黃 梅，陳冠言，包永維，朱越平，殷旭東，聶麗君

(廣東石油化工學(xué)院環(huán)境與生物工程學(xué)院，廣東 茂名 525000)

?

連續(xù)流一體化氧化溝中好氧顆粒污泥培養(yǎng)初探

黃 梅，陳冠言，包永維，朱越平，殷旭東，聶麗君

(廣東石油化工學(xué)院環(huán)境與生物工程學(xué)院，廣東 茂名 525000)

一體化氧化溝；連續(xù)流；好氧顆粒污泥；生活污水

好氧顆粒污泥是在一定培養(yǎng)條件下由微生物自凝聚形成的一種高活性粒狀活性污泥，也是一種特殊形式的生物膜，具有沉降性能好、結(jié)構(gòu)致密、持留生物量大、抗沖擊負(fù)荷和抵御有毒有害物質(zhì)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1-3]，受到眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注。隨著研究的深入，好氧顆粒污泥技術(shù)已得到快速發(fā)展，對(duì)其機(jī)理的研究從宏觀轉(zhuǎn)向微觀，處理的廢水也從模擬廢水轉(zhuǎn)向?qū)嶋H廢水，但好氧顆粒污泥系統(tǒng)啟動(dòng)慢、長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性差等問題嚴(yán)重制約了其工業(yè)化應(yīng)用。同時(shí)，現(xiàn)有的研究多在間歇式反應(yīng)器中進(jìn)行，所得的研究成果并不適用于實(shí)際工程中廣泛應(yīng)用的連續(xù)流工藝。為了加快好氧顆粒污泥技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用步伐，有必要深入研究連續(xù)流工藝中好氧顆粒污泥的形成機(jī)制、特性及對(duì)污染物的去除效率。

作者采用連續(xù)流一體化氧化溝處理校園生活污水，探討其培養(yǎng)好氧顆粒污泥的可行性，以期為好氧顆粒污泥技術(shù)在連續(xù)流工藝中的應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

接種污泥取自茂名第一污水處理廠的曝氣池，污泥顏色為黃褐色，混合液污泥濃度MLSS約為3 500 mg·L-1，污泥體積指數(shù)SVI為68.5 mL·g-1。

1.2 裝置

實(shí)驗(yàn)裝置為帶側(cè)溝固液分離器的一體化氧化溝(圖1)，長(zhǎng)1.68 m，寬0.48 m，單溝寬0.24 m，有效水深0.4 m，有效容積約303 L，側(cè)溝固液分離器有效尺寸為：長(zhǎng)0.9 m、寬0.1 m、深0.3 m。采用微孔曝氣條曝氣充氧，在進(jìn)水端裝有一個(gè)水下攪拌器，主要起推流的作用，以保證混合液在溝中循環(huán)流動(dòng)?；旌弦涸诠桃悍蛛x器中進(jìn)行固液分離，清水從鋸齒形溢流堰溢流后經(jīng)出水口排出。

1.3 培養(yǎng)方法

圖1 一體化氧化溝裝置示意圖

目前，對(duì)好氧顆粒污泥的培養(yǎng)多采用合成污水在間歇式反應(yīng)器中進(jìn)行，而本實(shí)驗(yàn)在常溫條件下，采用校園生活污水在連續(xù)流一體化氧化溝中進(jìn)行。運(yùn)行過程中，進(jìn)水流量控制在20～40 L·h-1，溶解氧(DO)濃度維持在2～4 mg·L-1。通過增大進(jìn)水流量來(lái)縮短污泥沉降時(shí)間，利用沉降選擇壓將細(xì)小、質(zhì)輕的污泥淘洗出反應(yīng)器，沉降性能好的污泥則保留在反應(yīng)器內(nèi)，再利用曝氣和推流攪拌協(xié)同作用所提供的剪切力促進(jìn)微生物間的絮凝、粘附，進(jìn)而形成好氧顆粒污泥[4]。

1.4 檢測(cè)方法

2 結(jié)果與討論

2.1 好氧顆粒污泥形態(tài)的變化(圖2)

圖2 好氧顆粒污泥形態(tài)的變化

實(shí)驗(yàn)過程持續(xù)60 d，分兩個(gè)階段：第1～21 d為第一階段，第22～60 d為第二階段。第15 d，反應(yīng)器內(nèi)有少量的顆粒污泥，粒徑在200～400 μm之間(圖2a)，肉眼可見，但其外觀并非規(guī)則的圓形，而是在顆粒表面伸展出少量的絲狀菌。第17 d，由于設(shè)備故障導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)的污泥急劇減少，MLSS低于1 000 mg·L-1。第19 d，反應(yīng)器內(nèi)出現(xiàn)大量規(guī)則的圓形顆粒，粒徑在200～400 μm之間(圖2b)。為了增大反應(yīng)器中的污泥濃度，第22 d向反應(yīng)器內(nèi)添加接種污泥，MLSS達(dá)到2 000 mg·L-1以上。隨著反應(yīng)器繼續(xù)運(yùn)行，第一階段出現(xiàn)的規(guī)則的圓形顆粒污泥消失，取而代之的是一些有絲狀菌向外伸展的小顆粒污泥(圖2c)，污泥沉降性能變差，固液分離器泥水分離效果變差。后期，絲狀菌大量繁殖，反應(yīng)器中仍有少量大粒徑的顆粒污泥存在，但其結(jié)構(gòu)松散，邊緣是發(fā)散生長(zhǎng)的絲狀菌，此時(shí)反應(yīng)器去污效果很差，系統(tǒng)接近崩潰，在調(diào)節(jié)運(yùn)行參數(shù)仍無(wú)法改善后，第60 d停止反應(yīng)器的運(yùn)行。

2.2 對(duì)污染物的去除效果

2.2.1 COD的去除效果(圖3)

圖3 一體化氧化溝對(duì)COD的去除效果

從圖3可以看到，第一階段和第二階段前期，COD去除率基本在 80% 以上，出水 COD低于 100 mg·L-1；而第二階段后期COD去除率明顯下降，僅為60%～70%，出水COD超過100 mg·L-1。這是因?yàn)?，COD的去除效果主要受DO濃度和污泥狀態(tài)的影響，第一階段由于污泥濃度較小，DO濃度可以維持在2～4 mg·L-1，能使有機(jī)物充分降解；第二階段前期再次添加接種污泥后，曝氣設(shè)備充氧能力不足，反應(yīng)器中的DO濃度明顯下降，但此時(shí)污泥濃度較大，可以暫時(shí)緩解DO濃度下降的影響，COD去除率仍可維持在80%以上；第二階段后期，顆粒污泥出現(xiàn)絲狀膨脹、解體，大量污泥排出反應(yīng)器，COD去除率下降，水質(zhì)惡化。

圖4 一體化氧化溝對(duì)-N的去除效果

2.2.3 TN的去除效果(圖5)

圖5 一體化氧化溝對(duì)TN的去除效果

從圖5可以看到，TN的總體去除效果較差，污泥狀態(tài)較好時(shí)TN去除率也僅為30%～40%。第23～27 d TN去除率突然升高，這是因?yàn)樘砑恿私臃N污泥，較大的污泥濃度導(dǎo)致反應(yīng)器中DO濃度降低，有利于反硝化反應(yīng)的進(jìn)行，從而提高了TN去除率。

2.2.4 TP的去除效果(圖6)

圖6 一體化氧化溝對(duì)TP的去除效果

傳統(tǒng)理論認(rèn)為，微生物對(duì)磷的去除主要通過聚磷菌厭氧釋磷和好氧吸磷實(shí)現(xiàn)[6]。而反硝化除磷理論認(rèn)為，在缺氧環(huán)境下，反硝化聚磷菌可以利用硝氮和亞硝氮作為電子受體實(shí)現(xiàn)反硝化和吸磷[7]。實(shí)驗(yàn)過程中，即使反應(yīng)器中的DO濃度波動(dòng)較大，但基本維持在缺氧或好氧狀態(tài)，污泥外部環(huán)境并未出現(xiàn)厭氧狀態(tài)。從圖6可以看到，在第13～23 d，TP去除率呈上升趨勢(shì)，最高可達(dá)55.27%。這是因?yàn)?，這個(gè)時(shí)間段反應(yīng)器為好氧狀態(tài)，好氧顆粒污泥最多，導(dǎo)致TP去除率升高?？赡苁怯捎谖勰嗝軐?shí)的結(jié)構(gòu)和較大的粒徑限制了DO的傳質(zhì)作用，從而在好氧顆粒污泥內(nèi)部形成厭氧或缺氧區(qū)，為磷的去除創(chuàng)造了適宜的條件。

2.3 好氧顆粒污泥形成機(jī)制探討及穩(wěn)定性分析

選擇壓驅(qū)動(dòng)假說是好氧顆粒污泥形成的機(jī)理之一。該假說認(rèn)為，通過控制沉降時(shí)間可以把在特定的時(shí)間范圍內(nèi)沉降率大的好氧顆粒污泥保留在反應(yīng)器內(nèi)，而沉降性能差的則會(huì)被淘洗出去[1]。目前，好氧顆粒污泥的培養(yǎng)多在間歇式反應(yīng)器中進(jìn)行，可以通過控制污泥的沉降時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)淘洗過程。王苗[8]在合建式氧化溝系統(tǒng)中培養(yǎng)好氧顆粒污泥時(shí)，采用可調(diào)容積式沉淀池，通過控制一定的選擇壓促進(jìn)好氧顆粒污泥的形成。本實(shí)驗(yàn)采用的一體化氧化溝反應(yīng)器的固液分離器是固定容積的，必須通過調(diào)節(jié)進(jìn)水流量來(lái)改變污泥沉降時(shí)間，但進(jìn)水流量的改變又會(huì)影響到水力停留時(shí)間和污泥有機(jī)負(fù)荷。因此，沉降時(shí)間的改變會(huì)導(dǎo)致一系列運(yùn)行參數(shù)的改變，這也是在連續(xù)流反應(yīng)器中較難實(shí)現(xiàn)污泥顆?；途S持顆粒穩(wěn)定性的問題所在。

水力剪切力是形成好氧顆粒污泥的重要影響因素之一[9]，是由機(jī)械攪拌或曝氣過程中產(chǎn)生的水流、氣流造成粒子之間的摩擦引起的[10-11]。研究表明，剪切力超過一定限值時(shí)才能形成好氧顆粒污泥，較大的水力剪切力有利于形態(tài)規(guī)則、結(jié)構(gòu)密實(shí)的顆粒污泥形成[12]。 實(shí)驗(yàn)前期，攪拌器提供的推流作用和曝氣充氧的上升氣流為反應(yīng)器中的混合液提供了較大的水力剪切力，為好氧顆粒污泥的形成提供了必要條件，同時(shí)，反應(yīng)器中水流的水平環(huán)向運(yùn)動(dòng)模式也對(duì)污泥顆粒化過程起到了推動(dòng)作用。

實(shí)驗(yàn)后期，反應(yīng)器內(nèi)絲狀菌過度繁殖，是好氧顆粒污泥解體的主要原因。一般認(rèn)為營(yíng)養(yǎng)匱乏、低負(fù)荷、低DO濃度、低溫以及較小的pH值容易引發(fā)絲狀菌膨脹[13]。本實(shí)驗(yàn)用水氮、磷充足，水溫在20 ℃以上，pH值在6.8～7.2之間，因此營(yíng)養(yǎng)、溫度和pH值均不是絲狀菌膨脹的原因。利用顯微鏡觀察好氧顆粒污泥的形態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)第15 d形成的好氧顆粒污泥邊緣有少量的絲狀菌(圖2a)，但第19 d形成的好氧顆粒污泥增多且較為光滑、規(guī)則和密實(shí)(圖2b)。其可能原因是第一階段前期，污泥濃度較大，單位質(zhì)量污泥所獲得的有機(jī)物較少(即污泥有機(jī)負(fù)荷較低)；第17 d，由于設(shè)備故障造成反應(yīng)器中污泥大量流失，污泥濃度變小，而進(jìn)水流量并沒有改變，從而使污泥有機(jī)負(fù)荷相對(duì)增大。由此可見，較高的污泥有機(jī)負(fù)荷有利于污泥的顆?；?，同時(shí)也可以抑制絲狀菌膨脹。而在第二階段，由于添加了接種污泥，反應(yīng)器中污泥濃度增大，但曝氣設(shè)備DO濃度不足，使得反應(yīng)器在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)維持較低的DO濃度。較低的污泥有機(jī)負(fù)荷和低DO濃度協(xié)同作用，促使絲狀菌大量繁殖并逐漸成為優(yōu)勢(shì)菌種，從而引發(fā)絲狀菌膨脹。

3 結(jié)論

[1] 彭永臻,吳蕾,馬勇,等.好氧顆粒污泥的形成機(jī)制、特性及應(yīng)用研究進(jìn)展[J].環(huán)境科學(xué),2010,30(2):273-281.

[2] 王建龍,張子健,吳偉偉.好氧顆粒污泥的研究進(jìn)展[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2009,29(3):449-473.

[3] 方芳,朱潤(rùn)曄,張麗麗,等.好氧顆粒污泥共代謝降解MTBE及微生物群落研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2008,28(11):2206-2212.

[4] 李媛,沈耀良,孫立柱.SBR處理生活污水好氧顆粒污泥的培養(yǎng)研究[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào),2010(7):1537-1540.

[5] 國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局.水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法[M].第四版.北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社,2002:107,211,246,255,277-279.

[6] 趙丹,任南琪,陳堅(jiān),等.生物除磷技術(shù)新工藝及其微生物學(xué)原理[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2004,36(11):1460-1462.

[7] 王榮昌,司書鵬,楊殿海,等.溫度對(duì)生物強(qiáng)化除磷工藝反硝化除磷效果的影響[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2013,33(6):1535-1544.

[8] 王苗.小試氧化溝中好氧污泥顆?；痆D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué),2012.

[9] 崔成武,紀(jì)樹蘭,任海燕,等.好氧顆粒污泥形成的影響因素及應(yīng)用[J].中國(guó)給水排水,2005,21(10):31-34.

[10] 唐朝春,劉名,陳惠民,等.好氧顆粒污泥的形成及其應(yīng)用的研究進(jìn)展[J].工業(yè)水處理,2015,35(12):5-9.

[11] 楊麒.好氧顆粒污泥快速培養(yǎng)及其去除生物營(yíng)養(yǎng)物特性的研究[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué),2008.

[12] TAY J H,LIU Q S，LIU Y.Microscopic observation of aerobic granulation in sequential aerobic sludge blanket reactor[J].Journal of Applied Microbiology,2001,91(1):168-175.

[13] SANKARAN S,KHANAL S K,JASTI N,et al.Use of filamentous fungi for wastewater treatment and production of high value fungal byproducts：a review[J].Critical Reviews in Environmental Science and Technology,2010,40(5):400-449．

Cultivation of Aerobic Granular Sludge in A Continuous Flow Integrated Oxidation Ditch

HUANG Mei,CHEN Guan-yan,BAO Yong-wei,ZHU Yue-ping,YIN Xu-dong,NIE Li-jun

(CollegeofEnvironmentalandBiologicalEngineering,GuangdongUniversityofPetrochemicalTechnology,Maoming525000,China)

integratedoxidationditch;continuousflow;aerobicgranularsludge;domesticwastewater

廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014A030307019)，廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014A020223008)，茂名市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014041，2014012)，廣東石油化工學(xué)院石化清潔工程中心開放基金項(xiàng)目(201516B08)，廣東石油化工學(xué)院青年自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2013-17)

2017-01-10

黃梅(1979-)，女，廣西賓陽(yáng)人，碩士，講師，主要從事污水生物處理技術(shù)研究，E-mail：huangmei7966@163.com。

10.3969/j.issn.1672-5425.2017.06.012

X703.1

A

1672-5425(2017)06-0056-04

黃梅，陳冠言，包永維，等.連續(xù)流一體化氧化溝中好氧顆粒污泥培養(yǎng)初探[J].化學(xué)與生物工程，2017，34(6)：56-59.