同步硝化反硝化好氧顆粒污泥的快速培養(yǎng)研究

王 帆

（山西云鼎環(huán)境工程有限公司，山西 太原 030001）

0 引言

好氧顆粒污泥自20 世紀(jì)90 年代初在SBR 反應(yīng)器內(nèi)被發(fā)現(xiàn)以來，因其具有致密的結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的沉降性能、多樣化微生物菌群富集共存與協(xié)同耦合等特征，已成為廢水生物處理領(lǐng)域的研究熱點之一[1]。本文通過建立SBR 反應(yīng)器，對采用生物質(zhì)炭作為晶核培養(yǎng)同步硝化反硝化好氧顆粒污泥進(jìn)研究。

1 試驗部分

1.1 試驗材料與儀器

試驗材料：CH3COONa、NH4Cl、KH2PO4、FeSO4、MgSO4、CaCl2均來自國藥集團(tuán)上?；瘜W(xué)試劑公司。

試驗儀器：序批式反應(yīng)器（SBR）2 個，揚州博依特環(huán)?？萍脊荆籏SXB-1102 型高溫管式爐，漢州卓弛儀器公司；污水COD 快速測定儀，江蘇盛奧華環(huán)?？萍脊?；PHB-4 型便攜式pH 計，河南兄弟儀器設(shè)備公司；光學(xué)顯微鏡，西班牙Levenhuk 公司；UV-1900i型紫外可見分光光度計，日本島津公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 實驗裝置與流程

SBR 直徑為90 mm，高度900 mm，有效容積為4 L，系統(tǒng)采用時間控制器進(jìn)行自動化控制。每個周期設(shè)置為6 h，每天可運行4 個周期；在每個周期內(nèi)的時間分布：進(jìn)水20 min，曝氣290 min，沉淀30 min，出水和閑置20 min；啟動蠕動泵往SBR 底部進(jìn)水，等待水位達(dá)到預(yù)定位置啟動曝氣泵進(jìn)行底部曝氣，氣體流量為2.0 L/min。周期結(jié)束時，SBR 內(nèi)溶解氧（DO）濃度在5.5 mg/L 以上。在1#SBR 中投加顆粒生物質(zhì)炭，2#SBR 不投加顆粒生物質(zhì)炭（對照）。

1.2.2 試驗用水與接種污泥

SBR 試驗用于采用人工配制模擬廢水，在純凈水中加入 CH3COONa、NH4Cl、KH2PO4、FeSO4、MgSO4、CaCl2等物質(zhì)進(jìn)行配制，進(jìn)水水質(zhì)COD 控制在960～1 000 mg/L，氨氮濃度控制在150 mg/L，總磷濃度控制在10 mg/L。SBR 接種污泥來自太原市晉陽污水處理廠二沉池絮狀污泥，污泥體積指數(shù)SVI 為110 mL/g，污泥質(zhì)量濃度為3 500 mg/L。

1.2.3 分析方法

采用分光光度法測定NH4+-N、NO3--N、NO2--N濃度；污水COD 快速測定儀測定COD 值；pH 計直接測定pH 值；使用光學(xué)顯微鏡和數(shù)碼照相機(jī)觀察和記錄污泥形態(tài)變化[2]。

1.2.4 胞外聚合物的提取與測定

熱提取法提取污泥胞外聚合物（EPS），EPS 中的多糖（PS）采用苯酚-硫酸法測定，蛋自質(zhì)（PN）采用修正的Lowry 法測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 好氧顆粒污泥的形成

2.1.1 好氧顆粒污泥外觀形態(tài)變化

在好氧顆粒污泥形成過程中，采用光學(xué)顯微鏡對好氧顆粒污泥的形態(tài)變化進(jìn)行實時跟蹤觀察。實驗結(jié)果表明：SBR 運行至12 d 時，1# 實驗SBR 中褐色污泥呈微細(xì)化，生成有小部分不規(guī)則污泥聚集體；2#對照SBR 中無不規(guī)則污泥聚集體出現(xiàn)。SBR 運行至22 d 時，1#實驗SBR 中出現(xiàn)大量顆粒污泥；2# 對照SBR 中才出現(xiàn)小部分不規(guī)則污泥聚集體。后期SBR的繼續(xù)運行，兩個SBR 內(nèi)顆粒污泥繼續(xù)保持生長，顆粒污泥的粒徑不斷增大，顆粒污泥的數(shù)據(jù)不斷增加。1#實驗SBR 運行至50 d 時顆粒污泥數(shù)量約占90%，顆粒污泥粒徑約為1～3 mm，顆粒污泥結(jié)構(gòu)致密且表面光滑圓潤，可明顯觀察到顆粒污泥中的生物質(zhì)炭晶核。2#對照SBR 運行至50 d 時顆粒污泥數(shù)量約占80%，顆粒污泥粒徑約為2～4 mm，顆粒污泥結(jié)構(gòu)相對松散、不穩(wěn)定、易解體。

在實驗中添加一定量的生物質(zhì)炭，可有效促進(jìn)好氧顆粒污泥的培養(yǎng)，縮短其培養(yǎng)時間，同時形成的好氧顆粒污泥致密穩(wěn)定[3]。

2.1.2 污泥沉降性能變化

對1#實驗SBR 和2#對照SBR 內(nèi)污泥濃度和污泥體積指數(shù)（SVI）進(jìn)行考察研究，結(jié)果如下。

1#實驗SBR 和2#對照SBR 內(nèi)污泥濃度均表現(xiàn)為下降趨勢，污泥體積指數(shù)均表現(xiàn)為先增大后下降趨勢。反應(yīng)器運行初期，1# 和2# 反應(yīng)器的污泥體積指數(shù)分別從112.09、111.18 mL/g 增大至130.15、133.28 mL/g；在該時間內(nèi)1#和2#反應(yīng)器的污泥質(zhì)量濃度分別從3 447、3 533 mg/L 增大至2 411、2 437 mg/L。反應(yīng)器從1 d 運行至50 d 期間內(nèi)，1#和2#反應(yīng)器的污泥體積指數(shù)從增大值分別降低至55.47、68.22 mL/g；在該時間段內(nèi)1#實驗SBR 污泥質(zhì)量濃度表現(xiàn)為緩慢的增大趨勢，2#對照SBRSBR 污泥質(zhì)量濃度表現(xiàn)為緩慢的下降趨勢。

在反應(yīng)器內(nèi)，初期運行時期過高水力剪切力會影響到絮狀污泥的沉降性能，沉降性能差的污泥被洗脫出反應(yīng)器。當(dāng)污泥體積指數(shù)在100.00 mL/g 以下時有利于好氧顆粒污泥的形成。從1#實驗SBR 與2#對照SBR 的對比數(shù)據(jù)可知，投加了生物質(zhì)炭的1#實驗SBR 污泥質(zhì)量濃度以及沉降性能始終優(yōu)于未投加生物質(zhì)炭的2#對照SBR，生物質(zhì)炭的存在可以有效保留反應(yīng)器中的污泥數(shù)量，將反應(yīng)器內(nèi)微生物水平維持在良好狀態(tài)，更加有利于好氧顆粒污泥的形成。

2.1.3 EPS 中PS 和PN 的變化

對1#實驗SBR 和2#對照SBR 內(nèi)污泥胞外聚合物（EPS）中的主要成分PS 和PN 情況進(jìn)行考察研究。結(jié)果表明：反應(yīng)器從1 d 運行至50 d 過程中，1#實驗SBR 和2# 對照SBR 內(nèi)PS、PN 含量均表現(xiàn)為快速增長趨勢，1#SBR 和2#SBR 內(nèi)PS 含量分別從5.80、5.52 mg/L 增大至41.96、24.59 mg/L，PN 含量分別從接種污泥的31.59、31.02 mg/L增大至260.47、207.43 mg/L。在SBR 內(nèi)投加生物質(zhì)炭可有效促進(jìn)反應(yīng)器內(nèi)污泥EPS 的分泌，進(jìn)而促進(jìn)好氧顆粒污泥的形成。

2.2 好氧顆粒污泥形成過程中水處理性能

2.2.1 造粒過程中反應(yīng)器對污染物的去除效果

在好氧顆粒污泥形成過程中，對兩個反應(yīng)器內(nèi)COD 及各氮類指標(biāo)去除效率進(jìn)行定期測定，測定結(jié)果分析如下。

運行初期，1#和2#SBR 出水COD均降低至80mg/L左右，COD 去除率分別為98.11%、95.20%；運行到10～15 d 時間內(nèi)，1# 和2#SBR 出水COD 均升高至180 mg/L 左右，COD 去除率大幅度降低，原因為該階段污泥流失導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)微生物量減少；運行至20 d后，1# 和2#SBR 出水COD 均降低至20 mg/L 左右，COD 去除率提高至98.50%左右，該階段盡管污泥濃度下降，但是伴隨有好氧顆粒污泥形成。在1# 和2#SBR 內(nèi)，兩者COD 去除率無顯明差別，SBR 中加入生物質(zhì)炭對COD 的去除率基本無影響。

運行在1～5 d 時間內(nèi)，1# 和2#SBR 內(nèi)NH4+-N濃度呈現(xiàn)大幅度下降，NH4+-N 去除率最高達(dá)99%，去除效果理想，該階段內(nèi)反應(yīng)器發(fā)生有硝化反應(yīng)，生成有一定量的NO3--N 和NO2--N；運行在5～25 d 時間內(nèi)，1#和2#SBR 內(nèi)NH4+-N 濃度呈現(xiàn)大幅度上升，兩反應(yīng)器內(nèi)NH4+-N 質(zhì)量濃度分別高達(dá)121.5、146.5 mg/L，兩反應(yīng)器內(nèi)NO3--N 和NO2--N 量也在降低，硝化作用減弱，主要原因為反應(yīng)器污泥沉降性惡化、硝化細(xì)菌流失；運行在25～50 d 時間內(nèi)，該階段NH4+-N 進(jìn)水質(zhì)量濃度從之前的210 mg/L 降低至60 mg/L，1#SBR、2#SBR 內(nèi)NH4+-N 濃度去除率分別最高為71.5%、64.8%，該階段內(nèi)出水無NO3--N 和NO2--N 存在，該階段內(nèi)存在大量好氧顆粒污泥，反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生有同步硝化反硝化；運行在1～50 d 時間內(nèi)，1#SBR、2#SBR內(nèi)TN 的去除情況基本與NH4+-N 去除量情況一致。

2.2.2 周期內(nèi)各污染物濃度的變化

對1#SBR、2#SBR 一個周期內(nèi)的水質(zhì)指標(biāo)變化進(jìn)行檢測，結(jié)果表明：運行2 h 后1#SBR 中出水COD 濃度降低至100 mg/L 左右，2#SBR 在運行3 h 后出水COD 值降低至100 mg/L 左右，在SBR 添加生物質(zhì)炭作為晶核培養(yǎng)顆粒污泥可加速降解COD；在反應(yīng)器一個周期內(nèi)，NH4+-N 和TN 的降解量及降解速度基本保持一致；在一個運行周期內(nèi)未檢測到NO3--N 和NO2--N，原因為在反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生了同步硝化反硝化；1#SBR、2#SBR 內(nèi)TN去除率分別最高為71.5%、64.8%。

3 結(jié)論

1#SBR 和2#SBR 均可培養(yǎng)出好氧顆粒污泥，投加了生物質(zhì)炭的1#SBR 好氧顆粒污泥形成速度更快、結(jié)構(gòu)致密穩(wěn)定；好氧顆粒污泥培養(yǎng)過程中，兩反應(yīng)器內(nèi)污泥沉降性能不斷優(yōu)化，SVI 均可至70 mL/g 以下；兩反應(yīng)器內(nèi)EPS 含量均表現(xiàn)為急劇上升，投加生物質(zhì)炭的1#SBR 內(nèi)EPS 上升幅度更大，生物質(zhì)炭可有效促進(jìn)反應(yīng)器內(nèi)污泥EPS 含量的分泌；在造粒過程中1#SBR 和2#SBR 對COD 去除率均能達(dá)到95%以上，生物質(zhì)炭的加入對COD 去除率基本無影響；一個周期內(nèi)兩反應(yīng)器NH4+-N 和TN 降解量及降解速度基本保持一致，在一個運行周期內(nèi)未檢測到NO3--N和NO2--N，表明反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生了同步硝化反硝化。