宋志偉，　王　晶，　李　婷，　易宏云，　陳丹鳳

(黑龍江科技大學 環(huán)境與化工學院， 哈爾濱 150022)

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好氧顆粒污泥對有機物吸附性能的影響因素

宋志偉，王晶，李婷，易宏云，陳丹鳳

(黑龍江科技大學 環(huán)境與化工學院， 哈爾濱 150022)

為了尋找好氧顆粒污泥系統(tǒng)最佳運行參數(shù)，為好氧顆粒污泥在實際廢水中的應(yīng)用提供理論依據(jù)，在實驗室條件下，采用靜態(tài)吸附方式，從環(huán)境條件、污水特性及好氧顆粒污泥特性三方面探討了好氧顆粒污泥吸附有機污染物的影響因素及影響程度。結(jié)果表明：靜態(tài)吸附時間為24 h、pH為7.0～9.0、溫度為25～35 ℃、攪拌強度為150 r/min、廢水質(zhì)量濃度為1 500 mg/L、污泥粒徑為0.3～1.0 mm、污泥質(zhì)量濃度為3 000 mg/L、EPS含量>195.08 mg/gVSS時，好氧顆粒污泥對有機污染物的吸附性能最優(yōu)。

好氧顆粒污泥； 有機污染物； 吸附； 影響因素

0　引　言

好氧顆粒污泥因其處理效率高、沉降性能好、抵抗有毒有害物質(zhì)等諸多優(yōu)點[1]，成為眾多學者的研究熱點。好氧顆粒污泥對污染物的降解過程主要為吸附和微生物的生物降解，研究表明，因內(nèi)部具有多孔的結(jié)構(gòu)[2]，好氧顆粒污泥能吸附多種重金屬離子和染料等毒性物質(zhì)，同時研究了吸附過程的影響因素及其影響程度[3-4]。但關(guān)于好氧顆粒污泥吸附廢水中有機污染物的影響研究卻鮮見報道。對好氧顆粒污泥吸附有機污染物過程的影響因素及影響程度的研究，將有助于好氧顆粒污泥系統(tǒng)操作參數(shù)的優(yōu)化，對促進好氧顆粒污泥處理系統(tǒng)在實際廢水中的推廣應(yīng)用具有重要意義。

好氧顆粒污泥對有機污染物的吸附是一個復雜的過程，影響其吸附過程的因素也很多。在好氧顆粒污泥處理廢水的體系中，好氧顆粒污泥與其吸附的有機污染物共同組成一個吸附體系，好氧顆粒污泥作為吸附劑，其本身的特性如粒徑、胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances，EPS)、Zeta電位等都會對吸附性能產(chǎn)生不同程度的影響；有機污染物作為吸附質(zhì)，其濃度、組成等都會對吸附性能產(chǎn)生不同程度的影響；靜態(tài)吸附時間、pH、溫度、攪拌強度等環(huán)境因素也會影響吸附過程。筆者從環(huán)境條件、廢水特性和好氧顆粒污泥特性三方面分析影響好氧顆粒污泥吸附有機物的影響因素，探討各因素對吸附過程的影響程度。

1　實驗裝置與方法

1.1實驗材料

實驗用泥的絮狀污泥，取自哈爾濱北大荒集團完達山陽光乳業(yè)公司污水處理廠接觸氧化池活性污泥。污泥呈棕黃色，SVI(污泥體積指數(shù)，Sludge Volume Index)為85.95 mL/g，EPS含量為45.46 mg/gVSS。

顆粒污泥采用自制氣升式內(nèi)循環(huán)序批式反應(yīng)器[5](Sequencing Batch Airlift Reactor，SBAR)、前期實驗最佳操作條件培養(yǎng)好氧顆粒污泥。最佳操作條件為：溫度30 ℃、曝氣量為0.32 m3/h、反應(yīng)器進水5 min、曝氣325～340 min、沉淀2～20 min、排水5 min。成熟顆粒污泥SVI為29.73～33.56 mL/g，EPS含量為181.76～197.00 mg/gVSS，粒徑分布：大于0.4 mm的顆粒比例為70.81%，其中1.0～2.0 mm的顆粒占44.90%。

實驗用水為培養(yǎng)好氧顆粒污泥采用模擬廢水，所用藥品及用量(mg/L)：葡萄糖 1 500、牛肉膏 75、蛋白胨 112.5、NH4Cl 300、FeSO4·7H2O 30、CaCl2150、K2HPO452.5、KH2PO422.5、MgSO4·7H2O 22.5，微量元素1 mL/L，其中，微量元素組成(mg/L)：H3BO4150，ZnSO4·7H2O 120，MnCl2·7H2O 120，CuSO4·5H2O 30，NiCl250，CoCl2·6H2O 210，KI 30，Na2MoO465。實驗所用藥品均為分析純。

模擬廢水水質(zhì)(mg/L)：COD 1 450～1 550，NH+4-N 73～78，TP 5.5～6.5。

1.2實驗方法

吸附實驗采用靜態(tài)吸附方式。取400 mg濕污泥離心洗滌，與模擬污水混合加入到250 mL錐形瓶中，定容至100 mL，將其放入恒溫振蕩反應(yīng)器中進行吸附實驗，吸附達到平衡后，靜沉10 min，取上清液測定污水COD濃度。

1.2.1環(huán)境條件對有機物吸附性能的影響

分別在好氧顆粒污泥吸附有機污染物的時間為 3、6、9、12、15、18、21、24、27 h 時取樣測定COD值；加HCl溶液和NaOH溶液以配制五種不同pH(6、7、8、9、10)的有機廢水進行吸附實驗；設(shè)置五種不同溫度(20、25、30、35、40 °C)進行吸附實驗；設(shè)置恒溫振蕩培養(yǎng)箱為五種不同的振蕩速度(50、100、150、200、250 r/min)進行吸附實驗。

1.2.2廢水特性對有機物吸附性能的影響

設(shè)置0.25、0.5、1.5、2.0、3.0 g/L 五種不同質(zhì)量濃度的模擬有機廢水進行吸附實驗；配制苯酚質(zhì)量濃度為0、50、100、200、300 mg/L的有機廢水進行吸附實驗；分別配制Hg2+和Cu2+質(zhì)量濃度為0、50、100、200、300 mg/L的有機廢水進行吸附實驗。

1.2.3好氧顆粒污泥特性對有機物吸附性能的影響

設(shè)置500、1 500、3 000、4 500、6 000 mg/L 五種不同質(zhì)量濃度的好氧顆粒污泥進行吸附實驗；在SBAR反應(yīng)器運行0.5、1.0、2.0、4.0、5.0 h時取樣，獲得五種胞外聚合物含量不同的好氧顆粒污泥進行吸附實驗；采用濕式篩分法，在磷酸緩沖液(KH2PO4：9.078 g/L；K2HPO4：9.472 g/ L)中讓好氧顆粒污泥依次通過孔徑為0.3、0.6、1.0、2.0 mm的標準篩，獲得粒徑不同的五種好氧顆粒污泥進行吸附實驗。

1.3分析項目及測定方法

實驗中COD、SVI、MLSS、MLVSS均采用文獻[6]中標準方法測定；生物相：采用顯微鏡觀察法；EPS的提取采用熱處理方法[7]；多糖與蛋白質(zhì)的測定：多糖(polysaccharide，PS)含量采用硫酸—蒽酮法[8]進行測定，蛋白質(zhì)(proteins，PN)含量采用考馬斯亮藍法[8]測定。

2　結(jié)果與討論

2.1環(huán)境條件對有機物吸附性能的影響

在廢水的好氧顆粒污泥處理系統(tǒng)中，環(huán)境因素如靜態(tài)吸附時間、pH、溫度、攪拌強度等均會影響好氧顆粒污泥的吸附效率。

2.1.1靜態(tài)吸附時間

吸附時間即好氧顆粒污泥與廢水的接觸時間，會直接影響好氧顆粒污泥對有機污染物COD的吸附效率。靜態(tài)吸附時間t與好氧顆粒污泥對有機污染物COD的吸附率η的關(guān)系見圖1。

圖1　靜態(tài)吸附時間對COD吸附率的影響

Fig. 1Effect of static adsorption time on adsorption rate of COD

由圖1可見，靜態(tài)吸附時間與COD 吸附率呈正相關(guān)，吸附率的增長隨時間的增加呈先陡后緩的趨勢， 9 h吸附率達到 59.25%，從9到27 h，吸附率僅增大21.39%，說明在9 h時初步達到了吸附平衡，隨著好氧顆粒污泥對有機污染物的吸附降解，直至27 h吸附率達到最大。

2.1.2pH值

吸附體系的pH的變化可以改變底物和微生物體內(nèi)酶蛋白的荷電狀態(tài)，從而影響有機污染物吸附率。pH與好氧顆粒污泥對有機污染物COD的吸附率的關(guān)系見圖2。

圖2　pH對COD吸附率的影響

由圖2可見，pH等于7時，好氧顆粒污泥對有機污染物的吸附率最高，達到85.81%；pH從6到7時，吸附率增長幅度較大；pH大于7時，吸附率降低幅度漸緩，pH為7.0～8.0時，吸附率均大于80%；可見酸性環(huán)境對好氧顆粒污泥的影響大于堿性環(huán)境。張志等[9]研究顯示，pH為7.6時，好氧顆粒污泥對有機物的去除率最高；pH為8.0時，好氧顆粒污泥亞硝化性能最好，pH為8.4時，好氧顆粒污泥的硝化性能和反硝化性能達到最佳狀態(tài)。因此，好氧顆粒污泥適合在中性偏堿性環(huán)境下生存。

2.1.3溫度

溫度會影響生物吸附劑的性質(zhì)(生理代謝活動、酶活性、吸附熱容等方面)和吸附質(zhì)溶解度，從而影響吸附率。溫度與好氧顆粒污泥對有機污染物COD吸附率的關(guān)系見圖3。

圖3　溫度對COD吸附率的影響

由圖3可見，30 ℃時好氧顆粒污泥對有機污染物的吸附率最高，可達到85.94%；其余溫度下吸附率均有所降低，但在25～35 ℃時，吸附率均能保持在80%以上。實驗所用顆粒污泥的培養(yǎng)溫度是30 ℃，當溫度降低時，微生物種群的活性降低，吸附率降低；溫度升高時，污泥的物理吸附量降低，吸附率降低。因此，好氧顆粒污泥吸附有機污染物的最適溫度為25～35 ℃。

2.1.4攪拌強度

攪拌強度會影響好氧顆粒污泥與有機污染物的接觸程度，影響吸附速度。攪拌強度v與好氧顆粒污泥對有機污染物COD吸附率的關(guān)系見圖4。

由圖4可見，好氧顆粒污泥對有機污染物COD的吸附率隨攪拌強度的增加而增大。攪拌強度從50增加到100 r/min時，吸附率增長幅度較大；大于100 r/min后，吸附率增長幅度漸緩，攪拌強度為150 r/min時，吸附率大于80%。

圖4　攪拌強度對COD吸附率的影響Fig. 4　Effect of stirring intensity on adsorption rate of COD

2.2廢水特性對有機物吸附性能的影響

2.2.1廢水濃度

廢水中有機污染物質(zhì)量濃度與好氧顆粒污泥對有機污染物COD吸附率的關(guān)系見圖5。

圖5　廢水濃度對COD吸附率的影響

Fig. 5Effect of wastewater concentration on adsorption rate of COD

由圖5可見，好氧顆粒污泥對有機污染物COD的吸附率和單位吸附量w均與有機污染物COD質(zhì)量濃度呈正相關(guān)。當COD質(zhì)量濃度小于1.5 g/L時，隨COD濃度的提高吸附率大幅增加；當COD質(zhì)量濃度為1.5 g/L時，吸附率達到85.94%；COD質(zhì)量濃度大于1.5 g/L時，吸附率幾乎不變。好氧顆粒污泥對COD的單位吸附量隨COD濃度的增加大幅增加。有機污染物作為吸附系統(tǒng)中的吸附質(zhì)，濃度越高，越利于傳質(zhì)推動力的提高，有助于污染物被吸附到顆粒污泥表面；顆粒污泥表面的吸附點位數(shù)量有限，吸附能力不盡相同，當污染物濃度較低時，吸附能力強的點位優(yōu)先吸附，吸附能力差的點位無法吸附污染物，而濃度較高時，吸附能力差的點位也能吸附污染物[10]。

2.2.2有機毒性物質(zhì)

工業(yè)廢水成分復雜，大多數(shù)工業(yè)廢水都含有毒性物質(zhì)，毒性物質(zhì)會影響好氧顆粒污泥的性能。以苯酚為例研究毒性物質(zhì)對好氧顆粒污泥吸附率的影響。苯酚濃度ρb與好氧顆粒污泥對有機污染物COD吸附率的關(guān)系見圖6。

圖6　苯酚質(zhì)量濃度對COD吸附率的影響

Fig. 6Effect of phenol concentration on adsorption rate of COD

由圖6可見，好氧顆粒污泥對COD的吸附率與苯酚質(zhì)量濃度呈負相關(guān)，苯酚濃度越高，顆粒污泥對COD的吸附率就越低。對比苯酚質(zhì)量濃度為0時的COD吸附率，苯酚質(zhì)量濃度為50、100、200、300 mg/L時吸附率分別下降了16.76%、19.93%、30.51%、48.79%。李萍等[11]研究表明五氯苯酚會抑制微生物活性，改變微生物種群結(jié)構(gòu)，且濃度越大抑制程度越大。因此，隨苯酚濃度增大，其對微生物抑制程度加劇，導致微生物失活，吸附率降低。

2.2.3重金屬離子

重金屬離子是許多工業(yè)有機廢水的重要組成部分，不同來源的有機廢水中所含的重金屬離子種類、濃度都不同，以Cu2+和Hg2+為例來考察重金屬離子對好氧顆粒污泥對有機污染物COD吸附率的影響，結(jié)果見圖7。

圖7　重金屬離子質(zhì)量濃度對COD吸附率的影響

Fig. 7Effect of heavy metal ion concentration on adsorption rate of COD

從圖7可見，好氧顆粒污泥對有機污染物COD的吸附率與重金屬離子質(zhì)量濃度ρz呈負相關(guān)。在離子濃度相同時，含Hg2+廢水的COD吸附率低于含Cu2+廢水，說明Hg2+對好氧顆粒污泥的影響程度比Cu2+更大。這是因為重金屬離子對好氧顆粒污泥上的微生物有毒性作用，同種離子毒性隨濃度增加而增大，不同種類的重金屬離子的毒性作用不同；其次，重金屬離子可能會與有機污染物分子之間競爭吸附點位，導致吸附率降低。

2.3好氧顆粒污泥特性對有機物吸附性能的影響

2.3.1污泥濃度

不同濃度的好氧顆粒污泥對有機污染物的吸附率見圖8。

圖8　污泥質(zhì)量濃度對COD吸附率的影響

Fig. 8Effect of sludge concentration on adsorption rate of COD

由圖8可見，好氧顆粒污泥質(zhì)量濃度與其對有機污染物COD的吸附率呈正相關(guān)性。污泥質(zhì)量濃度ρw從0.75增加到3 g/L時，吸附率大幅增加，增加了6.85%；污泥質(zhì)量濃度為3 g/L時，吸附率達75.94%；而當污泥濃度大于3 g/L時，吸附率幾乎不變。好氧顆粒污泥濃度與其對污染物的單位吸附量呈負相關(guān)性，隨濃度的增大，單位吸附量呈先陡后緩的下降趨勢。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因為：污泥濃度較低時，每個顆粒周圍有相對較多的污染物分子聚集，污染物分子與污泥的質(zhì)量比提高，單位吸附量較大；當污泥濃度增加后，聚集在每個顆粒周圍的污染物分子就會減少，單位吸附量就會減小[10]。雖然單位吸附量隨污泥濃度的增加而減少，但是好氧顆粒污泥總量在增加，因此吸附率仍然隨污泥濃度的增加而提高。

2.3.2污泥胞外聚合物

好氧顆粒污泥胞外聚合物含量W對有機污染物吸附率的影響見圖9。

圖9　污泥胞外聚合物對COD吸附率的影響

由圖9可見，EPS含量隨著SBAR反應(yīng)器運行時間的增加而增加，這是由于隨著反應(yīng)器的運行，廢水中有機污染物被微生物吸附降解，微生物進入了內(nèi)源呼吸期，此時微生物處于饑餓狀態(tài)，將產(chǎn)生大量EPS。圖9表明好氧顆粒污泥對有機污染物COD的吸附率與污泥EPS含量呈正相關(guān)性，當EPS含量大于195.08 mg/gVSS時，吸附率大于80%。饑餓狀態(tài)下微生物表面EPS含量增加，成分也發(fā)生變化，產(chǎn)生大分子多糖，具有較強的吸附能力，導致吸附率增加[12]。

2.3.3污泥粒徑

不同粒徑范圍好氧顆粒污泥對廢水中有機污染物吸附率的影響見圖10。

圖10　顆粒粒徑對COD吸附率的影響

Fig. 10Effect of particle size on adsorption rate of COD

由圖10可見，顆粒污泥粒徑d為0.3～1.0 mm時，好氧顆粒污泥對有機污染物COD的吸附率較高，最高可達87.77%；而當顆粒污泥粒徑小于0.3 mm或大于1.0 mm時，吸附率均有所下降。粒徑過小時，可能顆粒上微孔分布較多，而微生物量較少，不利于污染物分子的吸附；而顆粒粒徑過大時，比表面積小，傳質(zhì)阻力增大，也不利于吸附。因此，只有顆粒粒徑適中(0.3～1.0 mm)時，好氧顆粒污泥吸附性能才能達到最優(yōu)。

3　結(jié)　論

(1)環(huán)境條件、廢水特性和好氧顆粒污泥特性對好氧顆粒污泥吸附率均有不同程度的影響。廢水特性對吸附性能的影響程度最大，污泥特性次之，環(huán)境條件的影響程度最小。

(2)COD吸附率與靜態(tài)吸附時間呈正相關(guān)性，27 h吸附率達到最大；酸性環(huán)境比堿性環(huán)境對COD吸附率的影響顯著，pH在7.0～9.0時吸附率較高，說明中性偏堿性環(huán)境有利于好氧顆粒對有機污染物的吸附；溫度對COD吸附率有影響不顯著，25～35 ℃時，吸附率均能保持在80%以上；攪拌強度與COD吸附率呈正相關(guān)，當攪拌強度大于150 r/min時，吸附率大于80%。

(3)廢水中有機污染物濃度與好氧顆粒污泥對其單位吸附量和吸附率呈正相關(guān)，且增長幅度呈先陡后緩的趨勢；廢水中有機毒性物質(zhì)和重金屬離子的質(zhì)量濃度與COD吸附率呈負相關(guān)性，不同重金屬離子對吸附率的影響不同，Hg2+比Cu2+對吸附率的影響程度更大。

(4)好氧顆粒污泥濃度與COD吸附率呈正相關(guān)性，與污泥對COD單位吸附量呈負相關(guān)性，且變化趨勢隨污泥質(zhì)量濃度的增加呈先陡后緩的趨勢；污泥胞外聚合物的含量與COD吸附率呈正相關(guān)性，當EPS含量大于195.08 mg/gVSS時，吸附率大于80%；污泥顆粒粒徑過大或過小都不利于有機污染物的吸附去除，粒徑在0.3～1.0 mm時，COD吸附率較高，可達87.77%。

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(編輯徐巖)

Study on influence factors of adsorption performance of organic compounds by aerobic granular sludge

SONGZhiwei,WANGJing,LITing,YIHongyun,CHENDanfeng

(School of Environmental & Chemical Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

This paper is motivated by the need for finding the optimal operation parameters of aerobic granular sludge system, a theoretical basis for application of aerobic granular sludge in wastewater treatment. The study looks at the influence factors and influence degree of adsorption properties of organic pollutants by aerobic granular sludge using static adsorption method from three aspects: the environmental conditions, wastewater characteristics and characteristics of aerobic granular sludge in laboratory. The results show that aerobic granular sludge could provide the optimal adsorption performance of organic pollutants when static adsorption time is 24 h; pH value is 7.0—9.0; temperature is 25—35 ℃; stirring intensity is 150 r/min; wastewater concentration is 1 500 mg/L; the sludge particle size is 0.3—1.0 mm; sludge concentration is 3 000 mg/L; and EPS content is more than 195.08 mg/gVSS.

aerobic granular sludge; organic pollutant; adsorbent; influence factor

2016-06-24

黑龍江省自然科學基金項目(E201461);哈爾濱市應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)計劃項目(2015RAXXJ039)

宋志偉(1968-)，女，黑龍江省訥河人，教授，博士，研究方向：污水處理技術(shù)及工藝，E-mail：szwcyp@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.04.010

X703.1

2095-7262(2016)04-0396-06

A