番茄醬加工廢水的好氧顆粒污泥活性恢復研究

王維紅，康增彥，董星遼，許航，包文婷

(1.新疆農業(yè)大學 水利與土木工程學院，新疆 烏魯木齊 830052；2.中建三局安裝工程有限公司，湖北 武漢 430079；3.中色科技股份有限公司，河南 洛陽 471000；4.河海大學 環(huán)境學院，江蘇 南京 210098)

應用好氧顆粒污泥技術，可減少處理設施占地25%～75%，能耗降低20%～50%[1]。利用好氧顆粒污泥可處理畜禽養(yǎng)殖沼液、抗菌消炎PPCPs藥物污水等[2-3]。處理屠宰場廢水時，COD、氨氮和磷酸鹽的去除效率分別達到95.1%，99.3%和83.5%[4]。番茄醬加工排放的大量生產廢水，COD濃度范圍450～2 400 mg/L，氨氮4.5～26.5 mg/L，TP 0.5～5.5 mg/L[5]。番茄醬廢水處理需要在每年的生產季節(jié)提前馴化污泥，但好氧顆粒污泥儲存及快速效能恢復依舊限制了其在實際工程中的廣泛應用[6]。本文探討番茄醬廢水培養(yǎng)的好氧顆粒污泥儲存后的性能恢復，為處理番茄醬廢水應用提供技術支持。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

無水乙酸鈉、氯化銨、磷酸二氫鉀、氯化鈣、硫酸鎂、氯化鐵、鉬酸銨、鄰菲啰啉等均為分析純。

Olympus光學顯微鏡；JEOL Ltd掃描電子顯微鏡；BA410數碼顯微鏡；Olympus熒光顯微鏡；ZEISS體視顯微鏡；Quintix224-1電子分析天平；DR6000紫外分光光度計；ZEISS激光共聚焦顯微鏡；JB-2A磁力攪拌器；KQ5200DE超聲波清洗器；H1850臺式高速離心機等。

1.2 實驗方法

1.2.1 接種污泥 接種污泥取自以人工配制的番茄醬生產廢水為基質培養(yǎng)了180多天的好氧顆粒污泥，裝入清水瓶經冰箱在-18 ℃的環(huán)境中恒溫冷凍保存約260 d。

1.2.2 進水水質 進水為人工合成番茄醬生產廢水。以新鮮番茄為原材料榨汁提供碳源，COD濃度為800～1 300 mg/L，N、P元素由NH4Cl和Na2HPO4配制。pH值采用無水碳酸鈉調節(jié)，保持在7.3～7.8之間。常量元素和微量元素成分和濃度配制模擬實際廢水[7]。

1.2.3 實驗裝置 在SBR工藝模型中處理番茄醬生產廢水見圖1。反應器模型尺寸為內徑 8 cm，高度100 cm，有效容積4 L。工藝分為進水、曝氣、沉淀、出水4個階段，運行1個周期需要4 h，每天運行 6個周期。系統運行為進水時間10 min；進水完畢后自動啟動曝氣泵，曝氣反應時間為 200 min，沉淀階段，初始沉淀時間28 min，排水時間 2 min。曝氣時混合液pH值保持在7.0～7.5之間，DO保持在 8 mg/L 左右。沉淀時間隨著實驗的需要逐漸縮短，實驗共進行130 d。

圖1 SBR反應器裝置Fig.1 SBR Schematic1.進水桶；2.蠕動泵；3.曝氣泵；4.流量計；5.自動控制裝置；6.電磁閥；7.出水桶；8.SBR反應器；9.曝氣頭

1.3 分析方法

1.3.2 粒徑的檢測 采用Laguna等的濕篩分法[8]。接種污泥平均粒徑為7～8 mm的顆粒污泥，檢測使用體視顯微鏡和直尺可直接觀察測量。

1.3.3 AGS的沉降速度 顆粒沉降速度參照王燕杉等[9]的方法，采用自由沉降法進行多次測定。

2 結果與討論

2.1 粒徑分布

圖2為拍攝的冷凍前185 d的接種好氧顆粒污泥。

圖2 冷凍前培養(yǎng)185 d顆粒污泥Fig.2 Granular sludge was cultured for 185 dbefore freezing

由圖2可知，污泥外觀結構密實、光滑，富有彈性，顆粒直徑最大達到11 mm，平均粒徑約7～8 mm左右。因內部形成晶核，絲狀菌交錯纏繞，且微生物相對豐富，一些顆粒表面存在孔洞溝壑，用于向顆粒內部傳遞營養(yǎng)物質和排出氣體，此時的顆粒污泥活性已經有所下降，顆粒趨于解體。

冷凍期間，接種顆粒污泥顏色逐漸由淺褐色向深褐色、黑色轉變，顆粒污泥長期在低溫環(huán)境中，處于缺氧饑餓狀態(tài)，細菌逐漸死亡，活細菌減少，死細菌增多，生物活性下降，結構穩(wěn)定性降低，一些顆粒污泥出現破裂現象，冷凍期結束后，大部分好氧菌在饑餓缺氧環(huán)境中死亡，失去活性。隨著培養(yǎng)時間的推移，好氧顆粒污泥的粒徑不斷發(fā)生變化，圖3給出了130 d內不同培養(yǎng)階段的顆粒分布情況。

接種時，顆粒污泥的粒徑主要以大粒徑為主(接種污泥平均粒徑為8 mm)，當反應器運行到第13 d時，粒徑>4 mm的顆粒污泥占到34.7%左右，22.3%的污泥粒徑<0.45 mm，這部分主要是新生絮體污泥和破裂的懸浮物。培養(yǎng)到第30 d時，>4 mm 的顆粒污泥只占10%，絮體污泥占到19%，2～4 mm的顆粒，主要是大顆粒污泥不斷解體破裂，重造的穩(wěn)定顆粒。而產生的絮體污泥成長為 <2 mm 的顆粒污泥。隨后實驗繼續(xù)進行到第100 d時，0.45～2 mm的新生顆粒污泥占到68%，實驗進行到第130 d時，絮狀污泥占16%，0.45～4 mm的污泥起到主導作用，占比超過75%，而新長成2～4 mm 顆粒污泥占比逐漸增加，但一直沒有出現粒徑較大的顆粒污泥，且絮狀污泥一直偏高。粒徑隨時間增長變化緩慢，整個過程雖然粒徑分布均勻，但前期的顆粒是以接種顆粒污泥的裂解再造而形成的，而后期的顆粒主要是以絮體污泥不斷顆粒化形成的。

圖3 粒徑分布Fig.3 Particle size distribution

2.2 顆粒污泥的沉降速度

AGS沉降性能主要與顆粒污泥的結構和大小密切相關。當顆粒結構穩(wěn)定密實、污泥比重，沉降速度越大。粒徑0.45～1 mm的顆粒污泥平均比重約為1.011 g/L，粒徑在1.6～2 mm時比重在1.1～1.07 g/L之間。粒徑越大，密實度越高，其比重越大。

本實驗培養(yǎng)的顆粒污泥沉降速度，隨著顆粒粒徑增大而增大。不同粒徑范圍的平均沉降速度見表1。

表1 顆粒污泥粒徑與沉速Table 1 Change of particle size and sedimentationrate of granular sludge

由表1可知，與培養(yǎng)的接種顆粒污泥階段的沉降速度[10]相比，同粒徑范圍下的最高沉速也只有第一代顆粒污泥的0.81倍，說明顆粒的密實度下降，比重及濕密度測試也證明了這一點。

2.3 污泥指標變化

接種污泥冷凍前的MLSS為5.75 g/L，MLVSS為4.83 g/L，MLVSS/MLSS在0.84。冷凍保存 260 d 后，各指標均有下降。見圖4，接種2 d時MLSS、MLVSS、MLVSS/MLSS分別為4.33 g/L，2.37 g/L，0.58，沉淀時間為25 min。隨著恢復實驗的進行，第9 d時各指標達到穩(wěn)定，MLSS、MLVSS為5.57，4.93 g/L，MLVSS/MLSS為0.88。此時污泥指標已恢復到接種前的污泥活性，隨后的20 d內污泥濃度穩(wěn)定，MLVSS/MLSS平均值在0.9以上。MLSS和MLVSS在第30 d時達到8.31 g/L和 7.43 g/L，隨后2 d內沉淀時間逐漸縮短到15 min，MLSS和MLVSS分別降至4.34 g/L和3.85 g/L。反應器持續(xù)運行到第47 d時，沉淀時間縮短到 10 min，MLSS和MLVSS由7.43 g/L和6.68 g/L降低到6.47 g/L和5.81 g/L。在第65 d時，沉降時間縮短到8 min，MLSS和MLVSS由 8.33 g/L，7.43 g/L 降至 4.66 g/L，4.18 g/L。在第69 d時，沉降時間再次縮短到5 min，此時的MLSS、MLVSS分別為3.97 g/L和3.52 g/L。由于此時好氧顆粒污泥生長緩慢，接下來的很長一段時間絮狀污泥增多。為培養(yǎng)好氧顆粒污泥，沉淀時間再次調至 25 min。在第90 d前后，顆粒污泥再次恢復，隨后沉淀時間由25 min逐漸降至15 min，之后的培養(yǎng)一直保持沉降時間。后期的MLSS和MLVSS再次達到了8 g/L以上。

圖4 MLSS、MLVSS、MLVSS/MLSS的變化Fig.4 The changes of MLSS，MLVSS，MLVSS/MLSS

自從顆粒污泥活性恢復后，MLVSS/MLSS一直穩(wěn)定在0.89左右，最后時間段達到0.9以上。沉降時間對污泥濃度的影響顯著，污泥濃度隨著沉降時間的縮短而降低。

圖5 SVI 的變化Fig.5 The changes of SVI

由圖5可知，接種污泥的沉淀性能一直很好，前60 d內SVI5和SVI30均保持在50～60 mL/g之間，高于冷凍前的10 mL/g。在60～90 d之間污泥沉淀性較差，隨著反應進行，絮狀污泥逐漸轉化為顆粒污泥，SVI30/SVI5的比值為95%左右，比例趨近于1。這意味著在降解合成番茄加工廢水時，顆粒形成獲得了優(yōu)異的沉降性。Caluwé等[11]在石化廢水處理中，污泥的SVI30/SVI5比率等于1，與此研究結果接近。

2.4 系統對污染物的去除能力

由圖6可知，在本實驗中進水COD保持在800～1 300 mg/L之間。剛接種前期，好氧顆粒污泥有一個恢復期，恢復實驗進行到第2 d時，進水COD約為1 100 mg/L，出水COD為203.6 mg/L，去除率在83.8%，水質不能達到排水標準。恢復實驗進行到第12 d時，去除率能達到90%以上。然而在第60～90 d的污泥波動中，并沒有對COD的處理能力造成影響，去除率依然保持在90%以上，說明好氧菌的活性良好，且菌群結構穩(wěn)定，絮狀污泥并沒有降低COD的去除率。COD去除率最高達到98.3%，平均去除率保持在95%。

圖6 系統對COD的去除Fig.6 System removal rate of COD

圖7 系統對的去除Fig.7 System removal rate of

3 結論

(1)恢復實驗初期，顆粒污泥開始膨脹、破裂出現解體現象，7～10 d儲存的污泥活性已經恢復；20 d 時，粒徑由最初的8 mm裂變?yōu)? mm左右，內部有空洞的“稻殼”型扁長顆粒，顆粒污泥基本完成解體“再造”，并趨于一段時間的穩(wěn)定，但仍有少量顆粒繼續(xù)解體再生；此時，出水清澈，“再造顆粒”恢復了好氧顆粒污泥的優(yōu)良性質。在30 d以后，新生成的顆粒生長的飽滿凝實，粒徑分布梯度明顯，0.45～1 mm粒徑顆粒占優(yōu)勢，微生物活性高，出水清澈，去除率高，基本完成了系統的恢復再生。MLSS和MLVSS分別達到8.31 g/L和7.43 g/L，系統運行效能趨于穩(wěn)步提高。

(2)相比之下，在整個恢復再生培養(yǎng)期內，顆粒的粒徑偏小，增長緩慢，在相同粒徑范圍下的顆粒污泥沉速、密實度均較低；但SVI30/SVI5的比值為95%左右，比例趨近于1，沉降性能良好。