同步硝化反硝化好氧顆粒污泥的快速培養(yǎng)研究

王 帆

（山西云鼎環(huán)境工程有限公司，山西 太原 030001）

0 引言

好氧顆粒污泥自20 世紀(jì)90 年代初在SBR 反應(yīng)器內(nèi)被發(fā)現(xiàn)以來，因其具有致密的結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的沉降性能、多樣化微生物菌群富集共存與協(xié)同耦合等特征，已成為廢水生物處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[1]。本文通過建立SBR 反應(yīng)器，對(duì)采用生物質(zhì)炭作為晶核培養(yǎng)同步硝化反硝化好氧顆粒污泥進(jìn)研究。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料與儀器

試驗(yàn)材料：CH3COONa、NH4Cl、KH2PO4、FeSO4、MgSO4、CaCl2均來自國(guó)藥集團(tuán)上海化學(xué)試劑公司。

試驗(yàn)儀器：序批式反應(yīng)器（SBR）2 個(gè)，揚(yáng)州博依特環(huán)?？萍脊荆籏SXB-1102 型高溫管式爐，漢州卓弛儀器公司；污水COD 快速測(cè)定儀，江蘇盛奧華環(huán)?？萍脊?；PHB-4 型便攜式pH 計(jì)，河南兄弟儀器設(shè)備公司；光學(xué)顯微鏡，西班牙Levenhuk 公司；UV-1900i型紫外可見分光光度計(jì)，日本島津公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)裝置與流程

SBR 直徑為90 mm，高度900 mm，有效容積為4 L，系統(tǒng)采用時(shí)間控制器進(jìn)行自動(dòng)化控制。每個(gè)周期設(shè)置為6 h，每天可運(yùn)行4 個(gè)周期；在每個(gè)周期內(nèi)的時(shí)間分布：進(jìn)水20 min，曝氣290 min，沉淀30 min，出水和閑置20 min；啟動(dòng)蠕動(dòng)泵往SBR 底部進(jìn)水，等待水位達(dá)到預(yù)定位置啟動(dòng)曝氣泵進(jìn)行底部曝氣，氣體流量為2.0 L/min。周期結(jié)束時(shí)，SBR 內(nèi)溶解氧（DO）濃度在5.5 mg/L 以上。在1#SBR 中投加顆粒生物質(zhì)炭，2#SBR 不投加顆粒生物質(zhì)炭（對(duì)照）。

1.2.2 試驗(yàn)用水與接種污泥

SBR 試驗(yàn)用于采用人工配制模擬廢水，在純凈水中加入 CH3COONa、NH4Cl、KH2PO4、FeSO4、MgSO4、CaCl2等物質(zhì)進(jìn)行配制，進(jìn)水水質(zhì)COD 控制在960～1 000 mg/L，氨氮濃度控制在150 mg/L，總磷濃度控制在10 mg/L。SBR 接種污泥來自太原市晉陽(yáng)污水處理廠二沉池絮狀污泥，污泥體積指數(shù)SVI 為110 mL/g，污泥質(zhì)量濃度為3 500 mg/L。

1.2.3 分析方法

采用分光光度法測(cè)定NH4+-N、NO3--N、NO2--N濃度；污水COD 快速測(cè)定儀測(cè)定COD 值；pH 計(jì)直接測(cè)定pH 值；使用光學(xué)顯微鏡和數(shù)碼照相機(jī)觀察和記錄污泥形態(tài)變化[2]。

1.2.4 胞外聚合物的提取與測(cè)定

熱提取法提取污泥胞外聚合物（EPS），EPS 中的多糖（PS）采用苯酚-硫酸法測(cè)定，蛋自質(zhì)（PN）采用修正的Lowry 法測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 好氧顆粒污泥的形成

2.1.1 好氧顆粒污泥外觀形態(tài)變化

在好氧顆粒污泥形成過程中，采用光學(xué)顯微鏡對(duì)好氧顆粒污泥的形態(tài)變化進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤觀察。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：SBR 運(yùn)行至12 d 時(shí)，1# 實(shí)驗(yàn)SBR 中褐色污泥呈微細(xì)化，生成有小部分不規(guī)則污泥聚集體；2#對(duì)照SBR 中無不規(guī)則污泥聚集體出現(xiàn)。SBR 運(yùn)行至22 d 時(shí)，1#實(shí)驗(yàn)SBR 中出現(xiàn)大量顆粒污泥；2# 對(duì)照SBR 中才出現(xiàn)小部分不規(guī)則污泥聚集體。后期SBR的繼續(xù)運(yùn)行，兩個(gè)SBR 內(nèi)顆粒污泥繼續(xù)保持生長(zhǎng)，顆粒污泥的粒徑不斷增大，顆粒污泥的數(shù)據(jù)不斷增加。1#實(shí)驗(yàn)SBR 運(yùn)行至50 d 時(shí)顆粒污泥數(shù)量約占90%，顆粒污泥粒徑約為1～3 mm，顆粒污泥結(jié)構(gòu)致密且表面光滑圓潤(rùn)，可明顯觀察到顆粒污泥中的生物質(zhì)炭晶核。2#對(duì)照SBR 運(yùn)行至50 d 時(shí)顆粒污泥數(shù)量約占80%，顆粒污泥粒徑約為2～4 mm，顆粒污泥結(jié)構(gòu)相對(duì)松散、不穩(wěn)定、易解體。

在實(shí)驗(yàn)中添加一定量的生物質(zhì)炭，可有效促進(jìn)好氧顆粒污泥的培養(yǎng)，縮短其培養(yǎng)時(shí)間，同時(shí)形成的好氧顆粒污泥致密穩(wěn)定[3]。

2.1.2 污泥沉降性能變化

對(duì)1#實(shí)驗(yàn)SBR 和2#對(duì)照SBR 內(nèi)污泥濃度和污泥體積指數(shù)（SVI）進(jìn)行考察研究，結(jié)果如下。

1#實(shí)驗(yàn)SBR 和2#對(duì)照SBR 內(nèi)污泥濃度均表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，污泥體積指數(shù)均表現(xiàn)為先增大后下降趨勢(shì)。反應(yīng)器運(yùn)行初期，1# 和2# 反應(yīng)器的污泥體積指數(shù)分別從112.09、111.18 mL/g 增大至130.15、133.28 mL/g；在該時(shí)間內(nèi)1#和2#反應(yīng)器的污泥質(zhì)量濃度分別從3 447、3 533 mg/L 增大至2 411、2 437 mg/L。反應(yīng)器從1 d 運(yùn)行至50 d 期間內(nèi)，1#和2#反應(yīng)器的污泥體積指數(shù)從增大值分別降低至55.47、68.22 mL/g；在該時(shí)間段內(nèi)1#實(shí)驗(yàn)SBR 污泥質(zhì)量濃度表現(xiàn)為緩慢的增大趨勢(shì)，2#對(duì)照SBRSBR 污泥質(zhì)量濃度表現(xiàn)為緩慢的下降趨勢(shì)。

在反應(yīng)器內(nèi)，初期運(yùn)行時(shí)期過高水力剪切力會(huì)影響到絮狀污泥的沉降性能，沉降性能差的污泥被洗脫出反應(yīng)器。當(dāng)污泥體積指數(shù)在100.00 mL/g 以下時(shí)有利于好氧顆粒污泥的形成。從1#實(shí)驗(yàn)SBR 與2#對(duì)照SBR 的對(duì)比數(shù)據(jù)可知，投加了生物質(zhì)炭的1#實(shí)驗(yàn)SBR 污泥質(zhì)量濃度以及沉降性能始終優(yōu)于未投加生物質(zhì)炭的2#對(duì)照SBR，生物質(zhì)炭的存在可以有效保留反應(yīng)器中的污泥數(shù)量，將反應(yīng)器內(nèi)微生物水平維持在良好狀態(tài)，更加有利于好氧顆粒污泥的形成。

2.1.3 EPS 中PS 和PN 的變化

對(duì)1#實(shí)驗(yàn)SBR 和2#對(duì)照SBR 內(nèi)污泥胞外聚合物（EPS）中的主要成分PS 和PN 情況進(jìn)行考察研究。結(jié)果表明：反應(yīng)器從1 d 運(yùn)行至50 d 過程中，1#實(shí)驗(yàn)SBR 和2# 對(duì)照SBR 內(nèi)PS、PN 含量均表現(xiàn)為快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，1#SBR 和2#SBR 內(nèi)PS 含量分別從5.80、5.52 mg/L 增大至41.96、24.59 mg/L，PN 含量分別從接種污泥的31.59、31.02 mg/L增大至260.47、207.43 mg/L。在SBR 內(nèi)投加生物質(zhì)炭可有效促進(jìn)反應(yīng)器內(nèi)污泥EPS 的分泌，進(jìn)而促進(jìn)好氧顆粒污泥的形成。

2.2 好氧顆粒污泥形成過程中水處理性能

2.2.1 造粒過程中反應(yīng)器對(duì)污染物的去除效果

在好氧顆粒污泥形成過程中，對(duì)兩個(gè)反應(yīng)器內(nèi)COD 及各氮類指標(biāo)去除效率進(jìn)行定期測(cè)定，測(cè)定結(jié)果分析如下。

運(yùn)行初期，1#和2#SBR 出水COD均降低至80mg/L左右，COD 去除率分別為98.11%、95.20%；運(yùn)行到10～15 d 時(shí)間內(nèi)，1# 和2#SBR 出水COD 均升高至180 mg/L 左右，COD 去除率大幅度降低，原因?yàn)樵撾A段污泥流失導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)微生物量減少；運(yùn)行至20 d后，1# 和2#SBR 出水COD 均降低至20 mg/L 左右，COD 去除率提高至98.50%左右，該階段盡管污泥濃度下降，但是伴隨有好氧顆粒污泥形成。在1# 和2#SBR 內(nèi)，兩者COD 去除率無顯明差別，SBR 中加入生物質(zhì)炭對(duì)COD 的去除率基本無影響。

運(yùn)行在1～5 d 時(shí)間內(nèi)，1# 和2#SBR 內(nèi)NH4+-N濃度呈現(xiàn)大幅度下降，NH4+-N 去除率最高達(dá)99%，去除效果理想，該階段內(nèi)反應(yīng)器發(fā)生有硝化反應(yīng)，生成有一定量的NO3--N 和NO2--N；運(yùn)行在5～25 d 時(shí)間內(nèi)，1#和2#SBR 內(nèi)NH4+-N 濃度呈現(xiàn)大幅度上升，兩反應(yīng)器內(nèi)NH4+-N 質(zhì)量濃度分別高達(dá)121.5、146.5 mg/L，兩反應(yīng)器內(nèi)NO3--N 和NO2--N 量也在降低，硝化作用減弱，主要原因?yàn)榉磻?yīng)器污泥沉降性惡化、硝化細(xì)菌流失；運(yùn)行在25～50 d 時(shí)間內(nèi)，該階段NH4+-N 進(jìn)水質(zhì)量濃度從之前的210 mg/L 降低至60 mg/L，1#SBR、2#SBR 內(nèi)NH4+-N 濃度去除率分別最高為71.5%、64.8%，該階段內(nèi)出水無NO3--N 和NO2--N 存在，該階段內(nèi)存在大量好氧顆粒污泥，反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生有同步硝化反硝化；運(yùn)行在1～50 d 時(shí)間內(nèi)，1#SBR、2#SBR內(nèi)TN 的去除情況基本與NH4+-N 去除量情況一致。

2.2.2 周期內(nèi)各污染物濃度的變化

對(duì)1#SBR、2#SBR 一個(gè)周期內(nèi)的水質(zhì)指標(biāo)變化進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明：運(yùn)行2 h 后1#SBR 中出水COD 濃度降低至100 mg/L 左右，2#SBR 在運(yùn)行3 h 后出水COD 值降低至100 mg/L 左右，在SBR 添加生物質(zhì)炭作為晶核培養(yǎng)顆粒污泥可加速降解COD；在反應(yīng)器一個(gè)周期內(nèi)，NH4+-N 和TN 的降解量及降解速度基本保持一致；在一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)未檢測(cè)到NO3--N 和NO2--N，原因?yàn)樵诜磻?yīng)器內(nèi)發(fā)生了同步硝化反硝化；1#SBR、2#SBR 內(nèi)TN去除率分別最高為71.5%、64.8%。

3 結(jié)論

1#SBR 和2#SBR 均可培養(yǎng)出好氧顆粒污泥，投加了生物質(zhì)炭的1#SBR 好氧顆粒污泥形成速度更快、結(jié)構(gòu)致密穩(wěn)定；好氧顆粒污泥培養(yǎng)過程中，兩反應(yīng)器內(nèi)污泥沉降性能不斷優(yōu)化，SVI 均可至70 mL/g 以下；兩反應(yīng)器內(nèi)EPS 含量均表現(xiàn)為急劇上升，投加生物質(zhì)炭的1#SBR 內(nèi)EPS 上升幅度更大，生物質(zhì)炭可有效促進(jìn)反應(yīng)器內(nèi)污泥EPS 含量的分泌；在造粒過程中1#SBR 和2#SBR 對(duì)COD 去除率均能達(dá)到95%以上，生物質(zhì)炭的加入對(duì)COD 去除率基本無影響；一個(gè)周期內(nèi)兩反應(yīng)器NH4+-N 和TN 降解量及降解速度基本保持一致，在一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)未檢測(cè)到NO3--N和NO2--N，表明反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生了同步硝化反硝化。