唐朝春++葉鑫++劉名

摘要：在3個間歇式活性污泥處理系統(tǒng)（SBR反應器）R1、R2、R3（進水中C/N值分別為5、10、30）內，研究不同進水C/N值條件下硝化好氧顆粒污泥的形成過程，重點探究不同C/N值對污泥顆?；^程中Zeta電位與胞外多聚物（EPS）的影響，以及各感應器內有機污染物的去除情況。結果表明，經過35 d培養(yǎng)，污泥形成顆粒，所得好氧顆粒污泥的顏色接近橙黃色。不同C/N值對所培養(yǎng)顆粒污泥的粒徑具有影響，C/N 值越小，則大顆粒越多，沉降性能越差。C/N 值的大小影響顆粒污泥蛋白質（PN）含量與多糖（PS）含量的比值，進而影響顆粒的密實性，C/N值越小則PN/PS值越小，產生的PS越多。R1、R2、R3的氨態(tài)氮去除率分別為94.9%、72.3%、43.61%，對化學需氧量的去除率分別為96%、98%、85%，對總磷的去除率可達80%～90%。

關鍵詞：好氧顆粒污泥；間歇式活性污泥處理系統(tǒng)；Zeta電位；胞外多聚物；去除率；生長特性

中圖分類號： X703文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）05-0428-03

好氧顆粒污泥是一類微生物通過自聚集形成的微生物聚集體。與普通活性污泥相比，好氧顆粒污泥具有結構密實、抗沖擊負荷強、沉降性能優(yōu)良等優(yōu)點，目前已成為排放污水處理的研究熱點[1]。采用好氧顆粒污泥處理污廢水的效果較好，是因為其內部微生物種群具有多樣性，從而具有多種代謝活性。胞外多聚物（EPS）對菌群的生長與優(yōu)勢競爭具有重要作用[2]。好氧顆粒污泥胞外聚合物（EPS）是好氧顆粒污泥的重要成分，普遍存在于顆粒表面，并使污泥形成了規(guī)則外形，從而使微生物聚集顆粒保持穩(wěn)定并進一步形成微生物聚集體[3]。Chen等在間歇式活性污泥處理系統(tǒng)（SBR）中采用含有500 mg/L苯酚的合成廢水成功培養(yǎng)出好氧顆粒污泥，并通過多色熒光原位雜交技術檢測剛接種的新鮮污泥與培養(yǎng)成熟的顆粒污泥的內部結構[4-6]。熒光染色和CLSM均表明，微生物自凝聚是顆粒污泥形成的最初步驟。聚合在一起的微生物在附著點分泌EPS，增殖使得污泥生長，最終形成顆粒污泥。通過觀測SBR運行過程中不同C/N值下培育出的好氧顆粒污泥，探究C/N值為5、10、30時污泥顆?；^程中Zeta電位的變化，以及Zeta電位與EPS的相互聯系。

1材料與方法

1.1試驗裝置

SBR反應器的每個運行周期約為4 h，根據進出水時間、曝氣時間、沉降時間均分為3個階段：第1階段，進出水時間 3 min、曝氣時間3.6 h、沉降時間15 min；第2階段，進出水時間3 min、曝氣時間3.6 h、沉降時間9 min；第3階段，進出水時間3 min、曝氣時間3.8 h、沉降時間3 min。在整個運行過程中，SBR反應器由時間繼電器自動控制，溫度由溫控儀、電熱帶共同控制在（20±1） ℃。

試驗采用自制SBR生物反應器（圖1），反應器總高 100 cm、內徑7 cm、有效容積2 L，排水口位于距反應器底部26 cm處，排水量為1 L，排水比為50%。反應器底部設有曝氣頭，由空氣泵供氣，并采用轉子流量計將曝氣量控制在 0.1～0.3 m3/h （相當于表面氣速2.17 cm/s）。人工模擬廢水裝入配水箱，由小型抽水泵抽吸并從上部進水口打入SBR反應器。排水口位于反應器中間，由電磁閥控制排水。

1.2接種污泥和進水水質

反應器接種污泥取自華東交通大學污水廠MBR反應器曝氣池內的普通絮狀污泥，接種體積為1 L，占反應器容積的1/2，接種污泥的質量濃度MLSS為2.64 g/L，SVI30=52.51 mL/g。接種污泥完全呈絮狀，無顆粒污泥。進水組分見表1，以三水乙酸鈉含量（1 700 mg/L）作為COD（800 mg/L），進水溶液微量元素取1 mL/L，投加111 mg/L CaCl2（即40 mg/L Ca2+）、406 mg/L MgSO4·7H2O（即40 mg/L Mg2+）。R1、R2、R3內的C ∶N ∶P值分別按照 100 ∶5 ∶1、100 ∶10 ∶1、100 ∶30 ∶1比例配制人工廢水。

1.3試驗設計

1.3.1污泥Zeta電位的測定分別取R1、R2、R3的SBR反應器下水位的混合液，以3 000 r/min離心5 min，棄去上清液，再加入與原溶液同體積的去離子水，混合后采用Zeta電位儀對樣品進行3次Zeta電位的平行測定，測定結果取平均值[7]。

1.3.2EPS的提取與測定EPS含量采用熱提取法測定[8]，多糖（PS）含量采用蒽酮-硫酸法測定[9]，蛋白質（PN）含量采用考馬斯亮藍法測定[10]。

2結果與分析

2.1好氧顆粒污泥的Zeta電位與EPS的變化

由圖2可知，R1、R2、R3在整個好氧顆粒培養(yǎng)過程中，微生物分泌大量的胞外多聚物（EPS），成熟顆粒污泥的EPS總含量由接種時的53.27 mg/g MLSS分別增加至312.24、282.42、337.60 mg/g MLSS，各反應器內成熟好氧顆粒污泥EPS總含量的差異不大。隨著營養(yǎng)負荷的增加，污泥胞外蛋白（PN）增長迅速，而胞外多糖（PS）含量的增幅不明顯[11]。

在進水C/N值為5的條件下，形成的顆粒污泥PN含量從24.16 mg/g MLSS明顯增加至223.61 mg/g MLSS，PS含量從接種污泥時的29.11 mg/g MLSS增加至88.63 mg/g MLSS。

運行35 d后，R2、R3中成熟好氧顆粒污泥的PS含量分別為56.72、51.72 mg/g MLSS，PN含量分別為225.70、285.88 mg/g MLSS，進水C/N值為10、30條件下形成的顆粒污泥PN含量均略高于C/N值為5時。PN是影響污泥絮凝最主要的因素，PN具有很多氨基官能團，可中和表面負性電荷，PN的表面電負性和高疏水性可促進顆粒黏附絮凝[12]。

在C/N值為5條件下形成的好氧顆粒污泥的PS含量明顯高于C/N值為10、30時，即低C/N值條件下形成的顆粒污泥的PS含量較多?？赡艿脑驗榈虲/N值條件下微生物生長過快，而細胞在對數生長期分泌的多為與細胞非緊密結合的低分子聚合物，呈疏松狀態(tài)，附著于顆粒胞外EPS的外層，屬于松散附著型EPS（LB-EPS）[13]。組成LB-EPS的物質中，PS的貢獻往往最大，由于PS具有一定的親水性，PS含量過多可能會對污泥的沉降與脫水性造成負面影響[14-15]，并影響該顆粒污泥的結構穩(wěn)定性?？梢姡虲/N值會產生過多的PS，不利于好氧顆粒污泥的沉降及其結構穩(wěn)定性。

在整個培養(yǎng)過程中，隨著顆?；潭鹊奶岣吆臀勰嘈阅艿母纳?，3個反應器中污泥表面的Zeta電位均隨PN含量的升高而逐漸降低。開始接種污泥時的Zeta電位為 -28.79 mV；運行16 d后，R1、R2、R3中污泥表面的Zeta電位分別降至-20.99、-21.11、-18.24 mV；培養(yǎng)35 d后，分別降至-17.24、-14.31、-15.86 mV，均具有較好的凝聚特性。Zeta電位的變化過程具有相似性。

由圖2可知，污泥的PN/PS值與Zeta電位均呈正相關性，即EPS中PN/PS值越大，則污泥的Zeta電位越低，越有利于污泥的凝聚。R1、R2、R3中的相關系數分別為0.6642、

0.903 5、0.849 2，表明污泥的Zeta電位與PN/PS值密切相關，且R2中的相關度高于R1、R3，R1中的相關度最小。PN/PS值的升高有助于污泥的絮凝沉降，這可能是PN疏水區(qū)與PS親水區(qū)共同作用的結果。提高PN/PS值有助于減弱細菌與水分子之間的結合，并促進細菌之間形成菌膠團[16-17]。

本試驗R1、R2、R3中的PN/PS值分別由0.83增至 2.52、3.98、5.53。其中，R1中成熟好氧顆粒污泥的PN/PS值最小，顆粒粒徑卻以大的居多；R3中污泥的PN/PS值最大，小粒徑顆粒多于R1、R2。低C/N值條件下，PN/PS值小則微生物代謝產生的PS較多，而具有凝膠特性的PS可促使污泥快速絮凝形成顆粒，且PS含量越多則形成的顆粒越大，松散型胞外多聚物含量越多，污泥沉降性能越差。高C/N值條件下，PN/PS值越大則PN含量越高，污泥疏水性越大，Zeta電位小，污泥之間的排斥力變小，從而促進污泥的凝聚。如果C/N值過大則PN/PS值過大，具有疏水性的PN易使反應器內產生小粒徑的顆粒污泥。

2.2好氧顆粒污泥對模擬廢水（COD/NH4+-N/TP）的處理情況

在好氧顆粒污泥的培養(yǎng)中，反應器運行過程對污染物的去除情況見圖3。

初始反應器的接種污泥取自膜生物反應器，因此培養(yǎng)前期為污泥馴化過程。為保證污泥的正常生長，初始進水COD質量濃度為200 mg/L，隨后逐漸提高反應器進水COD質量濃度，由200 mg/L遞增至800 mg/L并穩(wěn)定在此。培養(yǎng)35 d后，R1、R2反應器中COD的去除率基本維持在95%，與剛接種時污泥對COD的去除率相近；R3反應器內污泥對COD的去除率則由97.0%降至85.3%。由圖3可知，不同C/N值條件下形成的顆粒污泥對總磷TP去除效果的影響差異不大，去除率可達80%～90%。C/N值越高，形成的顆粒污泥對氨態(tài)氮的去除率越低，R1、R2、R3的氨態(tài)氮去除率分別為949%、72.3%、43.61%。在C/N=5、10的反應器內，顆粒污泥對COD具有較好的去除效果，去除率分別為96%、98%；C/N=30條件下形成的顆粒污泥對COD的去除率有所降低，僅為85%（圖3）。

觀察培養(yǎng)過程中各反應器內污泥對污染物的去除趨勢，COD、氨態(tài)氮、TP等污染物的去除率在初期劇烈下降，這是培養(yǎng)初期水力選擇壓的作用。沉降性能差的污泥被排出反應器，導致MLSS急劇下降，對污染物的去除率造成一定影響。隨著后期污泥濃度的增加，污泥對各污染物的去除率穩(wěn)步上升。培養(yǎng)16 d后，顆粒污泥處于穩(wěn)定運行階段，對污染物的去除能力趨于穩(wěn)定（圖3）。

培養(yǎng)后期的顆粒污泥對TP的去除效果較好，主要原因是顆粒污泥隨著培養(yǎng)時間的延長逐漸成熟，粒徑增大，內部富集越來越多的聚磷菌，且顆粒結構外部好氧、內部缺氧的氧環(huán)境有利于聚磷菌對磷過量攝取與釋放，從而達到更好的除磷效果，TP的去除率也隨之升高。

3結論

C/N值的大小會影響顆粒污泥的PS含量與PN/PS值。C/N值越大則PN/PS值越大，污泥的絮凝沉降性能越好；C/N值越小則PN/PS值越小，產生的PS越多，但具有凝膠特性的PS有助于污泥凝聚，且過多PS易增加松散型EPS的含量，促使大量大顆粒污泥的產生。可見，低C/N值條件可促進污泥凝聚成顆粒，卻不利于顆粒污泥的沉降。

不同C/N值條件下形成的顆粒污泥對TP去除效果的影響差異不大，去除率可達80%～90%。C/N值越高，形成的顆粒污泥對氨態(tài)氮的去除率越低，R1、R2、R3的氨態(tài)氮去除率分別為94.9%、72.3%、43.61%。在C/N=5、10的反應器內，顆粒污泥對COD具有較好的去除效果，去除率分別為96%、98%；C/N=30條件下形成的顆粒污泥對COD的去除率有所降低，僅為85%。

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