曾天續(xù),馬 嬌 ,黨鴻鐘,嚴 淵, 吳新波,李維維,4,陳永志

(1.蘭州交通大學(xué) 甘肅省黃河水環(huán)境重點實驗室,蘭州 730070;2.蘭州交通大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院,蘭州 730070;3.甘肅省污水處理行業(yè)技術(shù)中心,蘭州 730070; 4.甘肅省輕工研究院有限責(zé)任公司,蘭州 730000)

1 研究背景

好氧顆粒污泥(Aerobic Granular Sludge,AGS)是微生物在好氧條件下自凝聚形成的顆粒聚集體。與普通絮狀活性污泥相比,AGS具有較好的結(jié)構(gòu)致密性、優(yōu)良的沉降性、抗沖擊負荷能力強、耐毒性高和剩余污泥量少等優(yōu)點[1-2]。采用AGS的污水處理廠可穩(wěn)定降低出水濁度,無需添加混凝劑或設(shè)置二沉池,比傳統(tǒng)活性污泥法具有更短的水力停留時間、更低的運行能耗和更小的場地面積[3-4]。而在不同水質(zhì)條件和溫度下AGS的啟動及穩(wěn)定運行存在較大差異。AGS處理實際生活污水會導(dǎo)致AGS穩(wěn)定性降低[5];季節(jié)性的溫度變化阻礙AGS啟動并降低其性能[6]。

顆粒污泥的胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances,EPS)是微生物在一定環(huán)境下分泌的高分子物質(zhì),作為微生物聚集體的骨架在廢水處理過程中起著至關(guān)重要的作用,其主要成分為胞外蛋白質(zhì)(Proteins,PN)和多糖(Polysaccharides,PS)[7],含量變化可影響AGS的沉降性能[8]。EPS還作為電子受體參與微生物代謝并保護微生物免受惡劣環(huán)境條件的影響[9],不同水質(zhì)和溫度會引起EPS含量的變化,進而影響AGS的造粒過程。

目前,關(guān)于AGS的培養(yǎng)大多在人工配水或?qū)嶋H生活污水下進行,而實際生活污水成分較為復(fù)雜,有機物不易被微生物吸收,造成在實際生活污水中培養(yǎng)的AGS形成速度比人工配水慢且在處理實際生活污水時出現(xiàn)污泥解體現(xiàn)象[5]。國內(nèi)大多數(shù)實際生活污水的碳氮比(C/N)<4[10],C/N變化可引起EPS中PN和PS的變化,進而影響污泥的致密性[11]。當(dāng)溫度低于室溫時,微生物會產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)分泌更多的EPS[12]。而不同水質(zhì)和溫度下AGS的EPS與污泥沉降關(guān)系鮮見報道。本試驗以低C/N的人工配水和實際生活污水聯(lián)合培養(yǎng)AGS,探究不同水質(zhì)和溫度在AGS造粒過程中EPS與其沉降速度的關(guān)系及脫氮除碳特征,并對EPS與污泥指數(shù)(SVI)進行線性擬合,分析EPS對AGS沉降性能的影響,以期在低C/N生活污水中快速培養(yǎng)出穩(wěn)定性較好的AGS,為AGS在實際工程中的應(yīng)用提供參考。

2 材料與方法

2.1 試驗裝置及運行方式

試驗采用4組SBR反應(yīng)器,裝置如圖1所示,其高和直徑分別為50 cm和14 cm,有效容積為6 L。側(cè)壁設(shè)置排水口,底部設(shè)有排泥口。

圖1 SBR反應(yīng)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of SBR process device

4組反應(yīng)器每天均運行2個周期,其中進水10 min,缺氧50 min,好氧150 min,沉淀:1～4 d 20 min、5～6 d 14 min、7～8 d 13 min、8～10 d 10 min、11～16 d 8 min、16～60 d 5 min,排水10 min。R1、R2中加入活性炭粉末,R3、R4未添加活性炭粉末。具體運行工況如表1所示,V表示體積。

表1 反應(yīng)器運行工況Table 1 Operation condition of reactors

2.2 水質(zhì)與接種污泥

2.3 分析項目及方法

2.4 計算方法

(1)

式中:SV30為曝氣池混合液在量筒內(nèi)靜止沉降30 min后污泥所占混合液的體積百分比(mL/L);MLVSS為混合液懸浮固體濃度(g/L)。

3 結(jié)果與討論

3.1 AGS培養(yǎng)階段EPS及沉速變化

圖2為AGS培養(yǎng)階段PN、PS及沉降速度的變化。4組反應(yīng)器內(nèi)PN比PS增加更為顯著,其中R2的PN由初始值11.3 mg/g增加到142.4 mg/g,增幅最大;R4內(nèi)PN的增幅最小,為84.9 mg/g。PS與污泥表面親水性呈正相關(guān)。而PN與污泥的疏水性正相關(guān),PN越大,越有利于微生物的聚集,加速形成AGS[17-19]。這表明人工配水中逐漸添加生活污水的比例更有利于AGS的形成,而低溫時PN的分泌量顯著減少,不利于AGS的形成[20]。

圖2 反應(yīng)器中PN、PS及沉降速度變化Fig.2 Changes of PN, PS and sedimentation velocity in the reactors

其中,24 d時R1中PN減少,其原因是R1的進水改為生活污水,產(chǎn)生了較高的基質(zhì)濃度差,微生物的生存條件發(fā)生了變化,影響了微生物細胞間的信息交流和信號分子的傳遞,抑制了微生物新陳代謝活動[21]。因此,PN出現(xiàn)明顯波動。Cai等[22]也證實了進水成分條件的變化會引發(fā)EPS含量的變化。當(dāng)微生物適應(yīng)新的外界環(huán)境后,PN又出現(xiàn)了新的增長。R4反應(yīng)器在1～8 d期間PN、PS分泌量出現(xiàn)了驟增,是由于微生物受到溫度的脅迫產(chǎn)生了應(yīng)激反應(yīng),通過分泌PN來應(yīng)對脅迫,維持AGS的穩(wěn)定性。

AGS的沉降速度與污泥顆粒的結(jié)構(gòu)及大小有關(guān)。污泥顆粒粒徑越大,結(jié)構(gòu)越密實,污泥的沉降速度越大[23]。圖2中,R1、R2、R3中AGS的沉降速度隨著PN增大而增大,分析原因為PS與污泥表面親水性呈正相關(guān),而PN中帶正電的官能團能夠與其他官能團中的負電荷中和,降低污泥表面的電負性,污泥表面的疏水性增強,促進微生物聚集,AGS粒徑增大,使AGS沉降速度增加[18]。1～17 d,R1 和R3進水均為人工配水,穩(wěn)定后R1的沉降速度明顯大于R3的沉降速度,這是因為R1中添加活性炭粉末為AGS創(chuàng)造了良好的晶核環(huán)境[24]。17 d后,R1改為生活污水,沉降速度在第48天時穩(wěn)定為59.8 m/h,R2的沉降速度在第40天時穩(wěn)定為60.7 m/h,這是因為人工配水和生活污水占比逐漸增加的方式形成了較平緩的底物濃度梯度,平緩的濃度梯度更有利于形成致密穩(wěn)定的顆粒[25]。R3和R4在第20和第32天時沉降速度分別達到53.2 m/h和50.3 m/h,表明在低溫條件下可以培養(yǎng)出AGS,但時間較長。Wang等[6]研究結(jié)果與本研究結(jié)果一致。

3.2 AGS培養(yǎng)階段EPS和SVI的關(guān)系

圖3 AGS培養(yǎng)階段EPS含量與SVI的關(guān)系Fig.3 Relationship between EPS and SVI in AGS cultivation stage

3.3 AGS顆粒化進程

4組反應(yīng)器接種污泥相同,呈灰褐色絮狀。R2進水采用在人工配水中逐漸添加生活污水占比,并添加活性炭粉末,其培養(yǎng)的AGS具有沉降速度大、SVI低及形成時間短等優(yōu)點。當(dāng)其運行至第11天時,沉淀時間由初始的20 min縮短至8 min,出現(xiàn)少量黃色顆粒,活性炭粉末表面附著淺黃色生物膜。這是因為活性炭粉末作為自凝聚的初始內(nèi)核,細菌在表面上附著生長,有利形成初始顆粒;同時菌膠團與活性炭粉末碰撞與摩擦形成了AGS所需的水力選擇壓,增強了顆粒污泥結(jié)構(gòu)的強度,促進了顆粒污泥的形成[27]。繼續(xù)縮短沉淀時間至5 min,淘洗絮狀污泥,提升顆粒占比[28]。第50天時,污泥呈現(xiàn)黃色粒狀,結(jié)構(gòu)密實,實現(xiàn)顆?；?。圖4為R2反應(yīng)器中第50天時AGS粒徑占比分布。粒徑在1.0～1.5 mm和1.5～2.0 mm的粒徑占比分別為40.26%和28.26%;>2.5 mm的占4.15%;>1.0 mm的顆粒占比>80%,即認為成功培養(yǎng)出AGS[29]。

圖4 R2反應(yīng)器中第50天時AGS粒徑占比Fig.4 Proportion of AGS sludge particles at 50 d in R2 reactor

3.4 AGS系統(tǒng)脫氮除碳性能

圖5 AGS培養(yǎng)階段COD及變化Fig.5 Changes of COD and content in AGS cultivation stage

圖6 AGS培養(yǎng)階段和NiAR 變化Fig.6 Changes of and NiAR in AGS cultivation stage

4 結(jié) 論

(1)以污水廠A2/O工藝二沉池污泥為種泥,采用人工配水和生活污水2種進水方式,均能實現(xiàn)污泥的顆?；?。25 ℃時,PN和PS在AGS培養(yǎng)階段整體呈上升趨勢,PS沉降速度與PN變化趨勢一致。