好氧顆粒污泥的培養(yǎng)
中國(guó)污水處理工程網(wǎng) 時(shí)間:2016-11-25 14:00:30
污水處理技術(shù) | 匯聚全球環(huán)保力量,降低企業(yè)治污成本
好氧顆粒污泥[1, 2, 3](aerobic granular sludge,AGS)是微生物在特定的環(huán)境下自發(fā)凝聚、 增殖而形成的顆粒狀生物聚合體,它具有許多普通活性污泥難以比擬的優(yōu)點(diǎn),如致密的結(jié)構(gòu)、 良好的沉降性能、 多重生物功效(有機(jī)物降解、 脫氮、 除磷等)、 高耐毒性、 相對(duì)較低的剩余污泥產(chǎn)量等. 得益于這些優(yōu)點(diǎn),AGS已成為廢水處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[4]. 迄今為止,AGS的絕大部分研究成果都來(lái)自于間歇式運(yùn)行反應(yīng)器[5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14],如SBR、 SBAR等. 然而,研究結(jié)果[15]表明,長(zhǎng)期運(yùn)行的AGS反應(yīng)器會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定甚至解體現(xiàn)象,這說(shuō)明間歇式反應(yīng)器并非是好氧顆粒化的最佳選擇.
序半連續(xù)式反應(yīng)器(sequencing fed batch reactor,SFBR)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型反應(yīng)器,主要特征是連續(xù)進(jìn)水,反應(yīng)完后一次性排水. 目前,在SFBR中利用活性污泥對(duì)廢水進(jìn)行處理的研究已見(jiàn)報(bào)道[16, 17, 18, 19, 20, 21],也有針對(duì)連續(xù)進(jìn)水[22]或分段進(jìn)水[23, 24, 25]對(duì)SBR中的AGS穩(wěn)定性影響的報(bào)道,而有關(guān)SFBR中成功實(shí)現(xiàn)好氧顆粒化的研究鮮有報(bào)道. 相比于SBR,SFBR運(yùn)行靈活、 控制簡(jiǎn)便,較容易建造、 實(shí)施,若能實(shí)現(xiàn)好氧顆粒化及穩(wěn)定運(yùn)行無(wú)疑會(huì)增加AGS反應(yīng)器的形式. 因此,本研究嘗試在SFBR中進(jìn)行AGS的培養(yǎng),并對(duì)AGS的特性進(jìn)行研究,以期為AGS技術(shù)的發(fā)展提供理論支持.
1 材料與方法
1.1 試驗(yàn)裝置及運(yùn)行方式
1.1.1 試驗(yàn)裝置
反應(yīng)器總高度2.3 m,內(nèi)徑8.4 cm,有效容積11.64 L(有效高度2.1 m),排水口距底座高度54 cm(換水率74.3%). 模擬污水由蠕動(dòng)泵從反應(yīng)器底部引入(進(jìn)水口距底部高4 cm),壓縮空氣由空壓機(jī)提供,經(jīng)硅膠管后由曝氣砂頭從反應(yīng)器底部壓入. 試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖 1所示.

圖 1 試驗(yàn)裝置示意
1.1.2 周期組成
反應(yīng)器在09:00~21:00運(yùn)行周期為6 h,其余為12 h一周期,厭氧/好氧(A/O)交替運(yùn)行,厭氧期不攪拌,除沉淀、 排水外,反應(yīng)器均為連續(xù)進(jìn)水,當(dāng)水位達(dá)到有效高度(2.1 m)時(shí)停止進(jìn)水及曝氣,沉淀3~15 min后排出上清液,反應(yīng)器進(jìn)入下一循環(huán)周期. 培養(yǎng)過(guò)程中根據(jù)污泥的沉降性能逐漸減少沉淀時(shí)間. 具體見(jiàn)表 1所示.

表 1 反應(yīng)器周期組成
1.1.3 其它運(yùn)行參數(shù)
運(yùn)行過(guò)程中根據(jù)反應(yīng)器對(duì)污染物的去除效果而改變COD、 NH+4-N、 TP的濃度,具體見(jiàn)表 2.

表 2 反應(yīng)器運(yùn)行參數(shù)
1.2 接種污泥
接種5 L化糞池污水和500 mL序批式好氧顆粒污泥反應(yīng)器(AGSBR)出水,連續(xù)曝氣1 d后采用SBR運(yùn)行模式(6 h ·周期-1,4個(gè)周期 ·d-1),COD從500mg ·L-1逐漸增至800mg ·L-1,第2 d時(shí)反應(yīng)器內(nèi)即出現(xiàn)了細(xì)小的生物絮體,并夾雜著少量好氧顆粒污泥(SBR中排出的解體顆粒). 運(yùn)行8 d后培養(yǎng)出沉降性能良好的活性污泥,顏色主要為黃色. 反應(yīng)器污泥濃度達(dá)到2 558 mg ·L-1,SVI 30.11mL ·g-1,MLVSS/MLSS為0.45. 活性污泥的形成過(guò)程見(jiàn)圖 2.

圖 2 活性污泥培養(yǎng)過(guò)程數(shù)碼照片
1.3 模擬污水
模擬污水成分及濃度見(jiàn)表 3,對(duì)應(yīng)的COD、 TIN、 TP濃度為1 000、 50、 10mg ·L-1,微量元素添加量為1 mL ·L-1模擬污水,根據(jù)反應(yīng)器內(nèi)污泥生長(zhǎng)狀況不斷調(diào)整C、 N、 P的濃度配比,其它成分不變.

表 3 模擬污水組成
1.4 分析方法
COD、 NH+4-N、 NO-2-N、 TP、 電導(dǎo)率均采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)分析方法測(cè)定[26],NO-3-N采用麝香草酚分光光度法,[TIN]=[NH+4-N]+[NO-3-N]+[NO-2-N]; SV、 SVI、 MLSS、 MLVSS采用標(biāo)準(zhǔn)方法; 顆粒污泥粒徑分布采用標(biāo)準(zhǔn)篩篩分測(cè)定,標(biāo)準(zhǔn)篩孔徑分別為:0.30、 0.60、 1.0、 1.43、 2.0、 4.0 mm,測(cè)量經(jīng)篩分后各粒徑范圍內(nèi)污泥的MLSS,計(jì)算其占總MLSS的質(zhì)量分?jǐn)?shù)后得到粒徑分布情況(>0.3 mm的視為顆粒,其所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)稱(chēng)為顆粒化率),平均粒徑從篩上累積質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線上查出,對(duì)應(yīng)的累積篩上、 篩下污泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為50%; 使用Canon數(shù)碼照相機(jī)記錄顆粒形態(tài).
胞外聚合物(extracellular polymeric substances,EPS)的提取方法為:將搖勻后的污泥樣品25 mL放置于離心管中,在4℃,2 000 r ·min-1下離心10 min,沉淀物溶解于磷酸鹽緩沖液,放置于80℃ 恒溫水浴中加熱60 min,提取EPS,然后在10 000 r ·min-1下離心30 min,上清液過(guò)濾后用于EPS成分分析[27]. 蛋白質(zhì)測(cè)定采用考馬斯亮藍(lán)試劑法,多糖測(cè)定采用硫酸-苯酚法.
2 結(jié)果與討論 2.1 污泥形態(tài)變化
培養(yǎng)過(guò)程中污泥的形態(tài)變化見(jiàn)圖 3. 觀察發(fā)現(xiàn):隨著沉降時(shí)間的減小,松散的絮體污泥逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檩^大的菌膠團(tuán),11 d時(shí)幾乎全部以大片菌膠團(tuán)和細(xì)小顆粒形式存在,28 d時(shí)AGS占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)(顆粒化率為86.12%),所形成的好氧顆粒污泥呈黃色、 形狀不規(guī)則,且粒徑較小(平均粒徑0.56 mm). 此后,反應(yīng)器內(nèi)始終以AGS為主,但當(dāng)改變運(yùn)行條件時(shí),污泥會(huì)出現(xiàn)短暫的不適應(yīng)期,部分AGS會(huì)變得很疏松,出現(xiàn)絮狀物. 43~53 d內(nèi)由于進(jìn)水濃度高致使反應(yīng)器內(nèi)液體含鹽量過(guò)大(測(cè)得混合液電導(dǎo)率為3.05 S ·m-1),液體比重的增加使得部分AGS懸浮在反應(yīng)器上部難以下沉,造成污泥的大量流失,使得污泥負(fù)荷迅速增加,加之滲透壓的增加使得微生物細(xì)胞出現(xiàn)不適情況,以致部分AGS出現(xiàn)解體,降低負(fù)荷后(54~63 d)AGS形狀變得更加不規(guī)則,且污泥顆粒顏色變淺.

圖 3 好氧顆粒污泥形態(tài)變化數(shù)碼照片
2.2 污泥的理化特性
2.2.1 SVI
SVI變化情況見(jiàn)圖 4(a). 從中可知:正常情況下的污泥SVI保持在70mL ·g-1以下,但當(dāng)運(yùn)行條件改變時(shí)污泥的SVI會(huì)出現(xiàn)波動(dòng). 運(yùn)行初期(1~4 d)由于污泥量較少、 污泥無(wú)機(jī)成分較高,造成SVI較小; 隨著污泥量的增加,SVI值趨于平緩. 第16 d時(shí)提高了氮負(fù)荷,污泥變得松散,沉降性能變差,反應(yīng)器中混合液變得黏稠和渾濁,可能是異養(yǎng)菌難以承受氨氮突然增加造成的沖擊,出現(xiàn)細(xì)胞破裂及死亡,導(dǎo)致大量污泥隨出水排出反應(yīng)器,SVI急劇下降,隨著污泥逐漸適應(yīng)進(jìn)水水質(zhì),SVI值趨于穩(wěn)定. 第32 d實(shí)驗(yàn)室停電、 反應(yīng)器處于靜置狀態(tài),33 d的SVI有所上升,隨著微生物逐漸適應(yīng)周?chē)h(huán)境后SVI又逐漸降至80 mL ·g-1以下. 43 d后由于進(jìn)水鹽度較高,AGS出現(xiàn)解體、 沉降性能變差,54 d降低進(jìn)水負(fù)荷后SVI值出現(xiàn)一定下降.

圖 4 運(yùn)行過(guò)程中SVI、 MLSS、 EPS含量及PN/PS變化情況
2.2.2 污泥濃度(MLSS)
MLSS的變化情況見(jiàn)圖 4(b). 從中可知,MLSS整體呈下降趨勢(shì). 1~4 d時(shí)MLSS有短暫的上升,隨著沉降時(shí)間的縮短,沉降性能差的絮體污泥被排出反應(yīng)器,MLSS逐漸減小,14 d時(shí)由于提高了NH+4-N濃度、 污泥出現(xiàn)短暫不適應(yīng)而造成MLSS顯著降低,待污泥適應(yīng)新環(huán)境后MLSS基本穩(wěn)定在2 000~3 000 mg ·L-1之間(18~31 d),42 d以后由于反應(yīng)器內(nèi)高含鹽量導(dǎo)致污泥難以下沉而大量流失,MLSS持續(xù)下降最終低于1 000 mg ·L-1. 反應(yīng)器運(yùn)行過(guò)程中未能保持較高的污泥量,一方面是當(dāng)運(yùn)行條件改變使微生物不適應(yīng)造成污泥流失所致; 另一方面是夜間連續(xù)進(jìn)料使曝氣階段反應(yīng)器內(nèi)底物濃度較低、 易造成絲狀菌生長(zhǎng)[37, 38, 39],為維持AGS的穩(wěn)定需采取較短的沉降時(shí)間及時(shí)排出絮體污泥,也造成了一定的污泥流失.
2.2.3 胞外聚合物(EPS)
EPS含量及PS/PN分別見(jiàn)圖 4(c)、 圖 4(d). 由圖 4(c)可知:EPS含量(以MLVSS計(jì))處于波動(dòng)狀態(tài),1~59 d內(nèi)呈上升趨勢(shì),59 d時(shí)達(dá)到最大值373.24 mg ·g-1 ,較培養(yǎng)初期增加了約2.5倍,這與大量研究得出的EPS有利于細(xì)胞之間的自凝聚及AGS的穩(wěn)定性維持[28, 29, 30]是一致的,運(yùn)行后期由于AGS出現(xiàn)解體,導(dǎo)致EPS急劇下降. 由圖 4(d)可發(fā)現(xiàn)PN/PS在1~16 d逐漸增大,17~52 d基本保持在1左右,53 d以后迅速下降至0.3以下,表明蛋白質(zhì)在EPS中的比例先增加、 后趨于穩(wěn)定,最后又急劇下降. 研究表明:EPS中蛋白質(zhì)與多糖的組成對(duì)AGS的穩(wěn)定性有顯著影響[29, 30, 31],但二者誰(shuí)起決定作用還存在爭(zhēng)議. 本研究表明當(dāng)AGS出現(xiàn)解體時(shí)蛋白質(zhì)含量顯著下降,說(shuō)明EPS中蛋白質(zhì)對(duì)SFBR中AGS的穩(wěn)定性有重要影響.
2.2.4 粒徑分布
反應(yīng)器內(nèi)污泥的粒徑分布見(jiàn)圖 5所示. 從中可知,隨著逐漸縮短沉降時(shí)間,反應(yīng)器內(nèi)污泥的粒徑逐漸增大,4、 14、 21、 28 d時(shí)對(duì)應(yīng)的平均粒徑分別為:0.19、 0.43、 0.54及0.56 mm. 同時(shí),粒徑小于0.3 mm的污泥的比例逐漸減少,反應(yīng)器的顆粒化率逐漸增大,可以看到污泥的顆粒化率由初期的18.17%上升到86.12%,但0.3~0.6 mm內(nèi)AGS始終占主導(dǎo),這可能與SFBR中較低的底物傳質(zhì)梯度有關(guān),粒徑大的AGS內(nèi)部難以得到基質(zhì)而極易解體. 隨后由于污泥量減少及沉降性能變差,未進(jìn)行粒徑分析.

圖 5 第4 d、 14 d、 21 d、 28 d粒徑分布
2.3 反應(yīng)器對(duì)污染物的去除效果
2.3.1 COD去除效果
反應(yīng)器對(duì)COD的去除效果見(jiàn)圖 6. 從中可以看到,除異常波動(dòng)外,反應(yīng)器對(duì)COD的去除率基本維持在90%左右,正常情況下出水COD小于100mg ·L-1,表明連續(xù)進(jìn)料下AGS對(duì)COD亦具有較好的去除效果,這主要得益于AGS致密的結(jié)構(gòu)和較高的生物活性.

圖 6 出水COD濃度及去除率
2.3.2 脫氮效果
各態(tài)氮的濃度變化及TIN去除率見(jiàn)圖 7. 可以看出,反應(yīng)器對(duì)NH+4-N、 TIN的去除效果波動(dòng)較大,去除率分別為44.45%~94.72%及43.87%~93.13%. 分析原因:一是改變氮負(fù)荷時(shí)會(huì)有短暫的不適應(yīng),此時(shí)的脫氮效率較差; 二是連續(xù)進(jìn)料使得部分NH+4-N未被氧化即排出反應(yīng)器. 從圖 7中還可以看出,出水中NO-3-N濃度絕大部分時(shí)間均高于NO-2-N濃度,但也并未出現(xiàn)明顯的NO-3-N、 NO-2-N積累,分析可能是AGS的內(nèi)部分層結(jié)構(gòu)發(fā)生了同步硝化反硝化作用,而連續(xù)進(jìn)料為反硝化提供了所需的碳源.

圖 7 出水NH+4-N、 NO-3-N、 NO-2-N、 TIN濃度
2.3.3 TP去除效果
反應(yīng)器對(duì)TP的去除效果見(jiàn)圖 8. 從中可知,反應(yīng)器對(duì)TP去除效果波動(dòng)較大,去除率在44.50%~97.40%之間. 分析原因:一是改變運(yùn)行條件會(huì)有短暫的不適應(yīng),此時(shí)的除磷效果較差; 二是連續(xù)進(jìn)料使得部分TP未完全反應(yīng). 除14 d突然提高氮負(fù)荷造成系統(tǒng)短暫不適應(yīng)外,TP去除率可維持在60%以上.

圖 8 出水TP濃度及去除率
2.4 典型周期污染物降解規(guī)律
2.4.1 COD周期降解規(guī)律
典型周期內(nèi)COD的降解規(guī)律見(jiàn)圖 9(a). 可以發(fā)現(xiàn),由于厭氧期內(nèi)未曝氣、 也未攪拌,使反應(yīng)器中COD逐步升高,90 min時(shí)達(dá)到321.95mg ·L-1,開(kāi)始曝氣后積累的COD被AGS迅速吸附并降解,200 min以后反應(yīng)器內(nèi)COD濃度趨于平穩(wěn)并維持在100mg ·L-1以下. SFBR中厭氧/好氧交替及連續(xù)進(jìn)料的運(yùn)行模式使其流態(tài)在時(shí)間上具有一定的推流特征,可為生化反應(yīng)提供較大的傳質(zhì)推動(dòng)力,這被認(rèn)為可有效抑制絲狀菌過(guò)度生長(zhǎng)[37, 38, 39].
2.4.2 氮周期降解規(guī)律
典型周期內(nèi)氮的降解情況見(jiàn)圖 9(b). 厭氧期內(nèi)(0~80 min)由于連續(xù)進(jìn)料且未攪拌,NH+4-N、 TIN的濃度逐漸升高,好氧期內(nèi)二者均出現(xiàn)一定的波動(dòng),但波動(dòng)幅度不大. 另外,硝氮、 亞硝氮呈交替升高、 降低情況. 分析原因包括:一是進(jìn)水中的NH+4-N氧化不完全及混合不均勻使NH+4-N、 TIN上下波動(dòng); 二是發(fā)生氨氧化及硝化反應(yīng)的同時(shí),進(jìn)水提供的碳源即可與NO-3-N發(fā)生反硝化,亦可與NO-2-N發(fā)生反硝化,由于兩種過(guò)程隨機(jī)進(jìn)行,使得NO-3-N、 NO-2-N濃度上下波動(dòng).
2.4.3 TP周期降解規(guī)律
典型周期內(nèi)TP的降解情況見(jiàn)圖 9(c). TP的濃度總體呈下降趨勢(shì),但變化幅度較小,基本維持在3.0mg ·L-1左右. 雖然設(shè)置了80 min的厭氧期,但并未出現(xiàn)傳統(tǒng)除磷機(jī)制中明顯的厭氧釋磷及好氧吸磷狀況,厭氧段的長(zhǎng)短對(duì)TP的去除效果及除磷機(jī)制尚需后續(xù)深入研究.

圖 9 典型周期COD、 NH+4-N及TP降解規(guī)律
3 SFBR中好氧顆粒化的機(jī)制探討及穩(wěn)定性分析
對(duì)于好氧顆粒化過(guò)程來(lái)說(shuō),選擇壓假說(shuō)[32,33]越來(lái)越受到學(xué)者們的認(rèn)可. 選擇壓[34]分為水力選擇壓和生物選擇壓,前者是通過(guò)控制反應(yīng)器結(jié)構(gòu)特性和水力條件等將性能差的污泥淘汰出反應(yīng)體系,后者通過(guò)改變混合液中營(yíng)養(yǎng)成分的負(fù)荷來(lái)使適應(yīng)此負(fù)荷的微生物生存下來(lái)而不能適應(yīng)的微生物逐步消退. 本試驗(yàn)主要是通過(guò)控制沉淀時(shí)間、 水力剪切力、 A/O交替運(yùn)行等水力選擇壓來(lái)促進(jìn)AGS的形成. 主要表現(xiàn)在:①通過(guò)逐漸縮短反應(yīng)器的沉淀時(shí)間,逐漸將沉降性能差的絮體污泥排出,而沉降性能好的菌膠團(tuán)逐漸得到富集; ②反應(yīng)器采用較大的高徑比(H/D為25)及較大的曝氣量(0.24~0.40 m3 ·h-1),可為反應(yīng)器內(nèi)提供連續(xù)、 均勻的水力剪切力(1.2~2 cm ·s-1),研究表明它們能刺激細(xì)胞EPS的分泌及疏水性的增加,促進(jìn)細(xì)胞之間的自凝聚[35,36]; ③A/O交替運(yùn)行方式使SFBR在前80 min內(nèi)呈理想的推流流態(tài),而好氧期內(nèi)呈完全混合狀態(tài),相比于完全混合式反應(yīng)器,這種模式可為生化反應(yīng)提供較大的傳質(zhì)推動(dòng)力,使得菌膠團(tuán)在同絲狀菌的生長(zhǎng)競(jìng)爭(zhēng)中處于優(yōu)勢(shì)地位[37, 38, 39],有利于AGS的形成.
通過(guò)逐步提高選擇壓,28 d后在SFBR中成功培養(yǎng)出了AGS,但32 d后反應(yīng)器內(nèi)污泥量持續(xù)下降,42 d時(shí)反應(yīng)器內(nèi)出現(xiàn)AGS解體現(xiàn)象. 除操作條件不當(dāng),如檢修期靜置、 進(jìn)水含鹽量過(guò)高造成污泥流失及解體外,后期反應(yīng)器內(nèi)絲狀菌過(guò)度繁殖,并在生長(zhǎng)競(jìng)爭(zhēng)中逐漸占優(yōu)勢(shì)是AGS解體的主要原因. 主要表現(xiàn)在:通過(guò)提高進(jìn)水濃度及A/O運(yùn)行模式可在SFBR中創(chuàng)造較高的傳質(zhì)推動(dòng)力,這在白天12 h內(nèi)可一定程度上維持AGS的穩(wěn)定性,但限于自動(dòng)控制水平,夜間存在635 min的好氧反應(yīng)期,長(zhǎng)時(shí)間的好氧饑餓期不僅不利于AGS的穩(wěn)定性維持[40,41]、 亦容易造成絲狀菌生長(zhǎng)[37, 38, 39],使得AGS在生長(zhǎng)競(jìng)爭(zhēng)中逐漸處于劣勢(shì),為及時(shí)將沉降性能差的絮體污泥排出仍需維持較短的沉降時(shí)間(3 min),致使每天早上排水時(shí)較多污泥被排出,污泥的生長(zhǎng)量難以補(bǔ)充污泥的流失量,最終導(dǎo)致了AGS的解體. 為維持SFBR中AGS的穩(wěn)定性,后續(xù)研究需提高反應(yīng)器的自動(dòng)控制水平,并將有機(jī)負(fù)荷、 污泥負(fù)荷[42]控制在合理范圍內(nèi).具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.jianfeilema.cn更多相關(guān)技術(shù)文檔。
4 結(jié)論
(1)利用自行培養(yǎng)的活性污泥作為接種污泥,采用厭氧/好氧交替、 逐漸縮短沉淀時(shí)間等策略(選擇壓法),28 d后在SFBR中成功培養(yǎng)出AGS. 所形成的AGS呈黃色、 形狀不規(guī)則,且粒徑較小. 正常情況下的污泥SVI保持在70mL ·g-1以下,運(yùn)行中后期出現(xiàn)污泥流失及解體,AGS形狀變得更加不規(guī)則,且顏色變淺.
(2)在63 d的運(yùn)行時(shí)間里,除異常波動(dòng)外,反應(yīng)器對(duì)COD的去除率基本維持在90%左右,正常情況下出水COD小于100mg ·L-1,反應(yīng)器對(duì)NH+4-N、 TIN的去除效果波動(dòng)較大,去除率分別為44.45%~94.72%及43.87%~93.13%,對(duì)TP的去除率在44.50%~97.40%之間,正常情況下TP去除率可維持在60%以上,表明AGS對(duì)污染物具有較好地去除效果.
(3)反應(yīng)器中未能維持較高的污泥濃度,后期出現(xiàn)污泥解體,主要是夜間長(zhǎng)時(shí)間的好氧饑餓期容易造成絲狀菌過(guò)度生長(zhǎng),使得AGS在生長(zhǎng)競(jìng)爭(zhēng)中處于劣勢(shì),較短的沉降時(shí)間使大量沉降性能差的絮體污泥被排出,最終導(dǎo)致了AGS的解體.(來(lái)源及作者:華中科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 龍焙、楊昌柱、濮文虹、楊家寬、白俊、王晶、周玄月、蔣國(guó)盛、李春陽(yáng)、劉福標(biāo))