ca2Mg2对好氧污泥快速颗粒化的影响研究

第３５卷第１期２０１５年１月环　境　科　学　学　报　ＡｃｔａＳｃｉｅｎｔｉａｅＣｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅＶｏｌ．３５，Ｎｏ．１Ｊａｎ．，２０１５基金项目：国家水体污染与治理科技重大专项（Ｎｏ．２００９ＺＸ０７２１０⁃００３）ＳｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌＫｅｙＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌＰｒｏｊｅｃｔｆｏｒＷａｔｅｒＰｏｌｌｕｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌａｎｄＭａｎａｇｅｍｅｎｔ（Ｎｏ．２００９ＺＸ０７２１０⁃００３）作者简介：刘绍根（１９６７—），男，教授（博士）；∗通讯作者（责任作者），Ｅ⁃ｍａｉｌ：[e-mail]：ＬＩＵＳｈａｏｇｅｎ（１９６７—），ｍａｌｅ，ｐｒｏｆｅｓｓｏｒ（Ｐｈ．Ｄ．）；∗Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒ，Ｅ⁃ｍａｉｌ：[e-mail]：１０．１３６７１／ｊ．ｈｊｋｘｘｂ．２０１４．０７２２刘绍根，孙菁，徐锐．２０１５．Ｃａ２＋、Ｍｇ２＋对好氧污泥快速颗粒化的影响研究［Ｊ］．环境科学学报，３５（１）：１６８⁃１７６ＬｉｕＳＧ，ＳｕｎＪ，ＸｕＲ．２０１５．ＥｆｆｅｃｔｓｏｆＣａ２＋ａｎｄＭｇ２＋ｏｎｒａｐｉｄｇｒａｎｕｌａｔｉｏｎｏｆａｅｒｏｂｉｃｓｌｕｄｇｅ［Ｊ］．ＡｃｔａＳｃｉｅｎｔｉａｅＣｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅ，３５（１）：１６８⁃１７６Ｃａ２＋、Ｍｇ２＋对好氧污泥快速颗粒化的影响研究刘绍根∗，孙菁，徐锐安徽建筑大学环境与能源工程学院，合肥２３００２２收稿日期：２０１４⁃０３⁃１３　　　修回日期：２０１４⁃０４⁃１６　　　录用日期：２０１４⁃０５⁃０１摘要：为研究金属离子的投加对好氧污泥颗粒化进程的影响，在３个构造一致的序批式活性污泥反应器（ＳＢＲ）中分别接种普通活性污泥、投加５０ｍｇ·Ｌ－１Ｃａ２＋的活性污泥和投加５０ｍｇ·Ｌ－１Ｍｇ２＋的活性污泥来培养好氧颗粒污泥．结果表明：金属离子的投加能缩短好氧污泥颗粒化时间，改善颗粒污泥的性质，Ｃａ２＋更多地影响颗粒污泥的物理性质，Ｍｇ２＋主要影响生化性质．Ｃａ２＋、Ｍｇ２＋的投加可促进细胞分泌胞外聚合物（ＥＰＳ），以及蛋白质（ＰＮ）和多糖（ＰＳ）的含量增加，且Ｍｇ２＋较Ｃａ２＋对ＥＰＳ中组分及组分比例影响更大．此外，Ｃａ２＋、Ｍｇ２＋投加下培养的好氧颗粒污泥具有更强的除污性能．关键词：ＳＢＲ；好氧颗粒污泥；胞外聚合物；ＰＮ；ＰＳ文章编号：０２５３⁃２４６８（２０１５）０１⁃１６８⁃０９　　　中图分类号：Ｘ７０３　　　文献标识码：ＡＥｆｆｅｃｔｓｏｆＣａ２＋ａｎｄＭｇ２＋ｏｎｒａｐｉｄｇｒａｎｕｌａｔｉｏｎｏｆａｅｒｏｂｉｃｓｌｕｄｇｅＬＩＵＳｈａｏｇｅｎ∗，ＳＵＮＪｉｎｇ，ＸＵＲｕｉＳｃｈｏｏｌｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｎｄＥｎｅｒｇｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＡｎｈｕｉＪｉａｎｚｈｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈｅｆｅｉ２３００２２Ｒｅｃｅｉｖｅｄ１３Ｍａｒｃｈ２０１４；　　　ｒｅｃｅｉｖｅｄｉｎｒｅｖｉｓｅｄｆｏｒｍ１６Ａｐｒｉｌ２０１４；　　　ａｃｃｅｐｔｅｄ１Ｍａｙ２０１４Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｍｅｔａｌｉｏｎｓｏｎｔｈｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆａｅｒｏｂｉｃｇｒａｎｕｌａｒｓｌｕｄｇｅｗａｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｕｓｉｎｇｔｈｒｅｅＳＢＲｒｅａｃｔｏｒｓ．Ｔｗｏｏｆｔｈｅｒｅａｃｔｏｒｓｗｅｒｅｄｏｓｅｄｗｉｔｈ５０ｍｇ·Ｌ－１Ｃａ２＋ａｎｄ５０ｍｇ·Ｌ－１Ｍｇ２＋，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｗｈｉｌｅｔｈｅｏｔｈｅｒｗａｓｒｕｎａｓａｃｏｎｔｒｏｌ．Ｒｅｓｕｌｔｓｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄｔｈａｔｄｏｓｉｎｇｍｅｔａｌｉｏｎｓｃｏｕｌｄａｃｃｅｌｅｒａｔｅｔｈｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆａｅｒｏｂｉｃｇｒａｎｕｌｅｓａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｉｒｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．Ｃａ２＋ｍａｉｎｌｙａｆｆｅｃｔｅｄｔｈｅｐｈｙｓｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｇｒａｎｕｌａｒｓｌｕｄｇｅ，ｗｈｉｌｅＭｇ２＋ｐｒｉｍａｒｉｌｙａｆｆｅｃｔｅｄｔｈｅｉｒｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｄｕｒｉｎｇｇｒａｎｕｌａｔｉｏｎ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｂｏｔｈＣａ２＋ａｎｄＭｇ２＋ｃｏｕｌｄｐｒｏｍｏｔｅｔｈｅｓｌｕｄｇｅｃｅｌｌｓｔｏｓｅｃｒｅｔｅｍｏｒｅＰＮａｎｄＰＳｉｎＥＰＳ．ＣｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈＣａ２＋，Ｍｇ２＋ｈａｄｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓｏｆＥＰＳｏｆｇｒａｎｕｌａｒｓｌｕｄｇｅ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ａｅｒｏｂｉｃｇｒａｎｕｌａｒｓｌｕｄｇｅｃｕｌｔｉｖａｔｅｄｗｉｔｈｔｈｅｄｏｓａｇｅｏｆＣａ２＋ａｎｄＭｇ２＋ｈａｄｓｔｒｏｎｇｅｒｄｅｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＳＢＲ；ａｅｒｏｂｉｃｇｒａｎｕｌａｒｓｌｕｄｇｅ；ｅｘｔｒａｃｅｌｌｕｌａｒｐｏｌｙｍｅｒｉｃｓｕｂｓｔａｎｃｅｓ（ＥＰＳ）；ＰＮ；ＰＳ１　引言（Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ）颗粒污泥技术具有剩余污泥排放量少，对污泥沉降系统要求低，可在高容积负荷下降解高浓度有机废水，所需占地面积小等特点，因而在污水处理工艺中受到普遍关注．其中，好氧颗粒污泥技术一方面由于能产生不易发生污泥膨胀、抗冲击能力强、能承受高有机负荷且集不同性质的微生物于一体的好氧颗粒污泥；另一方面克服了厌氧颗粒污泥技术较高的运行温度、较长的启动期、不可去除氮和磷等技术缺陷，已成为污水生物技术领域研究的新热点（陈烨等，２０１２；李志华等，２０１１；王震等，２０１２）．近年来，国内外许多学者研究表明（彭永臻等，２０１０；李志华等，２０１３；Ｑｉｎｅｔａｌ．，２００４；Ｐａｎｅｔａｌ．，２００４），反应器结构、沉淀时间、运转负荷、接种污泥种类的不同对颗粒污泥形成有不同程度的影响．部分研究也发现（Ｊｉａｎｇｅｔａｌ．，２００３；Ｌｉｅｔａｌ．，２００９），Ｃａ２＋、Ｍｇ２＋不仅是厌氧颗粒污泥中的重要组分，而且与接种普通活性污泥相比，Ｃａ２＋、Ｍｇ２＋的投加会影响厌氧颗粒污泥的物理和生物特性．有文献指出（肖本益等，２００２；李志健等，２０１１），Ｃａ２＋对微生物凝聚作用产生影响，添加Ｃａ２＋形成的厌氧颗粒污泥沉降性能好，并可加快反应器的启动．Ｍｇ２＋会影响高温厌氧污泥的微生物特征，即Ｍｇ２＋会影响污泥中各种微生物的相对数量，改变其中的优势菌．然而由于好氧颗粒污泥形成过程的复杂性，有１期刘绍根等：Ｃａ２＋、Ｍｇ２＋对好氧污泥快速颗粒化的影响研究关Ｃａ２＋、Ｍｇ２＋对好氧污泥颗粒化的影响机制研究报道较少．因此，本试验通过对好氧颗粒培养过程中污泥形态结构变化、性能变化等方面的对比研究，来探讨添加Ｃａ２＋、Ｍｇ２＋在好氧污泥颗粒化进程中的作用及其机理，以期为好氧污泥快速颗粒化研究提供有益的参考．２　材料与方法（Ｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｍｅｔｈｏｄｓ）２．１　原水水质与接种污泥试验用水为合肥市某高校生活污水，水质参数见表１．试验接种的絮状活性污泥取自合肥市望塘污表１　合肥市某高校生活污水水质Ｔａｂｌｅ１　ＳｅｗａｇｅｗａｔｅｒｑｕａｌｉｔｙｆｒｏｍａｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙｉｎＨｅｆｅｉＣＯＤ／（ｍｇ·Ｌ－１）ＮＨ＋４⁃Ｎ／（ｍｇ·Ｌ－１）ＰＯ３－４⁃Ｐ／（ｍｇ·Ｌ－１）ｐＨ１２０～５５０２０～４５２．８～５．８６．５～７．５表２　好氧颗粒污泥培养方式Ｔａｂｌｅ２　Ａｅｒｏｂｉｃｇｒａｎｕｌａｒｓｌｕｄｇｅｃｕｌｔｉｖａｔｉｏｎｍｏｄｅ反应器培养方式Ｒ１仅接种普通活性污泥Ｒ２接种普通活性污泥＋投加ＣａＣｌ２，Ｃａ２＋浓度为５０ｍｇ·Ｌ－１Ｒ３接种普通活性污泥＋投加ＭｇＳＯ４·７Ｈ２Ｏ，Ｍｇ２＋浓度为５０ｍｇ·Ｌ－１水处理厂二沉池回流污泥，其污泥浓度（ＭＬＳＳ）为２８９６ｍｇ·Ｌ－１，污泥容积指数（ＳＶＩ）为１０１ｍｇ·Ｌ－１．各反应器污泥培养方式见表２．２．２　试验装置与运行方法本试验为平行试验，采用３组圆柱形ＳＢＲ反应器（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３，图１），反应器内径均为７ｃｍ，高为１２０ｃｍ，有效容积为４Ｌ．采用粘砂块微孔曝气器和空气压缩机来供气，通过玻璃转子流量计控制曝气量．试验在常温下运行，同时定期测定反应器内ｐＨ值，并调节使其维持在６．５～７．５范围内．ＳＢＲ反应器的运行控制参数见表３．图１　ＳＢＲ试验装置（１．潜水泵，２．进水箱，３．时间控制装置，４．空压机，５．玻璃转子流量计，６．排水电磁阀，７．出水箱，８．溢流口，９．排出口，１０．放空口，１１．排泥口，１２．微孔曝气头，１３．取样口）Ｆｉｇ．１　ＳｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆＳＢＲ表３　ＳＢＲ反应器的运行控制参数Ｔａｂｌｅ３　ＯｐｅｒａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆＳＢＲ运行时间／ｄ循环时间／ｈ运行周期内各操作的运行时间／ｍｉｎ进水曝气沉降排水静置１～３（１～１５周期）４．８２２７２１０２２４～６（１６～３０周期）４．８２２７７５２２７～４５（３１～１９５周期）４．８２２８０２２２２．３　分析项目和方法污泥容积指数（ＳＶＩ）、混合液悬浮固体浓度（ＭＬＳＳ）、混合液挥发性悬浮固体浓度（ＭＬＶＳＳ）采用国家环保总局（２００２）标准方法测定．污泥形态采用生物光学显微镜（ＯＬＹＮＰＵＳ⁃ＣＸ３１）观察；ｐＨ值采用ＷＴＷ３４０ｉ⁃ｐＨ测定仪测定；污泥好氧速率（ＯＵＲ）采用ＴｈｅｒｍｏＯｒｉｏｎ８０５Ａ仪测定；粒径分布采用多目分筛法分析（Ｌａｇｕｎａｅｔａｌ．，１９９９）；污泥沉降速度采用重力沉降法测定（刘玉玲等，２０１１）．ＥＰＳ的提取采用加热法（Ａｄａｖｅｔａｌ．，２００８）．首先将污泥从反应器中取出，接着调整污泥浓度使之保持在５．０ｇ·Ｌ－１左右；取适量污泥样品离心（４０００ｒ·ｍｉｎ－１，５ｍｉｎ）后弃去上清液，以超纯水补足体积，混合后离心弃去上清液，留下污泥备用；备用污泥用超纯水补足体积，加盖密封后于８０℃水浴提取３０ｍｉｎ，取出，混合均匀后离心（５０００ｒ·ｍｉｎ－１，１５ｍｉｎ），取出上清液通过０．２２μｍ微孔滤膜过滤后分析污泥ＥＰＳ．多糖与蛋白质的测定：多糖采用苯酚－硫酸法测定，以０～５０ｍｇ·Ｌ－１的葡萄糖溶液作为标准；蛋白质采用修正的Ｌｏｗｒｙ法测定，以０～２５０ｍｇ·Ｌ－１的牛９６１环　　境　　科　　学　　学　　报３５卷血清蛋白作为标准．３　结果与讨论（Ｒｅｓｕｌｔｓａｎｄｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ）３．１　污泥外观形态变化好氧颗粒污泥的形成和生长可分为３个阶段，即污泥驯化期、污泥颗粒化期和颗粒污泥成熟期（Ｗａｎｇｅｔａｌ．，２００８）．在污泥培养驯化期，３个ＳＢＲ反应器均整体呈现黑色，经过３ｄ（１５个周期）的运行后，污泥颜色均逐渐从黑色变为棕黑色．在反应器运行初期絮状污泥的沉降性能较差，为防止污泥大量流失排出系统，将沉降时间设置为１０ｍｉｎ．随着培养的进行，反应系统中的沉降时间逐渐从１０ｍｉｎ～５ｍｉｎ～２ｍｉｎ进行缩减，强化结构松散的絮状污泥的排出，以期筛选出结构紧密、沉降性能好的污泥，促进反应器中颗粒污泥的形成．在污泥颗粒化期，投加Ｃａ２＋的Ｒ２反应器运行至第６ｄ（第２７周期），出现了好氧颗粒污泥，污泥颜色从棕黑色变成黄褐色；而投加Ｍｇ２＋的Ｒ３反应器在第７ｄ（第３１周期）后才出现好氧颗粒污泥；同时，Ｒ１反应器在第７ｄ（第３２周期）也出现少量细小的好氧颗粒污泥．在缩减沉降时间的调控过程中，Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３反应器的颗粒污泥数量不断增加，粒径明显增大，絮状污泥不断减少直至消失，逐渐实现污泥颗粒化．根据Ｂｈｕｎｉａ等（２００６）的理论，粒径大于０．３４ｍｍ的微粒可以称为颗粒，评价指出当大于０．３４ｍｍ的污泥颗粒占５０％以上时，已基本实现好氧污泥颗粒化．据此，在Ｃａ２＋投加条件下好氧污泥颗粒化在第１９ｄ（第９２周期）实现，而投加Ｍｇ２＋的反应器则在第２３ｄ（第１１２周期）后实现此目标，而Ｒ１反应器要将近３５ｄ才实现完全颗粒化．此后，微生物不断聚集、生长，颗粒污泥进入成熟生长期．本试验采用生物光学显微镜定期对培养