布不同[5]。劉文如等[6]在低C/N 比條件下培養(yǎng)的顆粒污泥粒徑主要分布在0.64 mm 以上，黃健盛等[7]在連續(xù)曝氣和交替曝氣模式培養(yǎng)的AGS 平均粒徑分別為0.85 和0.97 mm，且對污染物的去除效果也不同；梁東博等[8]在低溫培養(yǎng)AGS 的過程中，發(fā)現(xiàn)AGS 粒徑不斷變化，污泥穩(wěn)定性也隨之波動。原因主要是顆粒粒徑影響了溶解氧及目標(biāo)去除物的傳質(zhì)效果[5]，小粒徑AGS往往具有更好的傳質(zhì)效率和更大的比表面積，顆粒內(nèi)微生物活性更高[9]；大粒徑AGS 具有較大的內(nèi)部空間可以耦合多種菌群，外層盤踞著好氧菌AOB 和NOB，內(nèi)部為厭氧氨氧化細(xì)菌等，中間為缺氧菌例如反硝化聚磷菌等[10]，這種獨(dú)特的空間分層結(jié)構(gòu)使得單級AGS 具有機(jī)物降解及同步脫氮除磷能力[11]。但也有研究表明，顆粒污泥粒徑過大會使AGS 系統(tǒng)不穩(wěn)定[12]，TOH S 等[13]發(fā)現(xiàn)當(dāng)粒徑> 4 mm，AGS 將承受不了外部剪切力導(dǎo)致解體；且隨著粒徑增長，AGS中細(xì)菌的豐富度和多樣性反而下降[14-15]?？偠灾煌降腁GS 傳質(zhì)阻力不同，且擁有不同的微生物環(huán)境[8,16]，但粒徑大小與AGS 的污染物去除效果之間有何聯(lián)系尚缺乏系統(tǒng)研究。一些報(bào)道[17-18]顯示，在連續(xù)曝氣時(shí)僅靠AGS 的微環(huán)境難以實(shí)現(xiàn)TN，TP 等指標(biāo)的高效去除。為了創(chuàng)造更加明顯的厭氧或缺氧/好氧環(huán)境并節(jié)約曝氣能耗，研究者們探索了非恒定曝氣模式對AGS 脫氮除磷效果的影響，結(jié)果表明該模式可提高AGS 的去污效果[19-21]，但這種模式對不同粒徑AGS 的去污效果有何影響尚無定論。

研究考察了不同粒徑AGS 的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，并探索了全程曝氣及交替曝氣模式下不同粒徑AGS 對污水中COD，NH4+-N，TIN （TIN = NH4+-N + NO2-+NO3--N）及TP 的去除效果，為強(qiáng)化AGS 的穩(wěn)定性及對污染物去除效果提供參考。

1 材料與方法

1.1 AGS 制備及其粒徑分布

AGS 來自實(shí)驗(yàn)室內(nèi)小試SBR （高度為100 cm，內(nèi)徑為19.8 cm，有效容積為24.6 L），顏色為黃色，SV30/SV5為0.95，MLVSS/MLSS 為0.72，顆?；蕿?8.2%，平均粒徑為1.24 mm，粒徑分布見圖1。取3 L反應(yīng)器中完全混合泥水混合物，依次通過孔徑為3，2，1.43，1 及0.6 mm 的標(biāo)準(zhǔn)篩，分別收集等量濕重的篩上不同粒徑的顆粒污泥用于試驗(yàn)。

圖1 AGS 粒徑分布

1.2 AGS 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性測定

將等質(zhì)量不同粒徑的AGS 定容至100 mL 燒杯進(jìn)行超聲破碎，超聲儀器探針伸入液面以下1.5 cm，超聲功率為10 W，超聲時(shí)間為20 min（超聲1 s，停滯1 s），MLSS 為2 540 ～ 2 820 mg/L，溫度為26 ℃左右。利用標(biāo)準(zhǔn)篩過濾破碎后的泥水混合物，分別收集篩上、篩下污泥，烘干后稱重計(jì)算破碎率。每批試驗(yàn)設(shè)3 組平行樣，3 次測試數(shù)據(jù)的均值為試驗(yàn)結(jié)果。以計(jì)算粒徑范圍為1.43 ～ 2.0 mm 的AGS 的破碎率為例，用孔徑為1.43 mm 的標(biāo)準(zhǔn)篩過濾破碎后的泥水混合物，篩上污泥為未破碎的污泥，篩下污泥為破碎污泥，破碎率為：

1.3 實(shí)驗(yàn)過程

將30 g 不同粒徑的AGS 定容至300 mL 錐形瓶中（MLSS 為4 500 ± 300 mg/L），探究其對污水中污染物的去除效果。污水ρ （COD）為600 mg/L，ρ（TP）為3 mg/L，ρ（NH4+-N）為50 mg/L，具體組成見龍焙等[22]推薦的配方。將AGS 與模擬污水混合物連續(xù)曝氣6 h 或交替曝氣6 h（1 h 曝氣+ 1 h 厭氧，循環(huán)3 次），曝氣強(qiáng)度為2.8 L/min，完全沉降后取上清液測定各污染物濃度。每批試驗(yàn)設(shè)3 組平行樣，3 次測試數(shù)據(jù)的均值為試驗(yàn)結(jié)果。

1.4 分析測試方法

COD，NH4+-N，NO2--N 及TP 均采用國家標(biāo)準(zhǔn)分析方法測定[23]，NO3--N 采用麝香草酚分光光度法，污泥沉降比（SV）、污泥容積指數(shù)（SVI）、混合液懸浮固體濃度（MLSS）、混合液揮發(fā)性懸浮液固體濃度（MLVSS）采用標(biāo)準(zhǔn)方法；污泥形態(tài)變化用數(shù)碼相機(jī)拍照記錄。平均粒徑測量參考龍焙等[22]使用的方法。同步硝化反硝化（SND）效率的計(jì)算公式[23]如下：

式中：δρ（NH4+-N）為NH4+-N 的去除質(zhì)量濃度，mg/L；ρ（NO2-N）及ρ（NO3-N）為NO2-N，NO3-N 出水質(zhì)量濃度，mg/L。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同粒徑AGS 的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

不同粒徑AGS 破碎率見圖2。由圖2 可知，除粒徑范圍為0.6 ～ 1.0 mm 的AGS 經(jīng)破碎后破碎率高達(dá)65.88%外，其他粒徑的AGS 的破碎率均在8.40% ～ 21.38%之間。粒徑范圍為2.0 ～ 3.0 mm 的AGS 破碎率最低 （8.40%），表明粒徑范圍為2.0 ～3.0 mm 的AGS 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最佳，這與LONG B 等[5]的研究結(jié)果一致；0.6 ～ 1.0 mm 粒徑的AGS 經(jīng)超聲后大部分被打碎成絮體，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最差；1.0 ～1.43，1.43 ～ 2.0 mm 粒徑及混合粒徑（0 ～ 3 mm）的AGS 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性相當(dāng)；0.3 ～ 0.6 mm 粒徑的AGS 所占比例過低無法獲取足夠樣品（不足5.5%），說明其在反應(yīng)器中極不穩(wěn)定。

圖2 不同粒徑AGS 的破碎率

2.2 全程曝氣下AGS 對污染物的去除效果

2.2.1 不同粒徑AGS 對COD，TP 的去除效果

不同粒徑AGS 對COD，TP 去除效果見圖3。由圖3（a）可知，AGS 處理后出水ρ（COD）在37.87 ～72.3 mg/L 之間，去除率均在87.95%以上。其中，1.43 ～ 2.0 mm 粒徑的AGS 對COD 去除效果最佳，與AN P 等[25]的研究結(jié)論相似；0.6 ～ 1.0 mm 粒徑的AGS 去除效果最差，與王維紅等[26]的研究結(jié)論相似。由圖3（b）可知，AGS 處理后出水ρ（TP）在1.56 ～2.13 mg/L 之間，去除率僅達(dá)到28.97% ～ 48.10%。其中，0.6 ～ 1.0 mm 粒徑的AGS 對TP 的去除率最高，1.0 ～ 1.43 mm 粒徑的AGS 去除率最低，其他粒徑的AGS 介于兩者之間。

圖3 全程曝氣模式下不同粒徑AGS 對COD，TP 的去除效果

2.2.2 不同粒徑AGS 的脫氮效果。

不同粒徑AGS 的脫氮效果見圖4。由圖4（a）可知，隨著粒徑由0.6 mm 增大至3.0 mm，經(jīng)AGS 處理后的出水ρ（NH4+-N）不斷增大（為3.89～18.33 mg/L），對應(yīng)的去除率則迅速降低 （為92.22% ～ 63.34%）。李志華等[27]認(rèn)為，硝化過程中各態(tài)氮的變化與顆粒粒徑及數(shù)量顯著相關(guān)，顆粒粒徑越小、數(shù)量越多，越有利于硝化反應(yīng)的進(jìn)行。由此推測小粒徑的AGS 中硝化細(xì)菌的活性更高，因而NH4+-N 去除率高。隨著粒徑不斷增大，出水NO2--N 及NO3--N 質(zhì)量濃度均呈降低趨勢，出水ρ（TIN）為24.71 ～ 31.06 mg/L，去除率在37.88% ～ 50.58%之間。相比之下，混合粒徑AGS 的硝化能力最強(qiáng)，NH4+-N 去除率為95.48%，TIN 去除率為51.65%，但NO2--N 和NO3--N 積累較明顯。由圖4（b）可知，隨著粒徑由0.6 mm 增大至3.0 mm，SND 效率不斷升高（42.75% ～ 79.86%），這與LI Y 等[28]的研究結(jié)論類似，當(dāng)粒徑大于1 mm 時(shí)，AGS 內(nèi)溶解氧的擴(kuò)散阻力明顯增大，AGS 內(nèi)同時(shí)出現(xiàn)了好氧區(qū)與厭氧區(qū)，從而使SND 作用得到加強(qiáng)，表現(xiàn)為SND 效率隨粒徑增大而升高。混合粒徑AGS的SND 效率與1.43～2.0 mm 粒徑的AGS 相當(dāng)。

圖4 全程曝氣模式下不同粒徑AGS 的脫氮效果

2.3 交替曝氣下AGS 對污染物的去除效果

2.3.1 不同粒徑AGS 對COD 和TP 的去除效果

不同粒徑AGS 對COD，TP 去除效果見圖5。由圖5（a）可知，交替曝氣模式下，隨著粒徑增大，經(jīng)AGS 處理后的出水ρ（COD）不斷減小（在234.04 ～57.14 mg/L 之間），對應(yīng)的去除率不斷提高（60.99%～ 90.48%）。相比之下，混合粒徑AGS 對COD 去除效果最佳，其去除率高達(dá)95.33%。由圖5（b）可知，隨著粒徑增大，經(jīng)AGS 處理后的出水TP 質(zhì)量濃度呈先增大后減小趨勢，對應(yīng)的去除率在16.50% ～31.33%之間?；旌狭紸GS 具有最高的TP 去除率（37.33%）。不同粒徑的AGS 具有不同的微環(huán)境，而交替曝氣創(chuàng)造了更明顯的好氧/厭氧環(huán)境，這為不同粒徑AGS 中的好氧菌、兼氧菌及厭氧菌協(xié)同共生創(chuàng)造了條件，因而混合粒徑的AGS 具有更高的COD及TP 去除率。

圖5 交替曝氣模式下AGS 對COD，TP 的去除效果

2.3.2 不同粒徑AGS 的脫氮效果

不同粒徑AGS 的脫氮效果見圖6。

圖6 交替曝氣模式下不同粒徑AGS 的脫氮效果

由圖6（a）可知，交替曝氣模式下，隨著粒徑的增大，經(jīng)AGS 處理后的出水NH4+-N 質(zhì)量濃度整體呈先增大后趨于穩(wěn)定趨勢，出水NO2--N 及NO3--N質(zhì)量濃度呈先減小后增大趨勢。其中，0.6～1.0 mm粒徑的AGS 硝化性能最好（NH4+-N 去除率為56.06%），但NO2--N 及NO3--N 積累最明顯。研究表明溶解氧的減小會使AGS 的硝化速率顯著降低[29]，同時(shí)，交替曝氣減少了好氧硝化反應(yīng)時(shí)間，因而NH4+-N 去除率隨著粒徑增大逐漸降低。各粒徑的AGS 對TIN去除效果相差不大，出水ρ（TIN）在32.39 ～ 37.76 mg/L 之間，對應(yīng)的去除率在24.48% ～ 35.23%之間。由圖6（b）可知，從同步硝化反硝化（SND）效率來看，隨著粒徑的增大，各粒徑AGS 的SND 效率呈先增大后減小趨勢，其中1.43 ～ 2.0 mm 粒徑AGS 的SND 效率最高達(dá)83.14%，其他粒徑AGS 的SND 效率在62.84% ～ 79.45%之間，與李冬等[19]的研究結(jié)論相似，說明交替曝氣模式有利于SND 的發(fā)生。

2.4 AGS 的穩(wěn)定性及污染物去除效果對比

不同粒徑的AGS 的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、去污效果及節(jié)能效果見表1。由表1 可知不同粒徑的AGS 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性相差較大，且對污染物的去除效果不同，AGS的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與去污效果之間沒有必然聯(lián)系。全程曝氣模式下，不同粒徑AGS 對COD 去除率相差不大，TP 去除率與粒徑變化之間關(guān)系不明顯，但硝化能力隨粒徑增大呈負(fù)相關(guān)，脫氮能力隨粒徑呈正相關(guān)。交替曝氣模式下，COD 去除率與粒徑呈明顯正相關(guān)，脫氮除磷能力隨粒徑變化不明顯。由于AGS的單級生物脫氮過程遵循嚴(yán)格的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)機(jī)理，即NH4+→NO2-→NO3-→NO2-→N2↑，推測在交替曝氣模式下反應(yīng)器內(nèi)出現(xiàn)貧富氧環(huán)境不利于硝化反應(yīng)的穩(wěn)定發(fā)生，故交替曝氣模式下粒徑對于NH4+-N 去除率的影響被削弱。

全程曝氣模式下AGS 對污染物的去除率整體優(yōu)于交替曝氣，但交替曝氣可以節(jié)約50%曝氣能耗。全程曝氣為不同粒徑AGS 提供了更長的好氧反應(yīng)時(shí)間，因而全程曝氣下COD 及NH4+-N 去除率更高。交替曝氣雖然創(chuàng)造了明顯的好氧-缺氧或厭氧環(huán)境，該環(huán)境下不同粒徑的AGS 的SND 率亦普遍更大，但缺氧或厭氧段內(nèi)聚磷菌和反硝化細(xì)菌會競爭有限的碳源[30]，導(dǎo)致對TIN 及TP 的去除率反而不如全程曝氣。因此，不同粒徑的AGS 均具有一定的同步脫氮除磷能力，交替曝氣并不一定會強(qiáng)化AGS 的脫氮除磷效果。

表1 不同粒徑AGS 的穩(wěn)定性及污染物去除效果對比 %

3 結(jié)論

（1）不同粒徑的AGS 具有不同的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，2.0 ～ 3.0 mm 粒徑的AGS 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最佳，0.6 ～1.0 mm 粒徑的AGS 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最差，1.0 ～ 1.43，1.43 ～ 2.0 mm 粒徑及混合粒徑的AGS 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性相當(dāng)并介于兩者之間。

（2）不同粒徑AGS 對污染物降解能力相差較強(qiáng)，尤其是脫氮除磷能力，全程曝氣模式下，AGS 對COD，NH4+-N，TIN 及TP 的去除率分別為88% ～93.67%，63.34%～95.48%，39.42%～51.56%及28.97%～48.10%；交替曝氣模式下，AGS 對COD，NH4+-N，TIN及TP 的去除率分別為61% ～ 95.33%，29.44% ～56.06%，24.48%～35.23%及16.5% ～ 37.33%。

（3）全程曝氣模式下不同粒徑的AGS 對污染物的去除率整體優(yōu)于交替曝氣，尤其是脫氮除磷效果，但交替曝氣可以節(jié)約50%曝氣能耗且有利于SND的發(fā)生。