pH值對好氧處理及污泥性能的影響

王　伸， 鄧良偉， 徐　則 ， 鄭　丹， 王　蘭， 王　霜，

(1．農業部沼氣科學研究所， 成都　610041; 2．農業部農村可再生能源開發利用重點實驗室， 成都　610041)

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pH值對好氧處理及污泥性能的影響

王伸1,2， 鄧良偉1,2， 徐則1,2， 鄭丹1,2， 王蘭1,2， 王霜1,2，

(1．農業部沼氣科學研究所， 成都610041; 2．農業部農村可再生能源開發利用重點實驗室， 成都610041)

好氧生物處理法是廢水處理使用最廣泛的方法。常用的控制參數有pH值、溶解氧(DO)、溫度、污泥濃度、污泥負荷和污泥齡(SRT)等。其中，pH值是重要的調控因子，直接影響好氧處理污泥微生物的種類、生命活動、代謝活力、表面特性。文章討論了污水處理過程中pH值變化的原因和pH值變化對污染物去除(主要為有機物、氨氮和TP)的影響，并分析了pH值變化對污泥的沉降性能的影響及其機理。

pH值； 好氧處理； 污泥活性； 污泥沉降性

好氧生物法是廢水處理使用最廣泛的方法。它能從污水中去除可生物降解的有機物、部分膠體的以及吸附在污泥上的懸浮固體和其他一些物質；無機鹽類，如磷和氮的化合物等，也能部分被去除。好氧生物處理的作用主體是好氧污泥，就是由多種多樣的好氧微生物和兼性厭氧微生物與污水中有機的和無機固體物混凝交織在一起，形成的絮狀體，或者附著在填料載體上的生物膜。其上生長著各種各樣的微生物，如霉菌、放線菌、酵母菌、藻類、原生動物和一些微型后生動物輪蟲、線蟲等。好氧生物處理法分為活性污泥法(常見的工藝有序批示反應器(SBR)，吸附-生物降解工藝(AB法)、氧化溝和循環活性污泥工藝(CAST)等)和生物膜法(常見的工藝有生物濾池、生物轉盤、生物接觸氧化池、曝氣生物濾池和生物流化床等)兩大類[1]。好氧生物處理法中常用的控制參數有pH值[2]、溶解氧(DO)[3]、溫度[4]、污泥濃度[5]、污泥負荷和污泥齡(SRT)[6]。其中，pH值是重要的調控因子，直接影響著好氧污泥中微生物的種類、生命活動、代謝活力和表面特性，進而影響廢水處理反應器的運行性能。

1　pH值變化的原因

好氧生物處理系統中，pH值變化一是與進水pH值直接相關[7]，當進水pH值比較低時，反應器里面的堿度不能起很好的緩沖作用，反應器pH值降低；同理，當進水pH值比較高時，反應器pH值升高，如啤酒廢水進水pH值為5.0會影響反應器系統pH值[8]，使反應器pH值處于較低水平。二是好氧處理過程物質轉化導致pH值變化。在好氧生物處理過程中，氨的硝化過程消耗堿度，可導致pH值降低。而反硝化過程產生堿度，可導致pH值上升。硝化和反硝化反應過程化學計量關系可表示為方程式(1)，(2)和(3)[9]。

(1)

反硝化反應:

(3)

2　pH值對污染物去除的影響

2.1pH值對有機物去除的影響

丁峰[11]等采用序批式活性污泥法(SBR)處理工業廢水和啤酒廢水時，認為pH值對COD去除率有很大影響。當兩種廢水的進水pH值<5.0 時和pH值 >9.0時，COD去除率較低(<85%)；而pH值在5.0和9.0之間時COD去除率在90%左右。Yan[12]等用SBR處理豬場廢水時研究發現，當進水pH值為7.0～8.0時，COD去除率為65%左右，當進水為8.5，9.0和9.5時，去除率分別為75.87，81.11和85.05%。在污水生物處理過程中，微生物生長的pH值范圍是4.0～ 9.0，異養細菌的最適生長pH值范圍為6.5～7.5。異養菌微生物在生長過程中需要有機碳源作為電子供體，用于產能和細胞合成，進而部分COD被消耗和去除。當pH值超過10以上時，不利于異養菌數量增加[13]；當pH值在6.5以下時，異養細菌活性將受到抑制，從而影響其對有機物的去除[10]。同時，pH值低會導致一些微生物解體[14]，解體微生物中含有有機物，增加出水COD，會影響有機物好氧污泥對有機物去除。

2.2pH值對氨氮的去除影響

2.1 兩組患者手術情況比較 B組的術中出血量、手術時間、術后排氣時間、術后拔管時間、術后腹腔引流量、進食時間、住院時間均顯著小于A組，兩組比較，差異均有統計學意義(P<0.05)。見表1。

Yan[12]等用SBR處理豬場廢水時研究發現，在進水氨氮濃度為238.85mg·L-1，在pH值為7.0，7.5，8.0，8.5，9.0和9.5時，出水濃度分別為 100.92，83.57，76.83，40.55，22.80和 10.99mg·L-1；結果表明pH值越高，氨氮去除率越高，進水pH值大于9.0時，去除率在90 %以上。硝化作用主要是好氧無機化能自養菌起作用，其組成包括把氨氧化成亞硝酸鹽的氨氧化細菌(AOB)，再進一步把亞硝酸鹽通過亞硝酸鹽氧化菌(NOB)氧化成硝酸鹽。自養微生物硝化過程對pH值高度敏感，其最佳pH值范圍為7～8。通常，純培養的環境下pH值低于5.8 (AOB) 或 6.5 (NOB)[15]，生長就會受到抑制，pH值低于5.5[16-17]細菌的活性消失，當pH值調整時，硝化細菌活性可以恢復[18]。

pH值影響氨氮轉化的原因如下：

2.2.1底物有效性

(4)

硝化作用對酸性條件比較敏感的主要原因是pH值減小時游離氨的呈指數下降(NH3)(等式4)[20](8)。氨單加氧酶的基質是游離氨(34)，不同銨離子(41)，游離氨通過被動擴散轉運運到細胞中。許多報道[20-22](5，8，13)表明，在低至pH值3.3的酸性土壤中，存在自養硝化細菌和低速率硝化，但不能在使用專用液體分批培養系統下得到復制。即使在酸性土壤中也能把濃度可以忽略不計的氨供應給氨單加氧酶，其機理可能是存在類似非離子氨作為基質或存在堿性微區域，在此區域存在有利反應的pH值[20]。

2.2.2游離氨抑制

Anthonisen[23]等通過分批試驗發現FA可以抑制AOB和NOB的活性，其抑制兩種微生物的閡值濃度分別為0.1～1.0mg·L-1和10～150mg·L-1。閆旭[24]等研究發現，在pH值為6.5，7.0，7.5和8.0，FA濃度分別為0.06，0.18，0.55和1.69；隨著pH值增加，FA濃度增加，系統對NOB抑制作用逐漸增加，但都沒有達到抑制AOB的濃度闕值。

2.2.3游離亞硝酸抑制

(5)

Al-GhusainandHao[25]等認為FNA在4.68～59.57μmol·L-1(0. 22～ 2.8mg·L-1)之間對硝化細菌有抑制。pH值降低，FNA會升高，對AOB和NOB會產生抑制[26-27]。

2.3pH值對磷的去除影響

鄭弘[28]等研究發現，當進水pH值由7.6降為6.8 時，系統除磷效率由93.7%降至65.1%。丁艷[29]等研究發現，當pH值分別為7和8時，TP去除率分別為94.9和83.5%，對應每單位VSS的TP去除量分別為4.08和3.74mg·g-1。pH值影響除磷的可能原因如下:

2.3.1影響聚磷菌活性

傳統的生物除磷理論[30-31]認為，生物除磷主要通過聚磷菌(Poly-PAccumulatingOrganisms，PAOs)在厭氧條件下水解細胞原生質中聚合磷酸鹽(poly-P)釋放磷，在有氧的條件下過量攝取磷，并排除富磷污泥的途徑達到除磷的目的。生物除磷受pH值影響很大，Daumer[14]等研究發現硝化反應導致的酸化是出現高濃度的溶解磷的根本原因。在6.5～8.5的范圍內時，在較高的pH值下(如7.5或8.0)，無論厭氧還是好氧狀態PAO活性都會增強，在一定范圍內，高的pH值有利于PAOs，當pH值為8.5時，好氧吸磷和厭氧釋磷效果都下降[32]。Tracy和Flammino[33]用小型缺氧/好氧區研究pH值對單位吸磷率(gP·g-1VSSh-1)的影響，pH值為6.5～7.0時吸磷率差別不大，pH值低于6.5吸磷率急劇下降，pH值為5.2時所有活性都消失。

2.3.2破壞微生物細胞結構

pH值降低時導致細胞結構和功能損壞，細胞內聚磷在酸性條件下水解，從而導致聚磷菌的快速釋放。

2.3.3影響溶液磷的溶解與沉淀化學平衡

pH值升高時液相磷濃度下降的原因可能是產生沉淀，使一部分磷沉積到菌膠團表面[15]；在酸性條件下，無機磷會溶解于反應器中。

3　pH值對污泥沉降性能影響

污泥沉降性性能受眾多因素影響，如pH值[34]、有機負荷[35-36]、溶解氧濃度[37]，曝氣池混合強度[38]等。尤其pH值對活性污泥沉降性能影響很大。廢水處理工程中一般以污泥容積指數(SVI)來表示污泥的絮凝性能，SVI越小，沉降性能越好[39]。通常認為SVI為100～150mL·g-1，污泥沉降好；SVI>200mL·g-1，污泥沉降性能差；SVI值過低時，污泥絮體細小緊密，含無機物較多，污泥活性差[1]。璩紹雷[34]等研究pH值對SBR工藝污泥膨脹的影響，試驗進水pH值為5.0～10.0，在pH值為5.0 和6.0，出現污泥膨脹，SVI在170mL·g-1左右，pH值為7.0～10.0 的環境下運行時，系統的SVI基本保持在67～85mL·g-1之間，即使在pH值為10.0的堿性環境下指數仍能保持在正常范圍。

pH值對污泥的沉降性影響的原因主要表現對污泥中微生物類群的影響以及對微生物分泌胞外多聚物的影響。

3.1pH值對污泥中微生物類群的影響

朱哲[40]等研究發現，在低pH值4或5，絲狀菌為污泥的優勢菌種，鮮有見到菌膠團細菌。在pH值為7時絲狀菌基本消失，球菌增多，絮體表面光滑，污泥恢復到正常的菌膠團狀態。pH值為9時，污泥的生物相主要由球菌和桿菌組成，沒有發現過量的絲狀菌增長。pH值較低時，真菌開始比菌膠團細菌(絮狀菌)有競爭力，pH值降至4.5 以下時，真菌將占優勢，大部分原生動物將消失，不利于活性污泥的沉降分離和出水水質。真菌比細菌對pH值更敏感，真菌能改變周圍環境的pH值處于酸性環境中，與細菌顆粒相比，真菌更寬松和不牢固，因此在曝氣擾動下更容易破壞和侵蝕[41]。pH值超過9.0，微生物代謝速度受到影響，出現污泥解體與上浮[11]。

3.2pH值對微生物分泌胞外多聚物的影響

微生物的沉降性與微生物分泌的EPS密切相關[42]，許多研究表明EPS不利于微生物的沉淀[43]。EPS可分為溶解性EPS(SolubleEPS)和結合態EPS(BoundEPS)。BoundEPS呈現有流變性的雙層結構，是由緊密黏附的內層(TightlyBoundEPS，TB-EPS) 和松散附著的外層(LooselyBoundEPS，LB-EPS)構成。LB-EPS對污泥沉降性能有顯著地不利影響，而TB-EPS無顯著影響[44]。其原因是LB-EPS包含大量的束縛水，LB-EPS增加會導致聚合物束縛水增多導致污泥絮體有高的孔隙度和低密度，這種絮體結構明顯會導致污泥沉淀差[45]。EPS帶有負電荷，Wang[46]等研究表明，通過對電動電勢測量，發現EPS等電點在pH值4.8，EPS取得最好的絮凝效果，當pH值< 4.0 或pH值 > 9.0時，自絮凝性一般，結果表明：靜電排斥受pH值影響，pH值的變化會影響微生物胞外聚合物(EPS)的沉淀性能。朱哲[40]等研究發現，在酸性條件下(pH值4.0, 5.5)污泥產生的EPS總量較多, 其中多糖和蛋白質的含量遠大于中性(pH值7.0)和偏堿性條件(pH值9.0)。在中性條件下, 多糖和蛋白質的比例(多糖/蛋白質)最大，偏堿性時次之, 酸性條件時較小[40, 47]。酸性條件下，活性污泥周圍EPS含量增加，LB-EPS也會增加，其減弱細胞附著和使活性污泥絮狀結構破壞，不利于沉淀[45]。

4　小結

pH值作為重要的環境因子之一，它直接關系好氧處理污泥工藝能否正常運行，在污水處理過程中常由于進水變化和硝化作用，進而引起反應器pH值變化及調控，在工程中注意pH值變化，使反應器處于適宜pH值環境中。

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pH Effect on the Performance of Aerobic Treatment and Sludge Characteristics /

WANG Shen1,2， DENG Liang-wei1,2， XU Ze1,2， ZHENG Dan1,2， WANG Lan1,2， WANG Shuang1,2/

(1．Biogas Institute of Ministry of Agriculture，Chengdu 610041，China; 2. Laboratory of Development and Application of Rural Renewable Energy，Ministry of Agriculture，Chengdu 610041，China)

Aerobic biological treatment is the most widely used to treat wastewater, and the pH, dissolved oxygen (DO), temperature, sludge concentration, sludge loading and sludge retention time (SRT), are the commonly used control parameters. Therein, pH is one of the most important controlling factor, which directly affects the type of existed microorganism, metabolism activities and surface properties. In this paper, the causes of pH changing, the effect of pH changing on pollutant removal (mainly organic matters, ammonia nitrogen and TP) in wastewater treatment process, were discussed. The effect of pH changing on performance of sludge sedimentation and its mechanisms were also analyzed.

pH； aerobic treatment； sludge activity； sludge settling

2016-06-01

項目來源： 國家自然科學基金(31572450)； 國家生豬技術產業體系(CARS-36-10B)

王 伸(1990-)，男，安徽亳州人，在讀碩士，研究方向為農村廢棄物處理技術，E-mail：ws55185366@163.com

鄧良偉，E-mail：dengliangwei@caas.cn

S216.4; X703

A

1000-1166(2016)05-0022-05