碳源種類及含量對誘發(fā)SBR反應器污泥膨脹的影響

丁梓倩，費學寧，邢燕軍，焦秀梅

（1.天津城建大學環(huán)境與市政工程學院，天津 300384；2.天津城建大學理學院，天津 300384）

活性污泥膨脹現象是污水生物處理系統(tǒng)穩(wěn)定運行面臨的一大難題，污泥膨脹會造成二沉池固液分離困難、出水水質惡化，嚴重時導致整體生物處理系統(tǒng)的崩潰.污泥膨脹發(fā)生的機理和影響因素受到國內外研究人員的廣泛關注，了解污泥膨脹發(fā)生和發(fā)展的規(guī)律是對其進行有效控制的重要依據.目前學者對溫度[1-4]以及DO[5-6]和碳、氮、磷含量比例[7-8]等對污泥膨脹的影響做了相關研究.王慕華[9]和楊敏等[10]通過實際污水廠研究和實驗室模擬相結合，研究了油酸對污泥膨脹的影響.楊雄等[11]研究了不同碳源對污泥沉降性能的影響，研究發(fā)現乙酸鈉和葡萄糖易引發(fā)絲狀菌的污泥膨脹，而淀粉能抑制污泥膨脹.但是，在該研究中沒有考慮水質中碳源含量對污泥膨脹的影響，而這是對更深入地了解碳源變化對污泥膨脹影響值得關注的問題.

本實驗分為2個階段運行SBR反應器：第1階段研究了生活污水和模擬配水（以吐溫80和葡萄糖為碳源）對污泥膨脹的影響，采用三維熒光分析來檢測生活污水中碳源有機物種類和組分比例后，結合上述文獻和前期實驗結果，本實驗從碳源種類和含量上優(yōu)化配水方案；在第2階段中SBR1反應器為生活污水，SBR2和SBR3反應器都以葡萄糖、蛋白胨、尿素、腐植酸和十二烷基苯磺酸鈉為碳源，SBR2反應器采用的碳源含量隨著生活污水同步變化，為動態(tài)優(yōu)化模擬配水，SBR3反應器采用的碳源含量取生活污水的平均值，為固定優(yōu)化模擬配水.以生活污水和2種優(yōu)化模擬配水為進水，分析反應器的沉降性能和水質指標變化，進一步深入研究碳源組分和含量對于污泥膨脹狀態(tài)調控的影響.

1 材料與方法

1.1 試驗裝置及運行方式

試驗裝置采用有機玻璃制成的SBR小試裝置進行試驗，SBR反應器試驗裝置如圖1所示.

圖1 SBR反應器示意圖

小試裝置SBR反應器有效容積為3.5 L，反應器兩側設有進水口、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，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.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，溶解氧控制在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)境溫度采用空調控制，控制在14～16℃.

1.2 試驗水質及接種污泥

第1階段實驗反應器進水采用生活污水和模擬生活污水，其中SBR1反應器采用以吐溫80和葡萄糖為碳源的模擬配水（見表1），SBR2反應器的進水為生活污水.第2階段中對生活污水進行三維熒光分析后檢測出類色氨酸、類蛋白質和類腐殖酸含量變化幅度較大，為了更好地模擬生活污水中的水質成分，實驗反應器進水采用生活污水和優(yōu)化模擬配水.SBR1反應器的進水為生活污水，SBR2和SBR3反應器的進水中以葡萄糖、蛋白胨、尿素、腐植酸和十二烷基苯磺酸鈉為碳源，其中SBR2反應器采用動態(tài)優(yōu)化模擬配水，碳源含量隨著生活污水的COD含量而同步變化，在第1階段中測出的生活污水COD值的平均值作為SBR3反應器的進水碳源含量，稱為固定優(yōu)化模擬配水.其中生活污水的NH4+-N質量濃度為30-69 mg/L，TN質量濃度為36-80 mg/L，TP質量濃度為2.5-5.2 mg/L，COD質量濃度為85-330 mg/L.模擬配水見表1、表2.接種污泥為天津市某污水處理廠二沉池污泥，將污泥限于反應器采用小試裝置，控制混合液懸浮固體質量濃度為3 000 mg/L左右.第1階段：初始種泥混合液懸浮固體質量濃度為5 062 mg/L，限于反應器采用小試裝置，初始測得SBR1（模擬生活污水）和SBR2（生活污水）的混合液懸浮固體質量濃度分別為3 156 mg/L和3 313 mg/L，污泥容積指數SVI值為151 mL/g.第2階段：3個反應器分別為SBR1反應器（生活污水）、SBR2反應器（動態(tài)優(yōu)化模擬配水）和SBR3反應器（固定優(yōu)化模擬配水），3個反應器初始污泥質量濃度分別為：3 289 mg/L、3 213 mg/L，3 265 mg/L，SVI為141 mL/g.

表1 第1階段配水方案

表2 第2階段配水方案

1.3 試驗指標及分析方法

NH4+-N、NO3--N、NO2--N、TN、TP、COD和SVI等均按照國家環(huán)保部規(guī)定的標準方法《水質和廢水監(jiān)測分析方法》（第四版）進行分析測定[12]，蛋白質和類色氨酸采用Folin-酚法，總糖用蒽酮比色法，腐殖酸用紫外分光光度法，堿度用酸堿指示劑滴定法，陰離子洗滌劑用亞甲藍分光光度法.

生活污水中含有大量熒光物質，比如蛋白質類、油脂、腐植酸類、陰離子表面活性劑[13]，傳統(tǒng)有機物含量無法對有機物的成份進行表征，三維熒光可以檢測出這些物質的熒光光譜[14]，三維熒光光譜技術能夠利用熒光物質完整的熒光光譜信息計算出物質的相對含量[15].

水樣在測量之前均需進行離心處理，排除固體雜質對熒光分析的結果的影響，以超純水作為空白.利用Hitachi F-7000熒光光譜儀[16]對水樣進行三維熒光光譜掃描，掃描結果利用MATLAB 2008a軟件以平行因子分析法[17]進行數據處理，該法以三線性組分理論為基礎，利用交替最小二乘法原理對三維熒光光譜數據矩陣進行分解計算[18].

2 結果與討論

2.1 第1階段試驗

2.1.1 反應器沉降性能的分析

為了研究2個反應器的絲狀菌豐度，對不同時期的泥樣進行革蘭氏鏡檢，2個反應器的革蘭氏染色鏡檢圖如圖2所示.從圖2中可看出，SBR2反應器有大量的絲狀菌產生，而SBR1反應器的污泥狀態(tài)良好.

圖2 反應器革蘭氏染色鏡檢圖

反應器所用初始種泥混合液懸浮固體質量濃度為5 062 mg/L，限于反應器采用小試裝置，控制混合液懸浮固體質量濃度為3 000 mg/L左右，初始測得SBR1和SBR2的混合液懸浮固體質量濃度分別為3 156 mg/L和3 313 mg/L，污泥容積指數SVI值分別為149.87 mL/g和150.92 mL/g.圖3為反應器運行期間SVI的變化.由圖3可見，0～20 d，隨著反應器的運行，SBR2反應器的SVI值一直處于上升階段，活性污泥處于污泥膨脹狀態(tài)，絲狀菌數量明顯增多；20～46 d，SBR2反應器SVI值穩(wěn)定在250 mL/g左右，此時絲狀菌豐度已經達到最大值，絲狀菌游離在菌膠團外，如圖2b.在運行第46 d，SVI值突然下降，這是由于SBR2反應器排泥，引發(fā)活性污泥穩(wěn)定系統(tǒng)遭到碰壞，之后SVI穩(wěn)定在200 mL/g左右，SBR2趨于穩(wěn)定運行.造成2個反應器SVI差異的原因可能是SBR1反應器的生長條件不適宜絲狀菌生長，而絲狀菌是引起污泥膨脹的主要原因.SBR1反應器在初始運行處于適應階段，之后SVI值逐漸下降，絲狀菌數量逐漸減少，最終SVI值最終穩(wěn)定在60 mL/g左右，此時反應器處于穩(wěn)步運行階段，SBR1反應器絲狀菌數量很少，只是偶爾有少許數量的絲狀菌游離在菌膠團外，如圖2a.

圖3 反應器SVI值變化曲線

2.1.2 反應器水質指標特性的分析

根據所測的2個反應器的COD、氨氮、總磷的數值，對應的去除率的變化情況如圖4—6所示.

由圖4—6得知，從整個運行過程觀察，在起始運行階段，氨氮和總磷的去除率波動很大，這是由于活性污泥處于適應馴化階段，反應器運行20 d以后，反應器運行狀態(tài)逐步趨于穩(wěn)定，反應器運行穩(wěn)定后，SBR1和SBR2反應器總磷和COD的去除率均能達到90%左右，此時SBR1氨氮去除率達到85%左右，絲狀菌數量減少，活性污泥處于正常絮凝狀態(tài)，泥水分離正常，污泥沉降性能良好，反應器處于正常穩(wěn)定運行狀態(tài).SBR2反應器在運行初，氨氮去除效果波動很大，在20 d之后SBR2反應器穩(wěn)定運行，此時氨氮的去除率穩(wěn)定在30%左右，這是由于SBR2反應器處于絲狀菌污泥膨脹狀態(tài)，絲狀菌為優(yōu)勢菌種，絲狀菌的絲能夠輕易延伸到絮體外部，與硝化細菌形成競爭，致使氨氮去除率變低.

圖4 反應器COD去除率

圖5 反應器氨氮去除率

圖6 反應器總磷去除率

以上分析表明，第1階段SBR1反應器以吐溫80和葡萄糖為碳源的模擬配水相比于以生活污水為進水的SBR2反應器，并未達到污泥膨脹狀態(tài).

2.2 第2階段試驗

2.2.1 反應器沉降性能的分析

根據所測的3個反應器的SVI值，對應的趨勢圖如7所示.

3個反應器分別為SBR1反應器（生活污水），SBR2（動態(tài)優(yōu)化模擬配水）和SBR3（固定優(yōu)化模擬配水），反應器初始污泥質量濃度分別為：3 289 mg/L、3 213 mg/L和3 265 mg/L，SVI為141 mL/g.如圖7所示，SBR1反應器在運行2 d之后污泥開始膨脹，SVI由141 mL/g變?yōu)?58 mL/g，之后一段時間一直保持污泥膨脹狀態(tài)，活性污泥發(fā)生了絲狀菌污泥膨脹，運行至第30 d左右時，反應器SVI值處于下降階段，污水井處的各類營養(yǎng)物質濃度降低，致使反應器活性污泥處于饑餓狀態(tài)，SVI值隨著水質濃度恢復正常，逐漸升高，又恢復至污泥絲狀膨脹狀態(tài).

圖7 反應器SVI值變化曲線

SBR2和SBR3這2個反應器在運行至第18 d時SVI開始出現差距，此時SBR2反應器SVI為160 mL/g，發(fā)生污泥膨脹，SBR3反應器SVI為122 mL/g，未發(fā)生污泥膨脹.SBR2污泥膨脹一直維持至30 d左右，SBR3在反應器運行42 d之后發(fā)生膨脹，維持天數只有8 d左右.在SBR2反應器污泥膨脹期間，進水中的蛋白質和類色氨酸物質漸漸升高，活性污泥對蛋白質和類色氨酸的吸收隨著污泥膨脹的而增加，Dunkel等[20]研究進水中LCFA含量對微絲菌生長的影響，結果表明微絲菌豐度和總LCFA含量之間呈顯著相關性.這是由于當反應器處于膨脹狀態(tài)，絲狀菌生長的影響隨著碳鏈的不飽和程度的增加而增加，說明蛋白質含量的增加對SBR2和SBR3反應器膨脹狀態(tài)變化有一定的貢獻行為.反應器總共運行84 d，SBR2反應器膨脹天數24 d，SBR3膨脹8 d.圖8所示為3個反應器革蘭氏染色鏡檢圖.從圖8可以看出，SBR2反應器絲狀菌較多，發(fā)生絲狀膨脹，SBR3反應器絲狀菌很少.綜合SVI值和鏡檢結果，碳源含量隨著生活污水的COD值變化的SBR2反應器比碳源含量取生活污水平均值的SBR3反應器更早的發(fā)生污泥膨脹，且維持時間更長.這說明動態(tài)優(yōu)化模擬配水方案相對固定優(yōu)化模擬配水方案更加有利于絲狀菌的生長，使污泥更加容易發(fā)生膨脹.綜上結果，由蛋白質、類色氨酸，腐殖酸和陰離子表面活性劑組成的碳源對污泥膨脹的影響不僅和組分有關，它們之間的比例和含量也發(fā)揮著重要的作用.

圖8 3個反應器革蘭氏染色鏡檢圖

2.2.2 反應器水質指標的分析

通過檢測3個反應器的氨氮和COD的指標，對氨氮和COD去除率的趨勢如圖9、圖10所示.

通過對圖9 SBR1、SBR2和SBR3 3個反應器對比分析，SBR1、SBR2和SBR3的氨氮去除率基本都能達到90%以上，SBR1和SBR2在基本穩(wěn)定時會出現突然波谷，這是由于反應器進水突然發(fā)生變化，即進水氨氮質量濃度突然由穩(wěn)定時的40～50 mg/L變?yōu)?0～100 mg/L，進水氨氮突然增大所導致.由圖10可見，三個反應器COD的去除率均能達到80%左右，出水COD濃度均能達到國家污水排放標準（GB8978—1996）一級B標準.2階段實驗結果表明，2種配水方案氨氮和COD去除率都比較高，可以達到國家污水排放標準（GB8978-1996）一級B標準.

圖9 反應器氨氮去除率

圖10 反應器COD去除率

整個實驗結果表明，優(yōu)化配水方案更有利于污泥膨脹，其中動態(tài)模擬配水的反應器膨脹起始時間最早且膨脹持續(xù)時間更長.

3 結論

（1）2個階段運行結果表明，反應器在14～16℃運行條件下，以生活污水為碳源容易引發(fā)污泥膨脹.

（2）在第1階段中，對比以生活污水為進水的反應器，以吐溫80和葡萄糖為碳源的進水并未使反應器發(fā)生污泥膨脹.

（3）在第2階段中，通過對比2種配水方案對反應器水質指標特性和沉降性能的影響，以葡萄糖、蛋白胨、尿素、腐植酸和十二烷基苯磺酸鈉為碳源，且碳源含量隨生活污水同步變化的SBR反應器發(fā)生了污泥膨脹，膨脹時間更早，維持時間更長.該配水方案更易促進污泥膨脹，為后續(xù)模擬污水探索活性污泥絲狀膨脹規(guī)律提供參考.