微生物絮凝劑投加方式對(duì)好氧顆粒污泥性能的影響

宋志偉，王秋旭，寧婷婷，任南琪，李立欣

1.黑龍江科技大學(xué)環(huán)境與化工學(xué)院，哈爾濱 1500222.哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150090

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微生物絮凝劑投加方式對(duì)好氧顆粒污泥性能的影響

宋志偉1，王秋旭1，寧婷婷1，任南琪2，李立欣1

1.黑龍江科技大學(xué)環(huán)境與化工學(xué)院，哈爾濱 150022
2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150090

為提高好氧污泥顆粒化速度，采用微生物絮凝劑，探討在好氧顆粒污泥培養(yǎng)過(guò)程中微生物絮凝劑的投加方式對(duì)顆粒污泥理化性能及生物降解效能的影響。結(jié)果表明：微生物絮凝劑每隔2、3、5、7 d投加一次時(shí)，均可培養(yǎng)出成熟的好氧顆粒污泥，微生物絮凝劑的投加方式對(duì)好氧污泥顆粒化的影響較顯著；微生物絮凝劑最佳投加方式為每5天投加一次，此時(shí)顆粒化速度快，顆粒形成時(shí)間由未投加的60 d縮短為42 d，好氧顆粒污泥疏水性好，污泥體積指數(shù)穩(wěn)定在40 mL/g左右，沉降速度達(dá)35.06 m/h，COD、氨氮和總磷的去除率分別為96.55%、93.29%和87.29%。

微生物絮凝劑；好氧顆粒污泥；氣升式內(nèi)循環(huán)序批反應(yīng)器

0 引言

污泥的顆粒化使污水處理系統(tǒng)中微生物高度密集，并保持較高的生物活性，利于反應(yīng)后的固液分離，縮短污水處理所需時(shí)間，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)氮、磷以及其他金屬離子的去除。但是，污泥的顆粒化所需時(shí)間很長(zhǎng)，一般情況下，在升流式厭氧污泥床反應(yīng)器(UASB)反應(yīng)器中厭氧顆粒的形成需2～8月[1]，而氣升式內(nèi)循環(huán)序批反應(yīng)器(SBAR)中培養(yǎng)好氧顆粒污泥需1～3月[2-9]，這極大地限制了好氧顆粒污泥的工業(yè)應(yīng)用。

有些學(xué)者探討通過(guò)改變微生物活性等促進(jìn)好氧顆粒污泥的快速形成：于廣麗等[10]通過(guò)投加真菌Phanerochaetesp.HSD的厚垣孢子有效縮短了好氧顆粒污泥的馴化時(shí)間；王勁松、胡勇有[11-12]在UASB反應(yīng)器處理低濃度廢水的啟動(dòng)運(yùn)行條件下，投加微生物絮凝劑，證實(shí)了微生物絮凝劑促進(jìn)了厭氧菌的聚集，微生物量積累更多，顆粒污泥粒徑大，顆粒污泥活性高，提高了厭氧污泥顆粒化速度。

筆者將微生物絮凝劑應(yīng)用于促進(jìn)好氧污泥顆粒化的研究，考察在SBAR反應(yīng)器運(yùn)行過(guò)程中微生物絮凝劑投加方式的不同對(duì)好氧顆粒污泥理化特性的影響，探討在水力停留時(shí)間為6 h、曝氣量為0.32 m3/h、有機(jī)負(fù)荷為3.0 kg/(m3·d)的條件下[8]，定期投加微生物絮凝劑對(duì)好氧污泥顆粒化進(jìn)程的影響，并與空白實(shí)驗(yàn)組進(jìn)行對(duì)比，以期為加速好氧污泥顆粒化奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)采用自制氣升式內(nèi)循環(huán)序批反應(yīng)器[13]，反應(yīng)器有效容積5 L。

1.2 反應(yīng)器運(yùn)行方式

以動(dòng)態(tài)連續(xù)試驗(yàn)為主，采用5個(gè)反應(yīng)器并列運(yùn)行，運(yùn)行時(shí)間為42 d，實(shí)驗(yàn)條件見表1。

每個(gè)循環(huán)周期為6 h，時(shí)間控制為：進(jìn)水10 min；排水5 min；閑置10 min；沉淀時(shí)間第1周15 min，第2周10 min，第3周后5 min；曝氣時(shí)間第1周320 min，第2周325 min，第3周后330 min[9]。

1.3 試驗(yàn)用水與接種污泥

試驗(yàn)用水采用人工模擬污水，組成見表2，實(shí)驗(yàn)所用藥品均為分析純。接種污泥取自哈爾濱市文昌污水處理廠二沉池，呈絮狀深灰黑色，污泥特性見表3。

表1 實(shí)驗(yàn)條件

表2 模擬污水成分

注：*指每升模擬水樣中加入1 mL微量元素溶液，微量元素溶液中的微量元素組成為：H3BO4150，ZnSO4·7H2O 120，MnCl2·7H2O 120，CuSO4·5H2O 30，NaMoO465，NiCl250，CoCl2·6H2O 210，KI 30 mg/L。

表3 接種污泥特性

注：MLSS為混合液懸浮固體質(zhì)量濃度；SVI為污泥體積指數(shù)；v為沉降速度；SOUR為比耗氧速率。

1.4 微生物絮凝劑及投加方式

微生物絮凝劑：取自哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，該微生物絮凝劑主要為F2放射根瘤菌(Rhizobiumradiobacter)、F6球形芽孢桿菌(Bacillussphaeicus)，相對(duì)分子質(zhì)量4.79×105Da，多糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)約85.82%，微生物絮凝劑質(zhì)量濃度20 mg/L。

微生物絮凝劑投加方式：實(shí)驗(yàn)開始時(shí)在接種污泥投入反應(yīng)器時(shí)加入1次微生物絮凝劑，R1、R2、R3、R4反應(yīng)器運(yùn)行中微生物絮凝劑的投加方式如表1所示，每次投加量均為50 mL[13]，其中R5反應(yīng)器不投加微生物絮凝劑，作空白對(duì)比試驗(yàn)。

1.5 分析項(xiàng)目及方法

顆粒污泥的形態(tài)：采用電子顯微鏡(German，LeicaDM1000)觀察。

Zeta電位：采用ZetasizerNanoZSInstrument(MalvernCo.,U.K.)，在25 ℃時(shí)測(cè)量所得。

2 結(jié)果與討論

2.1 微生物絮凝劑投加方式對(duì)好氧污泥顆粒化進(jìn)程的影響

2.1.1 對(duì)好氧污泥顆粒化速度的影響

在R1、R2、R3、R4、R5分別運(yùn)行7、28、42d時(shí)取反應(yīng)器內(nèi)污泥，用電子顯微鏡觀察污泥的形態(tài)變化，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可見：接種污泥在SBAR反應(yīng)器中運(yùn)行到7d時(shí)，R1、R2、R3、R4反應(yīng)器中污泥顏色均由黑褐色逐漸變成淺褐色，且均有粒徑不同的橢球狀、半透明的淺黃色或白色污泥顆粒出現(xiàn)，但是粒徑(d)均以<0.2mm為主。R1反應(yīng)器中形成的顆粒表面較其他三者更光滑，由圖1j可以明顯看到R4形成的顆粒中心有核，但顆粒污泥密實(shí)程度較低，顆粒表面凹凸不平；這是顆粒形成的初始形態(tài)，這樣的顆粒污泥沉降性能較差。對(duì)比可以看出，R1比其他三者形成顆粒污泥的速度更快，R4形成顆粒污泥的速度最慢。此時(shí)R1污泥的SVI值迅速降到了44.20mL/g，R2、R3、R4污泥SVI值也控制在50～60mL/g左右，沉降速度提高到15～20m/h。

隨著實(shí)驗(yàn)運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)、沉降時(shí)間的縮短，反應(yīng)器中結(jié)構(gòu)松散、沉降性能差的細(xì)小顆粒及絮狀污泥不斷被洗出，促進(jìn)了污泥顆粒化，顆粒污泥不斷出現(xiàn)、長(zhǎng)大，沉降性能繼續(xù)改善，污泥的沉降性能逐步提高。

反應(yīng)器連續(xù)運(yùn)行28d后，由于在短時(shí)間內(nèi)大量投加微生物絮凝劑，促進(jìn)了胞外聚合物的分泌，促使R1內(nèi)顆粒粒徑增長(zhǎng)速度較快；但是顆粒密實(shí)程度較差，在較高的水力沖擊下，粒徑較大的顆粒出現(xiàn)破裂現(xiàn)象，如圖1b所示，同時(shí)出水效果也較14d時(shí)有所下降。由圖1e可見，雖然R2內(nèi)形成的顆粒污泥中心的核較密實(shí)，但是核外仍有一層乳白色的物質(zhì)包繞，顆粒表面不光滑。由圖1h可看出，在R3內(nèi)也形成了較大、較密實(shí)的顆粒污泥，并且在其表面和周圍附著大量的鐘蟲，其出水效果良好。

運(yùn)行42d后，與R5相比，R1在42d后形成大量乳白色半透明狀顆粒污泥；由圖1c可見，污泥成粒效果不好，且顆粒表面有很多絲狀物質(zhì)附著；SVI最低值仍為48.96mL/g，沉降速度最大僅達(dá)到29.60m/h。而R2、R3、R4成團(tuán)現(xiàn)象較好，顆粒不斷地長(zhǎng)大，均形成了大量表面光滑、輪廓清晰的黃褐色顆粒，并不斷有新的乳白色顆粒污泥出現(xiàn)，而且能夠明顯地看到好氧顆粒污泥的表面包裹著密實(shí)、牢固的黃褐色物質(zhì)，污泥絮體減少，SVI降到30～40mL/g，最大沉降速度分別為33.63、35.06、32.82m/h，出水COD、氨氮和TP的質(zhì)量濃度趨于穩(wěn)定。

a.R1運(yùn)行7 d；b.R1運(yùn)行28 d；c.R1運(yùn)行42 d；d.R2運(yùn)行7 d；e.R2運(yùn)行28 d；f.R2運(yùn)行42 d；g.R3運(yùn)行7 d；h.R3運(yùn)行28 d；i.R3運(yùn)行42 d；j.R4運(yùn)行7 d；k.R4運(yùn)行28 d；l.R4運(yùn)行42 d；m.R5運(yùn)行7 d；n.R5運(yùn)行28 d；o.R5運(yùn)行42 d。圖1 污泥形態(tài)變化Fig.1 Morphology of aerobic granules

可見4種微生物絮凝劑投加方式均可以形成好氧顆粒污泥，與R1、R4相比，R2、R3內(nèi)所形成的顆粒污泥的沉降性能及微生物量較高，且采用5 d投加1次的方式形成的顆粒速度更快、性能更好；而當(dāng)采用2 d投加1次微生物絮凝劑的方式時(shí)，污泥顆粒快速形成，但污泥穩(wěn)定性差。這是由于微生物絮凝劑的適量投加促進(jìn)了胞外聚合物的分泌，這層胞外聚合物能提高顆粒的疏水性能，通過(guò)Zeta電位的變化可以證實(shí)。

2.1.2 對(duì)好氧顆粒污泥粒徑分布的影響

在反應(yīng)器運(yùn)行7 d和42 d時(shí)，分別取反應(yīng)器內(nèi)污泥采用標(biāo)準(zhǔn)篩分法測(cè)定其粒徑，結(jié)果如圖2所示。

圖2 好氧顆粒污泥粒徑分布Fig.2 Size distribution of aerobic granular sludge in reactors

由圖2a可見：運(yùn)行7 d時(shí)，R1、R2、R3內(nèi)污泥的成粒效果均不明顯，d<0.2 mm的污泥均占總污泥量的90.00%左右，R4中d<0.2 mm的污泥約占80%，但4個(gè)反應(yīng)器中均不同程度出現(xiàn)d>1.5 mm的顆粒。

由圖2b可見：好氧顆粒污泥培養(yǎng)末期，R1中顆粒污泥d<0.2 mm的質(zhì)量分?jǐn)?shù)仍維持在48.57%，雖然有d>2.0 mm的顆粒出現(xiàn)，但只是少量的，整體上污泥d>0.2 mm、d<0.2 mm的質(zhì)量分?jǐn)?shù)各約為50%；R2、R3、R4中顆粒污泥粒徑在0.2～0.6 mm范圍內(nèi)顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別達(dá)到48.85%、29.94%、49.31%，而且R3中顆粒粒徑增長(zhǎng)的速度最快，其粒徑在0.6～1.0 mm、1.0～2.0 mm的顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于其他反應(yīng)器。

通過(guò)對(duì)R1、R2、R3、R4中顆粒粒徑的計(jì)算，得出各組成熟顆粒污泥的算術(shù)加權(quán)平均粒徑分別為0.314 、0.389、0.547、0.335 mm。顆粒粒徑的變化與Zeta電位的變化基本一致，在好氧顆粒培養(yǎng)末期，R3中顆粒污泥的Zeta電位最大，其疏水性能最好。根據(jù)細(xì)胞表面疏水性理論，當(dāng)顆粒污泥Zeta電位逐漸變大，即顆粒表面電荷變少時(shí)，此時(shí)好氧顆粒污泥的疏水性能增強(qiáng)，細(xì)胞之間的斥力變小，引力增加，更有利于顆粒的聚集，因此好氧污泥顆粒化效果最好。

2.2 微生物絮凝劑投加方式對(duì)好氧顆粒污泥降解效果的影響

圖3 好氧顆粒污泥的的去除效果Fig.3

由圖3a所示：反應(yīng)器運(yùn)行7 d時(shí)，R3、R4中污泥對(duì)COD去除效果有不同程度的提高，相比之下,R1、R2提高的速度更快一些；培養(yǎng)14 d后，R1、R2中顆粒污泥對(duì)COD的去除效果開始呈下降趨勢(shì)，而R3、R4對(duì)COD的去除率繼續(xù)提高；運(yùn)行30 d以后，R3、R4對(duì)COD的去除效率趨于穩(wěn)定，基本穩(wěn)定在95.00%左右，而R1、R2對(duì)COD的去除率仍存在波動(dòng)，而且處理效果不夠理想，僅達(dá)到90.00%左右；培養(yǎng)42 d后，R1、R2、R3、R4對(duì)COD的去除率分別達(dá)到87.08%、88.7%、96.55%、96.98%。與R5相比，在好氧顆粒污泥培養(yǎng)過(guò)程中投加微生物絮凝劑對(duì)COD的降解影響不顯著。

a.R1；b.R2；c.R3；d.R4；e.R5。圖4 好氧顆粒污泥掃描電鏡照片F(xiàn)ig.4 SEM photographs of the aerobic granules

由圖3c曲線的變化趨勢(shì)可見：反應(yīng)器運(yùn)行后的7 d內(nèi)，R1、R2、R3、R4對(duì)TP的去除效果均高于R5，且呈明顯增長(zhǎng)趨勢(shì)；運(yùn)行14 d后，R1、R2對(duì)TP的去除效果呈下降趨勢(shì)，而R3、R4的去除效果較為穩(wěn)定；運(yùn)行30 d后，R1、R2、R3、R4對(duì)TP的去除效果都趨于穩(wěn)定，但是此時(shí)R1、R2對(duì)TP的去除效果分別下降到61.63%、65.0%，而R3、R4的去除效果較好，分別達(dá)到85.43%、83.52%；運(yùn)行42 d各組反應(yīng)器對(duì)TP的去除效率分別達(dá)到76.92%、75.87%、87.29%、85.13%。投加微生物絮凝劑對(duì)TP的去除影響較為顯著，這可能是由于微生物絮凝劑的加入對(duì)顆粒污泥的微生物群落產(chǎn)生了較大的影響，有待進(jìn)一步研究。

可見，頻繁投加微生物絮凝劑條件下污泥顆粒化效果并不理想，這可能是由于投加微生物絮凝劑過(guò)多，促使胞外聚合物過(guò)多地分泌，使污泥沉降性能差。而采用每5天投加1次的方式，污泥顆粒化效果和降解性能相對(duì)較好，說(shuō)明適量的投加微生物絮凝劑可有效改變顆粒的疏水性能，利于污泥的顆粒化，同時(shí)使其表面聚集更多的微生物，改善好氧顆粒污泥對(duì)污水的降解效果。

2.3 微生物絮凝劑投加方式對(duì)好氧污泥顆粒化影響的機(jī)理探討

2.3.1 好氧顆粒污泥微觀結(jié)構(gòu)的變化

由好氧顆粒污泥掃描電鏡照片(圖4)可見：在R3、R4中形成的好氧顆粒污泥表面分布著一些較清晰的孔隙，且延伸到顆粒內(nèi)部(圖4c、d)，這些孔隙是底物、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和氣體的輸送通道，也是顆粒污泥內(nèi)部微生物排放代謝產(chǎn)物的通道； R1、R2、R5中未見有絲狀細(xì)菌出現(xiàn)，顆粒表面的空隙較淺(圖4a、b、e)。根據(jù)對(duì)相關(guān)污泥性能的測(cè)定和對(duì)好氧顆粒污泥形成過(guò)程的分析[17]可知，在顆粒孔隙較淺的情況下，顆粒中的專性厭氧菌在好氧條件下不能生存而死亡，進(jìn)而發(fā)生自溶或被新生成的好氧微生物消耗，從而影響到顆粒狀污泥的各方面性能，如沉降性能及微生物含量、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的進(jìn)入等。

由于在R3中好氧顆粒表面具有相對(duì)良好的內(nèi)部孔隙，不但其沉降性能好，且溶解氧能從顆粒外部經(jīng)過(guò)表面孔隙逐漸傳遞到顆粒內(nèi)部，氧濃度逐漸降低形成氧梯度，在顆粒內(nèi)部造成缺氧區(qū)域，形成了適宜兼氧微生物(如反硝化細(xì)菌)生長(zhǎng)的地方，有利于其對(duì)氨氮的降解，故R3中培養(yǎng)出的好氧顆粒污泥性能良好。

可見，微生物絮凝劑的投加對(duì)顆粒污泥的結(jié)構(gòu)有一定影響，而顆粒污泥的形成與其中微生物的種群變化是密切相關(guān)的。本研究中投加的微生物絮凝劑主要以放線菌為主，放線菌呈菌絲狀生長(zhǎng)，在水力剪切力的作用下，菌絲相互纏繞形成顆粒污泥的網(wǎng)狀骨架，在顆粒污泥中能起到架橋作用，因此，適量地投加微生物絮凝劑能促進(jìn)顆粒污泥的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。

2.3.2 好氧顆粒污泥疏水性能的變化

在實(shí)驗(yàn)運(yùn)行過(guò)程中，定期測(cè)定各反應(yīng)器中的顆粒污泥的Zeta電位，結(jié)果如表4所示。

表4 各反應(yīng)器中好氧顆粒污泥的Zeta電位

由表4可知：運(yùn)行7 d時(shí)，R1、R2、R3、R4中污泥的Zeta電位都呈明顯增加的趨勢(shì)，且R1增加得較快；運(yùn)行28～42 d時(shí)，R2、R3的Zeta電位增加到-4.000～-2.000 mV，并且較穩(wěn)定，R4的Zeta電位由-8.595 mV上升到-3.267 mV，Zeta電位的增加較R2、R3更緩慢，而R1內(nèi)污泥的Zeta電位趨于穩(wěn)定，維持在-7.000～-5.000 mV，與未投加微生物絮凝劑的R5比較接近。這可能是因?yàn)樾跄芊置谳^多的蛋白質(zhì)等黏性物質(zhì)，在污泥顆粒化過(guò)程中起到了增加EPS(胞外聚合物)含量的作用，進(jìn)而有效地提高了顆粒污泥的疏水性能[18]。根據(jù)細(xì)胞表面疏水性假說(shuō)，顆粒表面疏水性的增加，減小了顆粒間的靜電斥力，使其更易產(chǎn)生碰撞接觸，易于形成顆粒污泥。

3 結(jié)論

1)投加微生物絮凝劑能促進(jìn)好氧顆粒污泥的形成，在SBAR反應(yīng)器培養(yǎng)好氧顆粒污泥過(guò)程中，每2、3、5、7 d分別投加50 mL微生物絮凝劑的情況下，均可培養(yǎng)出成熟的好氧顆粒污泥，顆粒的沉降性能良好，污泥質(zhì)量濃度穩(wěn)定在3.0～3.5 g/L，出水水質(zhì)良好。

2)微生物絮凝劑最佳投加方式為每5天投加一次，這種方式下所形成的好氧顆粒污泥疏水性好，顆粒化速度快，顆粒化時(shí)間由未投加微生物絮凝劑的60 d縮短為42 d，顆粒污泥的SVI穩(wěn)定在40 mL/g左右，沉降速度最大達(dá)37.32 m/h。

3)適量投加微生物絮凝劑形成的好氧顆粒污泥，對(duì)污水中氨氮、總磷的降解效果明顯改善，去除率分別達(dá)93.29%、87.29%，而對(duì)COD的去除無(wú)顯著影響。

4)掃描電鏡觀察顯示，適量添加微生物絮凝劑可在好氧顆粒表面形成良好的內(nèi)部孔隙，有利于其理化性能和降解性能的改善。

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Influence of Microbial Flocculant Dosing Way on Performance of Aerobic Granules

Song Zhiwei1, Wang Qiuxu1，Ning Tingting1, Ren Nanqi2,Li Lixin1

1.SchoolofEnvironmentalandChemicalEngineering,HeilongjiangUniversityofScienceandTechnology，Harbin150022,China2.StateKeyLaboratoryofUrbanWaterResourceandEnvironment,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150090,China

microbial flocculant; aerobic granular sludge; sequencing batch airlift reactor (SBAR)

10.13278/j.cnki.jjuese.201501207.

2014-06-05

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51408200)；黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(E201461)

宋志偉(1968——)，女，教授，博士，主要從事污水治理技術(shù)及工藝方面的研究，E-mail:szwcyp@163.com。

10.13278/j.cnki.jjuese.201501207

X703.1

A

宋志偉，王秋旭，寧婷婷，等. 微生物絮凝劑投加方式對(duì)好氧顆粒污泥性能的影響.吉林大學(xué)學(xué)報(bào):地球科學(xué)版,2015,45(1):247-254.

Song Zhiwei, Wang Qiuxu, Ning Tingting, et al. Influence of Microbial Flocculant Dosing Way on Performance of Aerobic Granules.Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2015,45(1):247-254.doi:10.13278/j.cnki.jjuese.201501207.