同步脫氮微氧顆粒污泥的快速培養及供氧條件的影響

劉 曉

（河北聯合大學 建筑工程學院，河北 唐山063009）

顆粒污泥和微氧技術是在傳統廢水生物處理工藝基礎上發展而來的兩種新方法。顆粒污泥作為多種微生物的共生體，已經成為提高生物量、改善泥水分離效果從而實現工藝高效、穩定運行的有效手段［1］，其在污水處理當中的優良品質倍受關注。微氧（或稱限氧、微需氧）是厭氧和好氧之間的過渡狀態，該條件下無氧呼吸和有氧呼吸共存，具有傳氧效率高、污泥產量少等特點。微氧狀態下氧化和還原環境的共存能減少中間代謝產物的積累，從而獲得優于單純厭氧或好氧方法的處理效果［2－5］。多種微生物的協同作用能使脫氮這樣的復雜生物轉化過程在單一反應器內實現［6－7］。微氧環境往往依靠限制充氧量以及通過溶解氧向絮體或生物膜內部擴散時產生的傳質梯度來營造。顆粒污泥結構致密，各種微生物在共生體中的分布位置相對穩定，是廢水微氧生物處理的理想載體。本文擬就同步脫氮微氧顆粒污泥的快速培養、供氧量對處理效果和污泥沉降性能的影響等方面展開研究。

1 材料和方法

1．1 實驗裝置

如圖1所示，膨脹顆粒污泥床（EGSB）反應器高180 cm，有效容積11 L，其中反應區高1．5 m，內徑7 cm，有效容積5．8 L。采用外置曝氣方式為顆粒污泥床供氧，在高位水箱中曝氣并回流。通過調節水箱中的溶解氧（DO）和回流量來控制反應器的充氧量。

圖1 實驗裝置圖

1．2 接種污泥和實驗用水

接種污泥取自唐山市北郊污水廠，為脫水后的剩余污泥餅。將泥餅用自來水浸泡兩天，用孔徑2 mm標準篩篩除大的泥塊后接入反應器，接種后混合液懸浮固體（MLSS）約10 g／L。

實驗用生活污水主要水質指標如下：p H值6．8～8．0，CaCO3堿度210～380 mg／L，SS 50～280 mg／L，COD110～580 mg／L，NH3－N 20～55 mg／L，總氮（TN）27～66 mg／L，總磷（TP）2～7 mg／L。

1．3 分析方法

COD，NH3－N，TN，TP均采用標準方法測定［8］；p H 值采用p H－3C酸度計測定；溶解氧采用DO200便攜式溶氧儀測定；MLSS采用重量法測定；顆粒污泥形態用光學顯微鏡觀察。顆粒污泥粒徑分布采用篩分法，篩孔依次為2．5，2，1．5，1．2，1．0，0．8，0．63，0．45和0．35（單位：mm）。收集各個粒徑區間的污泥后烘干，用于測定其在總干重中所占的比例，并以各個區間污泥的平均粒徑及其質量百分比的加權計算污泥的平均粒徑。某一粒徑污泥的沉速采用該粒徑區間內30個顆粒在水溫20℃，水深50 cm的量筒中作自由沉降時的平均沉速。

1．4 實驗方法

考慮到微氧EGSB反應器中的溶解氧很低，很難用溶氧儀精準測量，但反應器的供氧量即回流水攜帶進入反應區的溶解氧總量卻是可控的。為此，用反應器的供氧量作為微氧環境的控制參數。整個運行過程保持HRT為6 h，反應器出水DO在0～0．5 mg／L之間。實驗分為兩個階段（見表1）。第I階段（1～70 d）為顆粒污泥培養和性能穩定階段：保持反應器溫度在20～25℃，每10 d保持相同運行參數（上升流速和供氧量），逐步提高上升流速并增加進入反應區的溶解氧量，每個參數階段取樣后在顯微鏡下觀察污泥形態，以顆粒污泥輪廓清晰、結構緊湊、在污泥干重中占據相當比例，且同步脫氮效果穩定來界定顆粒污泥培養的成功；第II階段：反應器在室溫16～28℃下穩定運行，考察供氧條件的影響，每種供氧條件穩定運行半個月左右。

表1 運行參數調整

2 結果和討論

2．1 微氧顆粒污泥培養過程

培養期間污泥的形成過程和性能變化如圖2和表2所示，反應器運行效果見表3。在第8 d從各個取樣口取樣觀察，污泥床中下部出現顆粒狀污泥，輪廓較清晰，而污泥床上部仍為絮狀污泥。隨后逐步增加上升流速和進入污泥區的溶解氧量，污泥沉降性能良好，運行第16 d時顆粒污泥已經初步形成。繼續培養，顆粒污泥輪廓趨于規則，結構更加緊湊。到第30 d時，粒徑0．45 mm以上的顆粒占到污泥總干重的78%（見表2），反應器脫氮率達50%左右，表明培養成功。培養成功后，顆粒污泥粒徑集中在0．45～2 mm，沉速在20～92 m／h。

圖2 微氧顆粒污泥的形成過程

表2 第I階段污泥性能的變化

結合表1，可以看出，在馴化和適應階段，階段性地提高上升流速和供氧量，既可以保持適度的水力篩選，加快絮狀污泥顆粒化進程，同時反應器內污泥濃度又不至于大幅下降；還可以使初期形成的厭氧聚集體逐漸被包裹成為顆粒污泥的內核，保持培養過程的穩定（因為如果始終維持恒定的充氧條件，初期形成的微生物晶核被包裹后很可能會由于氧環境的變化而解體［9］）。顆粒污泥形成后，保持穩定的水力條件，污泥粒徑不斷增加，外形逐漸規則，結構趨于緊湊，因而沉降性能明顯提高。觀察注意到，顆粒污泥的含水率比接種污泥明顯降低，這一點可以解釋為質子跨膜遷移引起細胞原位脫水。在高度的水力剪切作用下，細菌通過脫水作用相互粘附或凝聚，避免被沖出反應器。而顆粒污泥的形成大大縮短了微生物之間的距離，更加有利于質子的跨膜遷移和細胞脫水。

微氧顆粒污泥培養成功后，保持MLSS在8～9 g／L，反應器表現出穩定的COD去除和同步脫氮效果（見表3）。當供氧速率增加到2．8 gO2／d時，COD去除率達87%，出水低于50 mg／L。氨氮和總氮的去除率均達79%，出水總氮低于10 mg／L。在微氧環境中 O2，NOx－（NO2－和 NO3－），SO42－，CO2等多種電子受體共存，好氧、兼氧和厭氧反應同時發生。一旦形成了穩定的顆粒污泥，各種微生物在其中有序分布，緊密結合，基質和代謝產物在種間的傳質距離得以縮短，因而處理效果顯著。

表3 第I階段反應器的同步脫氮效果

2．2 供氧條件的影響

圖3和圖4反映了供氧條件對運行效果和脫氮速率的影響。微氧反應器對COD去除效果較為穩定，相比之下，脫氮效率受供氧條件的影響更加顯著，低供氧條件下不能獲得理想的脫氮效果。當供氧速率為2．8～3．2 gO2／d時，反應器對COD，氨氮和總氮去除率分別為89%～91%，81%～85%和80%～81%。此時，反應器脫氮速率達1．7 g N／d，出水水質量最佳。觀察發現，進一步增加供氧速率后脫氮速率增幅變緩，出水中出現少量硝氮殘留，可能是供氧量的增加使全程硝化反硝化脫氮作用得到加強。

圖3 供氧條件對運行效果的影響

圖4 供氧條件對脫氮速率的影響

供氧量對污泥的影響見表4和圖5－7。隨著供氧水平的提高，顆粒污泥逐漸由帶有光澤的黑色變為黑灰色或褐色，外表由光滑變得粗糙。當供氧速率低于2．3 gO2／d時，微氧顆粒污泥外形規則，表面相對致密，沉速與實驗室同期培養的厭氧顆粒污泥相當，反應器中污泥的SVI保持在16～25 m L／g。隨著供氧量的增加，污泥中開始出現好氧型微生物。供氧速率在2．3～3．2 gO2／d時污泥性能相對穩定，顆粒污泥結構較為密實，外層可見絲狀菌，內部球菌、桿菌生長密集。當供氧速率增加到3．2 gO2／d時，顆粒污泥表面變得疏松，少數顆粒發生解體，污泥床上層由于絮體增多，SVI顯著增加，顆粒污泥外層絲狀菌呈現優勢。

表4 不同供氧條件下污泥的性能

圖5 供氧條件對污泥形態的影響

圖6 供氧條件對污泥沉降性的影響

圖7 不同供氧條件下的微生物相

3 結論

接種污水處理廠剩余污泥在EGSB反應器中能快速培養出同步脫氮微氧顆粒污泥。培養周期僅需1個月，所形成的微氧顆粒污泥結構緊湊，粒徑集中在0．45～2 mm，沉速為20～92 m／h。微氧反應器的同步脫氮效果明顯受充氧量影響。HRT為6h，供氧速率為2．8～3．2 gO2／d時，COD，NH3－N和TN的去除率分別達89%～91%，81%～85%和80%～81%，同步脫氮速率達1．7 g N／d。供氧速率達到3．2 gO2／d會使污泥沉降性能下降，并出現顆粒解體和絲狀菌生長優勢。

［1］ Liu X W，Sheng G P，Yu H Q．Physicochemical characteristics of microbial granules［J］．Biotechnology Advances，2009，27（6）：1061－1070．

［2］ 董春娟，呂炳南，趙慶良．限氧EGSB反應器運行機理的研究［J］．中國給水排水，2008，24（15）：54－57．

［3］ Zhou W L，Imai T，Ukita M，et al．Effect of limited aeration on the anaerobic treatment of evaporator condensate from a sulfite pulp mill［J］．Chemosphere，2007，66（5）：924－929．

［4］ van der Zee F P，Villaverde S，Garcia P A，et al．Ulfide removal by moderate oxygenation of anaerobic sludge environments［J］．Bioresource Technology，2007，98（3）：518－524．

［5］ Chen Y C，Lan H X，Zhan H Y，et al．Simultaneous anaerobic－aerobic biodegradation of halogenated phenolic compound under oxygen－limited conditions［J］．J．of Environmental Sciences，2005，17（5）：873－875．

［6］ Chu L B，Zhang X W，Yang F L，et al．Treatment of domestic wastewater by using a microaerobic membrane bioreactor［J］．Desalination，2006，189（1－3）：181－192．

［7］ Young－Ho Ahn，Hoon－Chang Choi．Autotrophic nitrogen removal from sludge digester liquids in upflow sludge bed reactor with external aeration［J］．Process Biochemistry，2006，41（9）：1945－1950．

［8］ 國家環境保護總局．水和廢水監測分析方法［M］．4版．北京：中國環境科學出版社，2006．

［9］ Mosquera－Corral A，de Kreuk M K，Heijnen J J，et al．Effect of oxygen concentration on N－removal in an aerobic granular sludge reactor［J］．Water Reaearch，2005，39（12）：2676－2686．