利用微藻黏附生長特性恢復絲狀菌引起的污泥膨脹現象

王海藍，肖俊絢，陳 威，王宗平

(1.武漢科技大學 城市建設學院，湖北 武漢 430081；2.中建三局工程設計有限公司，湖北 武漢 430064；3.華中科技大學 環境科學與工程學院，湖北 武漢 430074)

0 引言

污泥膨脹會對污水處理廠生化處理造成巨大影響。如今污水處理廠發生的污泥膨脹現象大多數是由于絲狀菌過度生長引起的[1]。絲狀菌造成的膨脹會引起活性污泥中微生物種群失衡，進而降低活性污泥對有機污染物、氨氮、總氮和磷的去除效能[2-3]。過去對絲狀菌膨脹控制通常是采用生物選擇器[4]和投加消毒劑[5]等方法。這些方法的本質是減少絲狀菌的豐富度，進而恢復污泥沉降性能。誘發絲狀菌膨脹的一大重要原因是生化池內溶解氧(dissolved oxygen,DO)過少，使得絲狀菌生長速率大于其他細菌[6]。因此，提升生化池內DO濃度也常被用于污泥膨脹控制中[7]。可是，提升DO濃度必然會加大生化池曝氣，增大污水處理廠能耗，因此需要探究一種高效節能的污泥膨脹控制技術。

近幾年，菌藻共生系統被認為是一種節能高效的污水處理系統[8-9]。藻類在光照條件下可以提供大量Do供細菌呼吸[10]。生化池內DO的提升，可能會抑制絲狀菌的生長，進而恢復膨脹污泥的沉降性能。同時，微藻具有很強的黏附生長特性，這種特性使得微藻極易進入污泥內部，增加污泥密度，增加污泥的沉降性能[11]。因此，本文基于菌藻共生理論，同時利用微藻的黏附生長特性，旨在通過在非曝氣反應器中恢復絲狀菌引起的膨脹污泥的沉降性能。

1 材料與方法

1.1 種泥特性

1.2 反應器設置

采用光照式序批反應器(photo-sequencing batch reactor, PSBR)開展試驗。首先，每個PSBR為圓柱形有機玻璃容器，其直徑為20 cm，高度為40 cm，容積為12.5 L。PSBR設置在實驗室遠離窗戶的位置，且用錫紙包裹外部，隔絕自然光。在每個PSBR的中部距離底部25 cm的高度處設置一個發光二極管光源，光通量為165 mmolm-2s-1，光照周期為12 h/d。利用攪拌器保持PSBR中固液混合物保持懸浮狀態，攪拌器的轉速設置在150 r/min。在PSBR底部設置一個曝氣轉盤，并通過鼓風曝氣機進行鼓氣，氣量為4 L/min。每個PSBR設有進水泵和出水泵來輔助進水和排水。PSBR具體運行工況為進水5 min，曝氣240 min，沉淀5 min，排水5 min，閑置10 min，攪拌695 min。每次排水體積為50%，因此每個PSBR的水力停留時間(hydraulic retention time, HRT)為24 h。每個PSBR污泥停留時間(sludge retention time, SRT)為30 d。

采取不同微藻與污泥的比例(microalgae-to-sludge volume ratio, MVR)對膨脹污泥進行沉降性能與污染物去除效能的恢復。分別在每個PSBR中加入種泥12 L，使反應器中初始MLSS保持在1 500 mg/L。在每個反應器內分別加入500 mL、1 000 mL、1 500 mL和2 000 mL單位體積為108cell/L的微藻(購買自中國科學院淡水藻種庫，FACHB-5)。因此，每個PSBR中MVR分別為24.00(R1)、11.50(R2)、7.30(R3)和5.25(R4)。

1.3 模擬廢水

1.4 檢測方法

2 結論與分析

2.1 污泥特性分析

2.1.1 沉降性能、污泥質量濃度和葉綠素變化趨勢分析

污泥性能變化趨勢圖見圖1。如圖1a所示，不同MVR的反應器里污泥的沉降性能均有大幅度提升，其中MVR為5.25的反應器沉降性能最好(SVI5為14.98 mL/g)。在第40天時，MVR為24.00、11.50和7.30的反應器的SVI5值分別為27.62 mL/g、48.56 mL/g和34.23 mL/g。圖1b則展示出了4個反應器中MLSS和MLVSS變化趨勢。由圖1b可以看出：經過40 d的試驗，4個反應器中MLSS和MLVSS均大幅度提高。最終4個反應器的MLSS分別為3 748 mg/L、4 629 mg/L、4 667 mg/L和4 005 mg/L。從圖1c中MLVSS/MLSS的比值可以看出：4個反應器中活性污泥的比例提升。從以上結果可知：在膨脹污泥中加入不同比例的微藻，可以恢復膨脹污泥的沉降性能，并大幅度提升膨脹污泥中活性污泥的組分。通過圖1d的葉綠素a質量比可以看出：在反應器運行前期，微藻比例大幅度提升，但隨著污泥沉降性能的提升，沒有黏附在污泥表面的微藻隨著排水被沖出反應器，造成了葉綠素a質量比的下降。

(a) SVI5變化趨勢

2.1.2 污泥粒徑及表面特性分析

在反應器運行至40 d時，其污泥表觀圖像如圖2所示。如圖2a所示，在40 d時，MVR=24.00的污泥表面存在部分絲狀細菌，表面不平整。圖2b則表明MVR=15.00的污泥表面存在較多孔隙，且也觀察到絲狀菌的存在。圖2c和圖2d說明，在MVR=7.30、MVR=5.25時，污泥表面逐漸變得光滑，且孔隙減少。污泥沉降性能越好，其表面越平整。同時，在絲狀菌的間隙中可以觀察到較小的圓形微藻。這說明微藻可以黏附在污泥內部的空隙中，并填補空缺。運行到第40天時，4個反應器內污泥的粒徑分別為62.92 μm、76.33 μm、60.28 μm和103.36 μm，污泥粒徑均比種泥的粒徑大。較大的粒徑有助于細菌和微藻的黏附生長，更有利于形成較為密實的污泥絮體。

(a) MVR=24.00

2.2 污泥EPS的分析

2.2.1 EPS質量比

圖3為不同MVR下反應器內EPS質量比變化趨勢。從圖3可以看出：隨著反應器的運行，不同MVR下污泥中的EPS質量比不斷提升。在運行到第40天時，4個反應器中胞外聚合物中蛋白質(protein,PN)的質量比分別為25.16 mg/g揮發性懸浮物(volatile suspended solids,VSS)、22.27 mg/g VSS、18.68 mg/g VSS和26.89 mg/g VSS，而多糖(polysaccharide,PS)的質量比分別為7.54 mg/g VSS、9.62 mg/g VSS、9.09 mg/g VSS和8.55 mg/g VSS。其中，PN占主導地位，PN通常被認為是污泥顆粒化進程中的主要貢獻者，PN質量比的提升可以提升污泥的沉降性能[13]。同時，EPS質量比的提升說明污泥表面的吉布斯自由能下降，污泥的疏水性能提升，進而導致膨脹污泥沉降性能和污泥穩定性提升[14]。

圖3 不同MVR下反應器內EPS質量比變化趨勢

2.2.2 EPS組分分析

表1是4個反應器內EPS的三維熒光峰值表。根據文獻[15]的研究，峰A(Em/Ex: 290～315/215～225)屬于芳香蛋白質I類；峰C(Em/Ex：300～310/270～275)和峰D(Em/Ex：335～365/270～280)屬于微生物可溶性副產物類；峰E(Em/Ex：420～465/265～280)屬于類腐植酸[16-17]。而峰B強度很低，可忽略不計。根據各個峰的熒光強度可知，芳香蛋白I類強度最高，說明EPS中含有大量蛋白質，這與PN的檢測結果一致。而峰E所代表的類腐植酸是由部分植物或者微生物所分泌的[18]。通過EPS質量比分析和組分類型分析，可知蛋白質是膨脹污泥沉降性能恢復的重要因素。

表1 不同MVR下反應器內EPS的三維熒光峰值表

2.3 出水水質分析

表2是不同MVR下各反應器對污染物去除性能表。4個反應器對COD的平均去除率分別為73.0%、69.7%、67.6%和72.4%，對氨氮的平均去除率分別為40.0%、39.6%、41.2%和43.6%，對TIN的平均去除率分別為37.7%、30.1%、36.2%和36.7%，對TP的平均去除率分別為79.6%、84.2%、81.0%和81.2%。可以看出，不同MVR對膨脹污泥的污染物去除性能均有提升，但不同MVR的反應器之間污染物去除性能并無明顯差異。

表2 污染物平均去除率

COD去除性能的提升，可能是由于4個反應器中異養菌的數量上升。文獻[19]的研究表明，較高的污泥負荷有利于異養菌的增值速率。同時，文獻[20]在生物反應器內投加一定數量異養菌后，COD的去除率增加。本文得到的結論與上述研究一致。但是，由于異養菌的生長周期要明顯短于硝化細菌，過多的異養菌會抑制硝化細菌的生長，進而導致反應器內氨氮去除率提升不明顯[21]。微藻有很強的氮同化作用，可以吸收水體中的硝氮和亞硝氮，使得4個反應器內TIN去除率上升[22]。但由于硝化作用被抑制，氨氮不能有效轉換成硝氮和亞硝氮，致使TIN去除率并不高。4個反應器對TP的去除率均值很高，說明反應器內有大量的聚磷菌，這些細菌可以同化和吸收水體中的P元素，將其轉換為細胞內物質，進而起到生物除磷的效果[23]。

分析不同MVR下各反應器對污染物去除性能結果可知，微藻的加入會一定程度上提升反應器的去除效能。但良好的污染物去除效能主要取決于種泥對污染物的去除效能。

2.4 微藻恢復污泥膨脹現象機理分析

圖4為微藻恢復由絲狀菌引起的污泥膨脹機理圖。由圖4可知：微藻恢復由絲狀菌引起的污泥膨脹機理可以分為以下3步：

圖4 微藻恢復由絲狀菌引起的污泥膨脹機理圖

(1)游離的微藻和游離的細菌、絲狀細菌在水力剪切力的作用下，形成污泥絮體。

(2)由于EPS的吸附架橋作用，使得細菌、絲狀菌和微藻持續不斷地聚集在絮體的表面。由于微藻的體積更小，微藻將黏附在菌藻共生體內部空隙中，降低了絮體的比表面積，同時提升了菌藻共生體的密度。此時，由于絮體密度增加，絮體的沉降性能提升。

(3)由于微藻在光照條件下利用細菌分解有機物產生的二氧化碳進行光合作用，從而產生氧氣為細菌使用，這種互利共生關系使得細菌、絲狀菌和藻類平穩地生長，使得污泥絮體中活性污泥的成分增加，進而導致生物量的提升[24]。

因此，膨脹污泥沉降性能恢復的關鍵因素是微藻的黏附生長特性[25]。同時，在膨脹污泥沉降性能恢復過程中，PN質量比的提升強化了污泥絮體的密實程度，同時使得污泥絮體保持良好的沉降性能。

3 結論