王 震 ，柏義生，孔德芳，范 錚，劉 培

（1. 鄭州大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450002；2. 鄭州大學(xué) 環(huán)境政策規(guī)劃評價(jià)研究中心，河南 鄭州 450002；3. 鄭州大學(xué) 環(huán)境技術(shù)咨詢工程公司，河南 鄭州 450002）

好氧顆粒污泥是在特定的好氧條件下通過微生物自凝聚作用形成的顆粒狀活性污泥。與普通活性污泥相比，它具有不易發(fā)生污泥膨脹、生物量高、能承受高有機(jī)負(fù)荷等特點(diǎn)［1-3］。近年來，好氧顆粒污泥廢水處理工藝已逐步發(fā)展成為廢水處理的新型工藝，眾多研究者在好氧顆粒污泥的形成、特性以及影響因素等方面做了大量研究［4-8］。但這些研究基本是以人工配水作為處理對象，而以實(shí)際廢水培養(yǎng)好氧顆粒污泥的研究報(bào)道相對較少。

本工作以某味精廠味精生產(chǎn)廢水作為處理對象，以厭氧顆粒污泥為接種污泥，采用SBR培養(yǎng)好氧顆粒污泥，研究好氧顆粒污泥的培養(yǎng)過程，考察其對基質(zhì)的降解特性，為好氧顆粒污泥處理味精生產(chǎn)廢水的實(shí)際應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

接種污泥取自某味精廢水處理廠厭氧反應(yīng)器，污泥質(zhì)量濃度為6 000～7 000 mg/L，MLVSS/MLSS=0.75，粒徑0.5～3.0 mm。接種的厭氧顆粒污泥呈黑色，結(jié)構(gòu)緊密，形狀不規(guī)則。

實(shí)驗(yàn)用廢水為某味精廢水處理廠味精生產(chǎn)廢水，廢水水質(zhì)見表1。

表1 味精生產(chǎn)廢水水質(zhì)

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置示意見圖1。為提高味精生產(chǎn)廢水可生化性、后續(xù)脫氮效率和穩(wěn)定廢水pH，實(shí)驗(yàn)前對廢水進(jìn)行預(yù)曝氣處理。自制SBR由φ9 cm×100 cm的有機(jī)玻璃柱制成，有效容積6.32 L，排水體積為反應(yīng)器有效體積的1/2。由微電腦時(shí)控開關(guān)控制整個運(yùn)行周期中進(jìn)水、曝氣、沉淀、排水和靜置的自動運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)在室溫（25～30 ℃）下進(jìn)行，采用直流泵（流量50 L/min）從反應(yīng)器底部進(jìn)水，出水由電磁閥控制。采用空氣壓縮機(jī)連接微孔曝氣頭曝氣，使反應(yīng)器內(nèi)曝氣更加均勻，由氣體流量計(jì)控制曝氣量。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意

表2 培養(yǎng)好氧顆粒污泥的最佳運(yùn)行參數(shù)

1.3 培養(yǎng)方法

整個培養(yǎng)過程可以分為啟動階段、出現(xiàn)階段和成熟階段3個階段。在啟動階段初期，為保證反應(yīng)器內(nèi)的污泥濃度，設(shè)置較長的運(yùn)行周期和沉淀時(shí)間；隨反應(yīng)器中污泥沉降性能的改善和處理效果的增強(qiáng)，縮短運(yùn)行周期并減少沉淀時(shí)間。在出現(xiàn)階段進(jìn)一步減少沉淀時(shí)間，以促進(jìn)顆?；M(jìn)程。在成熟階段，適當(dāng)提高有機(jī)負(fù)荷。經(jīng)過近95 d的運(yùn)行和監(jiān)測，以及對運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整［9］，得到培養(yǎng)好氧顆粒污泥的最佳運(yùn)行參數(shù)，見表2。

1.4 分析方法

分析方法見表3。

表3 分析方法

2 結(jié)果與討論

2.1 顆?；^程中污泥形態(tài)的變化

不同培養(yǎng)階段污泥試樣的光學(xué)顯微鏡照片見圖2。由圖2可見：在水力剪切力作用下，厭氧顆粒污泥逐漸解體變小并留下內(nèi)核，經(jīng)過15 d的培養(yǎng)污泥顏色變淺，呈黃色，污泥形態(tài)為塊狀絮體；在出現(xiàn)階段，反應(yīng)器中的污泥不斷生長，并出現(xiàn)大量細(xì)小的好氧顆粒污泥，污泥顏色仍為黃色。該反應(yīng)器中好氧顆粒污泥的出現(xiàn)時(shí)間比Liu等［11］和Ivanov等［12］研究的好氧顆粒污泥出現(xiàn)的時(shí)間晚，可能是因?yàn)槲毒a(chǎn)廢水的成分較為復(fù)雜。運(yùn)行65 d后，顆粒污泥粒徑達(dá)0.3 mm左右，污泥顆粒化較為明顯。顆粒污泥粒徑增大的原因主要是：1）運(yùn)行周期縮短使得反應(yīng)器中微生物在內(nèi)源呼吸期中的消耗量減少［13］；2）沉淀時(shí)間減少使得反應(yīng)器中沉降性能較差的絮狀污泥排出，同時(shí)減少了反應(yīng)器中營養(yǎng)物質(zhì)的競爭；3）有機(jī)負(fù)荷提高豐富了反應(yīng)器內(nèi)的營養(yǎng)物質(zhì)，為深層微生物的生長提供了較多的碳源［12］。

圖2 不同培養(yǎng)階段污泥試樣的光學(xué)顯微鏡照片

隨著反應(yīng)器的運(yùn)行，好氧顆粒污泥的粒徑進(jìn)一步增大，顆?；黠@且反應(yīng)器中以顆粒污泥為主。培養(yǎng)95 d后，好氧顆粒污泥顏色為黃褐色，顯微鏡檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)顆粒污泥表面和周圍存在大量原生動物，如輪蟲、累枝蟲等，顆粒污泥粒徑達(dá)0.6 mm左右。

2.2 顆?；^程中污泥性能的變化

顆粒化過程中MLSS和SVI的變化見圖3。由圖3可見：反應(yīng)器中接種污泥的MLSS為6.43 g/L，SVI為59.12 mL/g；啟動階段反應(yīng)器中接種污泥逐漸解體，運(yùn)行15 d后污泥的MLSS略有降低，SVI增至96.20 mL/g；運(yùn)行20 d后，反應(yīng)器中MLSS為7.85 g/L，SVI降至67.51 mL/g，污泥沉降性能相比啟動階段有明顯提高；運(yùn)行60 d后，反應(yīng)器中MLSS升至9.11 g/L，污泥的沉降性能顯著提高；運(yùn)行95 d后，SVI穩(wěn)定在30.00 mL/g左右，MLSS達(dá)到8.00 g/L。

圖3 顆?；^程中MLSS和SVI的變化

2.3 好氧顆粒污泥對污染物的去除效果

培養(yǎng)過程中COD的去除效果見圖4。

圖4 培養(yǎng)過程中COD的去除效果

由圖4可見：運(yùn)行初期系統(tǒng)對COD的去除率有較大波動；經(jīng)過15 d的培養(yǎng)馴化，進(jìn)入出現(xiàn)階段后，系統(tǒng)對COD的去除率基本維持在80%～90%，出水COD為70～90 mg/L；成熟階段，系統(tǒng)的有機(jī)負(fù)荷由1.2 kg/（m3·d）提高至2.0 kg/（m3·d），而出水COD低于80 mg/L，去除率達(dá)到90%以上，并基本穩(wěn)定。可見好氧顆粒污泥對味精生產(chǎn)廢水中有機(jī)物具有較高的代謝活性。這主要是因?yàn)楹醚躅w粒污泥可在短時(shí)間內(nèi)迅速吸附系統(tǒng)內(nèi)有機(jī)物，并以聚合物的形態(tài)儲存于體內(nèi)，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，所吸附的有機(jī)物被微生物逐漸分解利用［14-15］。

培養(yǎng)過程中NH3-N的去除效果見圖5。由圖5可見，出水ρ（NH3-N）從初期的10 mg/L左右降至后期的2 mg/L左右，去除率也從80%左右升至95%以上，表明系統(tǒng)對NH3-N具有較好的去除效果。

圖5 培養(yǎng)過程中NH3-N的去除效果

培養(yǎng)過程中ρ（NO3--N）、ρ（NO2--N）和DO的變化見圖6。

圖6 培養(yǎng)過程中ρ（NO3--N）、ρ（NO2--N）和DO的變化

由圖6可見：NH3-N在硝化過程中產(chǎn)生的氧化產(chǎn)物基本上以NO3--N形式存在，且大量積累，濃度逐漸增加，系統(tǒng)對NH3-N基本實(shí)現(xiàn)了完全轉(zhuǎn)化，但反硝化作用效果不好。主要是因?yàn)槊摰Ч苋芙庋躏柡投群皖w粒粒徑的限制［16-17］。在本實(shí)驗(yàn)條件下，反應(yīng)器中DO較高，粒徑相對較小，顆粒污泥比表面積較大，可以較快地?cái)U(kuò)散到顆粒表面，為NH3-N的快速氧化提供充足的氧，硝化反應(yīng)進(jìn)行的較為充分；同時(shí)溶解氧向顆粒內(nèi)部擴(kuò)散，能夠提供反硝化的缺氧區(qū)域較小，反硝化作用受到了抑制，導(dǎo)致最終反硝化效果不理想。

3 結(jié)論

a）在SBR中以厭氧顆粒污泥為接種污泥，以味精生產(chǎn)廢水為進(jìn)水底物，通過運(yùn)行參數(shù)的不斷調(diào)整，最終實(shí)現(xiàn)了好氧顆粒污泥的培養(yǎng)。運(yùn)行95 d后顆粒污泥趨于成熟，粒徑可達(dá)0.6 mm，顏色為黃褐色，表面和周圍存在大量原生動物。

b）運(yùn)行95 d后MLSS由原來的6.43 g/L提高至8.00 g/L，SVI由59.12 mL/g穩(wěn)定降低至30.00 mL/g左右。成熟的好氧顆粒污泥對味精生產(chǎn)廢水具有較好的處理效果且運(yùn)行穩(wěn)定。出水COD低于80 mg/L，COD去除率達(dá)90%以上；出水ρ（NH3-N）穩(wěn)定在2 mg/L左右，NH3-N去除率達(dá)到95%以上。

［1］ De Bruin L M M，De Kreuk M K，Van Der Roest H F R，et al. Aerobic granular sludge technology，alternative for activated sludge technology［J］. Water Sci Technol，2004，49：1-9.

［2］ Liu Yu， Liu Qinshan. Causes and control of fi lamentous growth in aerobic granular sludge sequencing batch reactors［J］. Biotechnol Adv，2006，24（1）：115-127.

［3］ Zhou Jun，Yang Fenglin，Meng Fangang，et al. Comparison of membrane fouling during short-term fi ltration of aerobic granular sludge and activated sludge［J］. J Environ Sci，2007，19（11）：1281-1286.

［4］ 陳雪松，夏四清，劉貴春. SBR好氧顆粒污泥的理化性質(zhì)研究［J］. 中國給水排水，2007，23（9）：99 -102.

［5］ 張勝，孔云華，張銘川，等. 不同基質(zhì)培養(yǎng)條件下的好氧顆粒污泥特性研究［J］. 環(huán)境科學(xué)研究，2008，21（2）：136-139.

［6］ Zheng Yuming，Yu Hanqing，Sheng Guoping. Physical and chemical characteristics of granular activated sludge from a sequencing batch airlift reactor［J］. Process Biochem，2005，40：645-650.

［7］ Chen Yao，Jiang Wenju，Liang David Tee，et al.Structure and stability of aerobic granules cultivated under different shear force in sequencing batch reactors［J］.Appl Microbiol Biotechnol，2007，76：1199-1208.

［8］ 王瑛，劉雙. SBR反應(yīng)器中好氧顆粒污泥的優(yōu)化培養(yǎng)與特性研究［J］. 甘肅科學(xué)學(xué)報(bào)，2012，24（1）：40 -43.

［9］ 王惠卿，徐 穎，邵文華. 正交實(shí)驗(yàn)法優(yōu)化好氧顆粒污泥培養(yǎng)條件的研究［J］. 水資源與水工程學(xué)報(bào)，2011，22（3）：73-81.

［10］ 原國家環(huán)境保護(hù)總局《水和廢水監(jiān)測分析方法編委會》. 水和廢水監(jiān)測分析方法［M］. 4版. 北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2002.

［11］ Liu Lili，Wang Zhiping，Yao Jie，et al. Invetigation on the formation and kinetics of glucose-fed aerobic granular sludge［J］. Enzyme Microbial Technol，2005，36：712-716.

［12］ Ivanov Volodymyr，Wang Xiaohui，Tay Stephen Tiong-Lee，et al. Bioaugmentation and enhanced formation of microbial granules used in aerobic wastewater treatment［J］. Appl Microbiol Biotechnol，2006，70：374-381.

［13］ Wang Fang，Yang Fenglin，Zhang Xingwen，et al.Effects of cycle time on properties of aerobic granules in sequencing batch airlift reactors［J］. World J Microbiol Biotechnol，2005，21：1379-1384.

［14］ 白曉慧. 利用好氧顆粒污泥實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化［J］.中國給水排水，2002，18（2）：26-28.

［15］ Wang Zhiping，Liu Lili，Yao Jie，et al. Effects of extracellular polymeric substances on aerobic granulation in sequencing batch reactors［J］. Chemosphere，2006，63（10）：1728-1735.

［16］ 劉紹根，梅子鯤，謝文明，等. 處理城市污水的好氧顆粒污泥培養(yǎng)及形成過程［J］. 環(huán)境科學(xué)研究，2010，23（7）：918-923.

［17］ De Kreuk M K，Picioreanu C，Hosseini M，et al.Kinetic model of a granular sludge SBR：influences on nutrient removal［J］. Biotechnol Bioeng，2007，97（4）：801-815.