不同碳氮比下好氧顆粒污泥生長(zhǎng)特性研究
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唐朝春， 葉鑫， 劉名， 陳惠民
（華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西南昌330013）
摘要：文章研究了3個(gè)SBR反應(yīng)器R1、R2和R3在進(jìn)水C/N比分別為5、10和30條件下硝化好氧顆粒污泥的形成過(guò)程，分析了顆粒形成過(guò)程巾污泥形態(tài)及其各物化性質(zhì)變化過(guò)程。結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)35 d培養(yǎng)，污泥形成顆粒，所得好氧顆粒污泥的顏色接近橙黃色，C/N比越高顏色越深；污泥的SVI30降低，由接種污泥的52.51 mL/g分別降為46.45.25.32、31.12 mL/g;小C/N比（為5）條件下形成的污泥大顆粒較多，而大C/N比（為30）條件下時(shí)形成的小顆粒較多，均不利于污泥沉降，同等條件下C/N比為10時(shí)所形成的顆粒污泥最優(yōu)。
關(guān)鍵詞：好氧顆粒污泥；硝化；C／N比；去除率
好氧顆粒污泥是自20世紀(jì)90年代以來(lái)被發(fā)現(xiàn)并發(fā)展的一門新興生物處理技術(shù)，好氧顆粒污泥因其在水處理方面具有啟動(dòng)周期短、消化速率快、污泥代謝活性強(qiáng)、沉降性能好并能承受較高的有機(jī)負(fù)荷等特點(diǎn)。同時(shí)其與厭氧污泥的不同還表現(xiàn)在，它能夠在一個(gè)顆粒內(nèi)同時(shí)保持多種氧濃度環(huán)境與營(yíng)養(yǎng)環(huán)境，顆粒特有的氧濃度梯度為各種微生物提供良好的生長(zhǎng)條件，因而具有多種代謝活性，具有同步脫氮除磷的能力。同時(shí)在處理高濃度有機(jī)廢水、難降解廢水、有毒廢水，以及吸附重金屬等有毒物質(zhì)等方面也具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。目前好氧顆粒污泥是污水處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，在大量好氧顆粒污泥理論研究的基礎(chǔ)上，研究者們進(jìn)行了好氧顆粒污泥處理實(shí)際污（廢）水的小試和中試，并取得了較好的處理效果。
本實(shí)驗(yàn)研究了好氧顆粒污泥在SBR反應(yīng)器內(nèi)硝化培養(yǎng)情況下的特征和穩(wěn)定性，并按不同的C/N比于3個(gè)SBR反應(yīng)器內(nèi)培養(yǎng)好氧顆粒污泥，探討不同C/N比對(duì)好氧顆粒污泥的形成與特性的影響作用。
1 實(shí)驗(yàn)材料和方法
1.1儀器和試劑
實(shí)驗(yàn)儀器：分光光度計(jì)（DR/2500），美國(guó)HACH;電子天平（AB204-N），瑞士METTLER-TOLEDO；倒置生物顯微鏡(37XB)，中國(guó)上海豫光；數(shù)碼相機(jī)(Ixus105)，日本Canon；COD速測(cè)儀(WMX-1)，中國(guó)格蘭仕；電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱（DHG-9101-2S），中國(guó)上海光都；手提式壓力蒸氣滅菌器(SYQ-DSX-280B)，中國(guó)上海申安；離心機(jī)（TDL-40B-II），中國(guó)上海飛鴿。
實(shí)驗(yàn)試劑：實(shí)驗(yàn)所用培養(yǎng)液的碳源選用EDTA-二鈉，分子式為Cl．H18N2Na2O10。氮源選用氯化銨，分子式NH4C1。選用試劑均為分析純。
1.2 實(shí)驗(yàn)方法
1.2.1 實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行控制
SBR反應(yīng)器的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。SBR反應(yīng)器總高100 cm，內(nèi)徑7 cm，有效體積2L，排水口設(shè)在距反應(yīng)器底部26 cm處，排水量為1L，即排水比為50%。反應(yīng)器底部設(shè)曝氣頭，由空氣泵供氣并用轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制曝氣量，曝氣量控制在0.1～0.3 m3h(相當(dāng)于表面氣速2.17 cm/s)。人工模擬廢水裝入配水箱，由小型抽水泵抽吸然后從上部進(jìn)水口打人SBR反應(yīng)器。排水口設(shè)在反應(yīng)器中間，由電磁閥控制排水，SBR反應(yīng)器每個(gè)運(yùn)行周期約為4h，進(jìn)出水時(shí)間、曝氣時(shí)間、沉降時(shí)間如表1所示，在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中SBR反應(yīng)器由時(shí)間繼電器自動(dòng)控制。溫度由溫控儀和電熱帶共同控制在(20±1)℃。
1,2.2 接種污泥和進(jìn)水水質(zhì)
反應(yīng)器接種污泥取自華東交通大學(xué)污水廠MBR反應(yīng)器曝氣池內(nèi)的普通絮狀污泥，接種體積為1L，占反應(yīng)器容積的1/2，接種污泥濃度MLSS為2.64 g/L，SVI30=52.51 mL/g。接種污泥完全呈絮狀，無(wú)顆粒污泥。
進(jìn)水組分以三水乙酸鈉(1 700 mg/L)作為COD(800 mg/L)，進(jìn)水溶液微量元素取1 mL/L，投加111mg/L CaCl2(即40 mg/L的Ca2+),406 mg/L MgS04.7H20（即40 mg/L的Mg2+），實(shí)驗(yàn)R1、R2、R3內(nèi)的C／N/P分別按照100/5/1、100/10/1、100/3 0/1比例配制人工廢水。
1.2.3 測(cè)定項(xiàng)目與分析方法
(1)用標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定COD、TP、NH。+-N、MLSS、SVI30等指標(biāo)。
(2)采用濕篩法測(cè)定污泥粒徑的分布情況，通過(guò)光學(xué)顯微鏡和數(shù)碼相機(jī)來(lái)觀察和記錄培養(yǎng)過(guò)程中污泥的形態(tài)變化。
(3)沉降速率用重力法測(cè)定。
2 結(jié)果與分析
2.1 硝化好氧顆粒污泥培養(yǎng)期間污泥形態(tài)的變化
好氧顆粒污泥的實(shí)際培養(yǎng)過(guò)程中主要運(yùn)行參數(shù)如表2所示，接種絮狀活性污泥后，在初期的污泥馴化階段，進(jìn)水COD由200 mg/L逐漸增加到800 mg/L，當(dāng)COD的濃度增加到800 mg/L后維持不變。培養(yǎng)前期污泥沉降時(shí)間為15 min，第10天開始將沉降時(shí)間定為9 min，再到第16天將沉降時(shí)間設(shè)定為3 min。根據(jù)培養(yǎng)的實(shí)際情況，反應(yīng)器曝氣流量如表2所示依次遞增，由0.1 m3/h增至0.25 m3／ h。
反應(yīng)器運(yùn)行前期，污泥流失嚴(yán)重，主要原因是初期接種的活性污泥的沉降性能并不是很好，而沉降時(shí)間15 min并不足以使反應(yīng)器里的污泥沉降完便已開始排水，此時(shí)雖然會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)器里邊的污泥濃度急劇下降，第6天開始出現(xiàn)絲狀菌，第9天反應(yīng)器內(nèi)的污泥出現(xiàn)肉眼可見的顆粒晶核，絲狀菌纏繞顆粒晶核表面生長(zhǎng)，分別用顯微鏡與數(shù)碼相機(jī)觀察如圖2(a)、(e)所示，反應(yīng)器運(yùn)行到第13天以后，與絲狀菌纏繞的顆粒晶核開始慢慢變大。
培養(yǎng)中期，在增大了曝氣流量后，水力剪切力增大，顆粒表面的絲狀菌慢慢變少，開始有少量的顆粒污泥出現(xiàn)，18天以后反應(yīng)器里邊的污泥已經(jīng)基本轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒狀，但是所形成的顆粒污泥形狀不一，表面不規(guī)則，結(jié)構(gòu)并不是很密實(shí)，如圖2(b)、(c)所示。
培養(yǎng)后期，初步形成的顆粒污泥經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的穩(wěn)定運(yùn)行后，形態(tài)如圖2(d)所示，呈現(xiàn)表面光滑規(guī)則的橢圓形。
綜上所述，可以將整個(gè)培養(yǎng)過(guò)程分為3個(gè)階段：培養(yǎng)初期（出現(xiàn)顆粒晶核）、中期（出現(xiàn)顆粒污泥）、后期（穩(wěn)定顆粒污泥）。整個(gè)培養(yǎng)過(guò)程中3個(gè)反應(yīng)器中污泥的變化過(guò)程相似，運(yùn)行35 d后反應(yīng)器內(nèi)的污泥基本已完全轉(zhuǎn)化為形狀規(guī)則、沉降性能良好的顆粒污泥。整個(gè)過(guò)程污泥顏色發(fā)生明顯的改變，基本為灰褐色一白色（絲狀菌多）一黃褐色一黃色。最終成熟好氧顆粒污泥均為黃色，而由于3個(gè)反應(yīng)器內(nèi)C/N比值的影響，成熟顆粒污泥的顏色有所差別，R1的顏色為淡黃色，R2為土黃色，R3為橙黃色，所以隨著C/N比的升高，所得到的顆粒污泥顏色加深，在該研究當(dāng)中按C/N>5培養(yǎng)得到的顆粒污泥認(rèn)為是硝化好氧顆粒污泥，即R2、R3內(nèi)的污泥。
2.2 成熟好氧顆粒污泥的物理性質(zhì)
經(jīng)過(guò)35 d的培養(yǎng)之后，好氧顆粒污泥穩(wěn)定，普遍具有形狀規(guī)則、表面光滑、結(jié)構(gòu)密實(shí)的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)中通過(guò)按壓，發(fā)現(xiàn)各反應(yīng)器的顆粒密實(shí)度為R2>R3>R1，隨C/N比的升高而增大。其最后的特征如表3所示，結(jié)果顯示，R1內(nèi)的污泥量(MLSS)并無(wú)明顯變化，而R2、R3反應(yīng)器內(nèi)的污泥量明顯升高；3個(gè)反應(yīng)器內(nèi)的S VI30都有所降低，其中R2的最小，也就是說(shuō)進(jìn)水C／N=10時(shí)的好氧顆粒污泥的沉降效果最好，而過(guò)低或過(guò)高的C/N比值并不是培養(yǎng)好氧顆粒污泥的最優(yōu)選擇，同理，表3中所示污泥沉速的數(shù)值也證明該結(jié)論。
2.3 培養(yǎng)過(guò)程污泥指數(shù)和污泥量的變化
由圖3所示，污泥的MLSS與SVI30隨培養(yǎng)時(shí)間的推移發(fā)生明顯的改變，且改變的整個(gè)趨勢(shì)都具有相似性。
整個(gè)培養(yǎng)過(guò)程r I- MLSS與SVI30的數(shù)值變化相反。
培養(yǎng)前期，MLSS含量明顯降低，SVI30明顯增大，特別是培養(yǎng)第4—8天期間，其中第6天R1、R2和R3的MLSS由接種污泥的2.64 g/L分別降至0.93、0.65和1.13 g/L，而SVI30也相應(yīng)地升高了，R1、R2和R3的SVI30由接種污泥的52.51 mL/g分別升至131.16、161和175 mL/g。
產(chǎn)生這一現(xiàn)象主要是因?yàn)樵谂囵B(yǎng)初期，接種污泥沉降性能較差，而SBR反應(yīng)器設(shè)置的污泥沉降時(shí)間較小，污泥很容易流失致使MLSS降低；而曝氣強(qiáng)度的改變使反應(yīng)器里的微生物優(yōu)勢(shì)菌群發(fā)生改變，經(jīng)觀察第6天各反應(yīng)器內(nèi)有不同程度的絲狀菌出現(xiàn)，致使反應(yīng)器內(nèi)污泥沉降性能變差，且SVI30數(shù)值升高。
沉降時(shí)間的改變也是產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因。沉降時(shí)間第10天由15 min改為9 min，第16天由9 min改為3 min，沉降時(shí)間的降低使得沉降性能不好的絮狀污泥被沖洗出反應(yīng)器，而密度較大的顆粒污泥留在反應(yīng)器內(nèi)，從而使反應(yīng)器內(nèi)密度較大的顆粒污泥的生長(zhǎng)不會(huì)受到抑制，進(jìn)而在反應(yīng)器中顆粒污泥成為了最主要的生物體系。
根據(jù)圖3顯示，R1、R2、R3中污泥的SVI30由接種污泥的52.51 mL/g分別降為46.45、25.32、31.12mL/g。
不同C/N比對(duì)MLSS與SVI30的整個(gè)變化趨勢(shì)并無(wú)明顯的差異性影響，但是最終所形成的成熟好氧顆粒污泥中C/N比為10的MLSS量最大，SVI30最小，結(jié)構(gòu)最為密實(shí)，沉淀性能最好；C/N比為30的次之；而C/N比為5時(shí)所形成的顆粒污泥污泥含量MLSS小，SVI30幾乎與接種污泥相近，污泥結(jié)構(gòu)蓬松，密實(shí)性差，沉淀性能與初始的接種污泥沒有很大的差異。
2.4 成熟硝化顆粒污泥的粒徑分布
不同的C/N比條件下形成的成熟好氧顆粒污泥的粒徑分布情況如表4所示。
從表4可以很明顯地發(fā)現(xiàn)，不同進(jìn)水C/N比條件下所培養(yǎng)的好氧顆粒污泥具有不同的粒徑分布情況。
在R1反應(yīng)器內(nèi)粒徑小于0.5 mm的顆粒比例為6%，比R2(2%)和R3(4%)的多，粒徑小于1 mm的顆粒R3的為30%，R2的為18%，R1的為17%，R3所占比例最多。而R1中粒徑大于3 mm的顆粒污泥所占的百分比為33%，該反應(yīng)器內(nèi)大顆粒污泥的比例相對(duì)來(lái)說(shuō)是偏大的。大粒徑的顆粒污泥往往偏向于結(jié)構(gòu)蓬松，污泥比重小，而粒徑過(guò)小的顆粒污泥比較分散，疏水性也相對(duì)較差，R1內(nèi)這2種顆粒所占的比例都比較大，這是R1內(nèi)最后顆粒污泥沉降性能比其他2個(gè)反應(yīng)器內(nèi)污泥差的重要原因。
另外，分析表4可知，在R1小C/N比條件下形成的污泥大顆粒較多，而在R3大C/N比條件下時(shí)形成的小顆粒較多，均不利于污泥沉降，同等條件下C/N比為10時(shí)R2所形成的顆粒污泥最優(yōu)。
3 結(jié)論
(1)C/N比為5、10和30條件下所形成的好氧顆粒污泥顏色均為黃色，C/N比越大，黃色越深，C/N比為30時(shí)顆粒污泥顯橙黃色。
( 2)C/N=10時(shí)，好氧顆粒污泥結(jié)構(gòu)密實(shí)，粒度最為均勻，大粒徑與小粒徑顆粒所占的比例最小，沉降性能最好；C/N=5時(shí)形成的好氧顆粒污泥粒徑大、結(jié)構(gòu)蓬松，沉降性能差；C/N=30的顆粒污泥結(jié)構(gòu)密實(shí)，沉降性能好，但小粒徑的顆粒多，相對(duì)于R2的顆粒污泥的沉降性能有所降低。
