劉思琪　胡學(xué)斌　劉小英

(1.重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院　重慶 400045；　2.武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院　武漢 430070；　3.陜西省地下水與生態(tài)環(huán)境工程研究中心　西安 710055)

?

黃水為碳源的顆粒污泥除磷機(jī)理研究*

劉思琪1胡學(xué)斌1劉小英2,3

(1.重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院重慶 400045；2.武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院武漢 430070；3.陜西省地下水與生態(tài)環(huán)境工程研究中心西安 710055)

摘要顆粒污泥作為近年來備受關(guān)注的一種生物處理技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)密實(shí)、沉降性好、生物相豐富且活性高等優(yōu)點(diǎn)。為了了解好氧顆粒污泥除磷機(jī)理，以黃水為碳源的同步脫氮除磷顆粒污泥為研究對(duì)象，研究顆粒污泥的物理特性、除磷特性，重點(diǎn)研究顆粒污泥中磷的形態(tài)及含量，同時(shí)研究不同方法對(duì)顆粒污泥胞外聚合物(EPS)的提取效果及其對(duì)磷去除的影響，揭示該顆粒污泥的除磷機(jī)理，為城市污水利用同步脫氮除磷顆粒污泥實(shí)現(xiàn)高效低耗除磷提供理論與技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞顆粒污泥除磷機(jī)理胞外聚合物

0引言

顆粒污泥具有沉降性能好、生物活性高、生物相豐富以及抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。研究表明，進(jìn)水碳源的不同會(huì)對(duì)顆粒污泥菌群類別和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致顆粒污泥的形態(tài)和生化性能不同[3-5]。研究者主要針對(duì)蔗糖、乙酸鈉、甲醇、葡萄糖和檸檬酸等常見的單一或混合碳源對(duì)顆粒污泥脫氮除磷性能的影響研究，鮮有基于工業(yè)廢水作為碳源開展研究。我國(guó)約有1.8萬家白酒企業(yè)，每生產(chǎn)1 000 kg大曲酒約會(huì)產(chǎn)生300～400 kg黃水，黃水產(chǎn)量巨大，對(duì)其處理將耗費(fèi)大量資金，而直接排放會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，因此合理開發(fā)利用黃水使其變廢為寶具有重大意義[6]。

本實(shí)驗(yàn)以黃水為碳源SBR反應(yīng)器培養(yǎng)的同步脫氮除磷顆粒污泥為研究對(duì)象，對(duì)顆粒污泥的除磷特性、聚磷能力、磷在污泥中存在形式及存在位置以及不同提取方法對(duì)顆粒污泥胞外聚合物(EPS)[7]與磷結(jié)合效能的影響進(jìn)行研究，揭示顆粒污泥的除磷機(jī)理。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)室中的SBR反應(yīng)器(見圖1)為雙層有機(jī)玻璃材質(zhì)，有效容積4 L，內(nèi)層直徑16 cm，高徑比為1.56。在內(nèi)外層之間，有一層水浴保溫層，中間的水浴為循環(huán)水，由外面的水浴桶中的加熱棒控制溫度，這樣可以保證SBR反應(yīng)器中的污泥始終處于適宜的溫度條件下。同時(shí)，反應(yīng)器的進(jìn)水、曝氣、攪拌、出水均由時(shí)間控制器來控制與調(diào)整。

圖1　SBR反應(yīng)器示意

1.2試驗(yàn)水質(zhì)

試驗(yàn)用水采用自來水人工配制，主要成分見表1。其中黃水取自武漢某酒業(yè)公司的釀造車間，黃水COD高達(dá)252 000 mg/L，含有大量蛋白質(zhì)和多糖；COD/TN和COD/TP分別為90和196，說明投加黃水作碳源，在提高污水處理廠進(jìn)水COD濃度的同時(shí)增加的N、P負(fù)荷可以忽略不計(jì)，從此角度來講黃水是一種較優(yōu)質(zhì)的碳源。

表1　人工配水組成　mg/L

1.3分析項(xiàng)目與試驗(yàn)方法

1.3.1常規(guī)指標(biāo)

1.3.2顆粒污泥除磷的反應(yīng)特性

靜態(tài)試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置見圖2，在同步脫氮除磷顆粒污泥成熟之后，從SBR反應(yīng)器中取出一定量的同步脫氮除磷顆粒污泥研究其厭氧釋磷反應(yīng)速率、好氧吸磷反應(yīng)速率、缺氧反硝化吸磷反應(yīng)速率等。將反應(yīng)溫度控制在23±2 ℃左右，調(diào)節(jié)反應(yīng)過程中的pH值在7.0～7.5之間。

圖2　靜態(tài)試驗(yàn)裝置示意

1.3.3顆粒污泥中磷的形態(tài)與含量

采用SMT法將樣品中的磷分為總磷(TP)、有機(jī)磷(OP)、無機(jī)磷(IP)、與鐵鋁結(jié)合的磷(Fe/Al-P)和與鈣結(jié)合的磷(Ca-P)，分別測(cè)定這5種磷的含量，來測(cè)得顆粒污泥中磷的形態(tài)及其含量。

1.3.4EPS的提取及組成測(cè)定分析

EPS分別采用陽離子交換樹脂取法(采用001×7型陽離子交換樹脂)、加熱提取法和超聲提取法3種方法提取后取上清液測(cè)核酸、蛋白質(zhì)、腐殖酸、總糖和磷。其中：核酸采用紫外分光光度法，蛋白質(zhì)和腐植酸采用修正的Folin-酚法，總糖采用蒽酮比色法，磷采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1顆粒污泥物理特性

如圖3，顆粒污泥粒徑約為0.5～1.0 mm，顆粒污泥外觀呈黃褐色，為近似的球形或橢圓形，邊緣較清晰，且有許多粗壯的絲狀菌分布在顆粒污泥四周,在絲狀菌上明顯粘附有一定數(shù)量的微生物，周圍的一圈蓬松狀粘稠性物質(zhì)可能是胞外聚合物粘附的多糖，內(nèi)部有孔隙以絲狀菌為骨架，孔隙內(nèi)部有大量的球菌、短桿菌生長(zhǎng)在其中。

(a)顆粒污泥顯微鏡照片(×40倍)

(b)顆粒污泥內(nèi)部

2.2污泥對(duì)磷的去除效果

試驗(yàn)期間，反應(yīng)器進(jìn)水磷濃度基本保證在14～17 mg/L；厭氧末端的磷濃度平均為13.93 mg/L；出水的磷濃度平均為5.41 mg/L，對(duì)磷的去除率分布在36.29%～70.09%之間，平均達(dá)到53.19%。進(jìn)水COD濃度基本保證在400 mg/L左右，出水COD的濃度一直保持在40 mg/L以下，出水COD含量達(dá)到了一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，去除率達(dá)91.62%。

2.3顆粒污泥除磷的反應(yīng)特性

(a)厭氧釋磷反應(yīng)速率

(b)好氧吸磷反應(yīng)速率

(c)反硝化聚磷反應(yīng)速率

如圖4(a)所示，反應(yīng)開始50 min內(nèi)厭氧釋磷迅速，由5.73 mg/L上升到6.28 mg/L，其中在40～50 min時(shí)候厭氧釋磷的速率達(dá)到最大為1.17 mg/(g·h)(以VSS計(jì))。隨后釋磷更加緩慢，150 min時(shí)釋磷已基本結(jié)束，濃度為7.56 mg/L。厭氧釋磷反應(yīng)速率緩慢，可能是溶液中COD含量不夠充足，被聚磷菌或聚糖菌等其他菌體利用，或聚磷菌只能利用黃水中部分有機(jī)物進(jìn)行釋磷和合成PHB而導(dǎo)致釋磷速率十分緩慢，且效果不好，基本上無釋磷現(xiàn)象。

如圖4(b)所示，反應(yīng)器磷初始含量為7.23 mg/L，與厭氧末端的磷濃度相近，曝氣之后，磷的濃度開始降低，在反應(yīng)進(jìn)行到30～40 min時(shí)，吸磷速率達(dá)到最大為1.29 mg/(g·h)(以VSS計(jì))。說明以黃水為單一碳源，在一定的范圍內(nèi)，因?yàn)辄S水自身的原因?qū)е聟捬醵魏铣傻腜HB也很有限，無法滿足好氧段吸磷需求，導(dǎo)致磷的去除率較低。雖然系統(tǒng)除磷能力較弱，但厭氧末端COD濃度一直在40 mg/L以下，去除能力較強(qiáng)，可能是COD會(huì)促進(jìn)其他異養(yǎng)菌的生長(zhǎng)，最終使系統(tǒng)中聚磷菌處于弱勢(shì)；可能是微生物利用細(xì)胞內(nèi)糖原作為厭氧段吸收有機(jī)物的能量來源，從而表現(xiàn)出較高的COD去除率。

2.4顆粒污泥中磷的形態(tài)及其含量

通過SMT法將樣品進(jìn)行處理后用比色法測(cè)定磷的濃度，各樣品磷的濃度結(jié)果如表2所示。反應(yīng)器中的顆粒污泥含有大量的無機(jī)磷，占總磷的比例為95.338%，在無機(jī)磷中含有Fe/Al-P和Ca-P，其中Ca-P含量占大部分，而有機(jī)磷含量很低所占比例為3.083%，在顆粒污泥中，磷主要以無機(jī)磷的形式存在。

表2　SMT法測(cè)定污泥中磷的含量

2.5顆粒污泥EPS的提取及含量測(cè)定

本試驗(yàn)采用加熱法提取顆粒污泥EPS的總量明顯多于超聲法、陽離子交換樹脂法，EPS提取總量為242.82 mg/g(以VSS計(jì))，核酸占EPS總量的比例較小為16.60%，蛋白質(zhì)含量占總量的53.25%，腐殖酸含量占總量的5.11%，糖含量占總量的25.04%，見表3。超聲法提取EPS的總量比加熱法少很多；陽離子交換樹脂法在EPS提取總量與核酸所占比例都不如加熱法。

表3　EPS測(cè)量結(jié)果

胞內(nèi)胞外磷的測(cè)量結(jié)果如表4所示，超聲法對(duì)胞內(nèi)胞外磷的測(cè)量效果較好，在本實(shí)驗(yàn)SBR反應(yīng)器中顆粒污泥中的磷有約50%分布于胞外物質(zhì)中，約40%被細(xì)胞吸收到內(nèi)部。

表4　胞內(nèi)胞外磷測(cè)量結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果說明活性污泥處理系統(tǒng)中EPS通過高價(jià)陽離子氧化物或氫氧化物結(jié)合磷酸鹽，是實(shí)現(xiàn)生物除磷的重要途徑之一，顆粒污泥除磷不僅僅是依靠胞內(nèi)物質(zhì)對(duì)磷的吸附，同時(shí)胞外物質(zhì)在磷的吸附與去除中也起到了很重要的作用。在生物除磷系統(tǒng)中，胞外物質(zhì)結(jié)合磷的能力大于細(xì)菌細(xì)胞，是生物絮體中的磷儲(chǔ)存庫(kù)，對(duì)生物除磷起著重要作用。

3結(jié)論

(1)通過靜態(tài)實(shí)驗(yàn)可以得到，顆粒污泥的最大厭氧釋磷速率、最大好氧吸磷速率和缺氧反硝化聚磷速率分別為1.17、1.29、1.41 mg/(g·h)(以VSS計(jì))。說明本實(shí)驗(yàn)中以黃水為單一碳源培養(yǎng)的顆粒污泥具有較弱的的生物除磷能力。

(2)顆粒污泥中的磷主要是以無機(jī)磷的形式存在，并且與鈣元素結(jié)合的磷占大部分，該顆粒污泥主要通過化學(xué)途徑除磷。

(3)通過加熱法、超聲法、陽離子交換樹脂法對(duì)顆粒污泥進(jìn)行EPS提取比較，得知加熱法對(duì)EPS提取效果較好。

(4)活性污泥處理系統(tǒng)中EPS通過高價(jià)陽離子氧化物或氫氧化物結(jié)合磷酸鹽，是實(shí)現(xiàn)生物除磷的重要途徑之一，顆粒污泥除磷不僅僅是依靠胞內(nèi)物質(zhì)對(duì)磷的吸附，同時(shí)胞外物質(zhì)在磷的吸附與去除中也起到了很重要的作用，在生物除磷系統(tǒng)中，胞外物質(zhì)結(jié)合磷的能力大于細(xì)菌細(xì)胞，是生物絮體中的磷儲(chǔ)存庫(kù)，對(duì)生物除磷起著重要作用。

參考文獻(xiàn)

[1]Kim I S. Characterization of aerobic granules[J].Bioresource Technology, 2008,99:18-25.

[2]劉麗,任婷婷,徐得潛，等.高強(qiáng)度好氧顆粒污泥的培養(yǎng)及特性研究[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué),2008，28(4):360-364.

[3]王迪,楊鳳林,周軍,等. 碳源對(duì)好氧顆粒污泥物理性狀及除磷性能的影響[J].中國(guó)給水排水,2007,23(5):85-89.

[4]別紅梅,王鋒,金錫標(biāo),等.碳源對(duì)反硝化顆粒污泥穩(wěn)定性的影響[J].工業(yè)水處理,2011,30(11):34-36.

[5]涂響,蘇本生,孔云華,等.城市污水培養(yǎng)好氧顆粒污泥的中試研究[J].環(huán)境科學(xué),2010(9):2118-2123.

[6]周新虎,陳翔,王永偉,等.黃水生物轉(zhuǎn)化技術(shù)研究[J].釀酒技術(shù),2011,209(11):6-9.

[7]Adav S S, Lee D J. Extraction of extracellular polymeric substances from aerobic granule with compact interior structure[J]. Journal of Hazardous Materials, 2008,154:1120-1126.

*基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(21407114)，旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目。

作者簡(jiǎn)介劉思琪，女，碩士，主要研究方向?yàn)閺U水處理理論與技術(shù)。

(收稿日期：2015-05-20)

Phosphorus Removal Mechanism of Granular Sludge with Yellow Water as Carbon Source Study

LIU Siqi1HU Xuebin1LIU Xiaoying2,3

(1.SchoolofUrbanConstructionandEnvironmentalEngineering,ChongqingUniversityChongqing400045)

AbstractGranular sludge, as a biological treatment technology concerned in recent years, has compact structure, good settling ability and perfect biological activity. In order to understand the mechanism of phosphorus removal of aerobic granular sludge which is fed by the yellow water, the physical characteristics and the phosphorus removal characteristic of granular sludge are seriously studied, especially the shape and content of phosphorus in granular sludge. Meanwhile the different extraction methods and the effects on the phosphorus removal of extracellular polymeric substances (EPS) are also studied. The phosphorus removal mechanisms of granular sludge are described, which provides theoretical and technical support for the realization of high efficiency and low consumption phosphorus removal in urban sewage using granular sludge for simultaneous removal of nitrogen and phosphorus.

Key Wordsgranular sludgephosphorus removal mechanismextracellular polymeric substances