好氧颗粒污泥的培养及其特性研究

　　文章编号：１００６４７１０（２０１１）０３０３２９０５好氧颗粒污泥的培养及其特性研究刘玉玲，高升，白凯（西安理工大学西北水资源与环境生态教育部重点实验室，陕西西安７１００４８）摘要：以西安市第三污水处理厂普通絮状活性污泥为接种污泥，采用人工配制的模拟生活污水，在ＳＢＲ反应器中进行好氧颗粒污泥培养实验研究。在温度为室温，ｐＨ为７．０左右，曝气时间为１５０～１８０ｍｉｎ，沉淀时间９～１２０ｍｉｎ，曝气量为０．３～０．５ｍ３／ｈ的实验条件下，成功培养出了好氧颗粒污泥，其颜色为浅黄色，粒径为１～２ｍｍ，ＳＶＩ为４０ｍＬ／ｇ左右，ＭＬＳＳ为６５１５ｍｇ／Ｌ，平均沉降速度达到１８．４２ｍ／ｈ。好氧颗粒污泥中含有大量的原生动物和后生动物，且成群出现，对ＣＯＤ、ＴＮ和ＴＰ的去除率分别达到９５％、９６％和９８％。关键词：好氧颗粒污泥；培养；ＭＬＳＳ；ＳＶＩ；沉降速度；去除率中图分类号：Ｘ７０３．１　　　文献标志码：Ａ．ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＡｅｒｏｂｉｃＧｒａｎｕｌａｒＳｌｕｄｇｅｏｆＩｔｓＣｕｌｔｉｖａｔｉｏｎａｎｄＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓＬＩＵＹｕｌｉｎｇ，ＧＡＯＳｈｅｎｇ，ＢＡＩＫａｉ（ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＮｏｒｔｈｗｅｓｔＷａｔｅｒＲｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔＥｃｏｌｏｇｙｏｆＭＯＥ，ＸｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉａｎ７１００４８，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｆａｅｒｏｂｉｃｇｒａｎｕｌａｒｓｌｕｄｇｅｉｎａｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇｂａｔｃｈｒｅａｃｔｏｒ（ＳＢＲ）ｗａｓｐｅｒｆｏｒｍｅｄｕｓｉｎｇａｓｙｎｔｈｅｔｉｃｄｏｍｅｓｔｉｃｗａｓｔｅｗａｔｅｒａｎｄｏｒｄｉｎａｒｙｆｌｏｃｃｕｌｅｎｔａｃｔｉｖａｔｅｄｓｌｕｄｇｅａｓｉｎｏｃｕｌａｔｉｏｎｓｌｕｄｇｅ．Ｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｕｎｄｅｒｗｈｉｃｈｔｈｅｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｃｕｌｔｉｖａｔｉｏｎｏｆａｅｒｏｂｉｃｇｒａｎｕｌａｒｓｌｕｄｇｅｉｓｃｏｎｄｕｃｔｅｄａｒｅａｓｆｏｌｌｏｗｓ：ｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｓｒｏｏｍｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｐＨｉｓａｂｏｕｔ７．０，ａｅｒａｔｉｏｎｔｉｍｅｉｓ１５０～１８０ｍｉｎ，ｓｌｕｄｇｅｓｅｔｔｌｉｎｇｔｉｍｅｉｓ９～１２０ｍｉｎ，ａｎｄａｅｒａｔｉｏｎｒａｔｅｉｓ０．３～０．５ｍ３／ｈ．Ｔｈｅａｅｒｏｂｉｃｇｒａｎｕｌａｒｓｌｕｄｇｅｈａｓｙｅｌｌｏｗａｐｐｅａｒａｎｃｅ，ｗｉｔｈａｓｉｚｅｏｆ１～２ｍｍ，ＳＶＩｏｆ４０ｍＬ／ｇｏｒｓｏ，ａｎｄＭＬＳＳｏｆ６５１５ｍｇ／Ｌ．Ｔｈｅａｖｅｒａｇｅｓｅｔｔｌｉｎｇｖｅｌｏｃｉｔｙｉｓｕｐｔｏ１８．４２ｍ／ｈ．Ａｅｒｏｂｉｃｇｒａｎｕｌａｒｓｌｕｄｇｅｃｏｎｔａｉｎｓｌａｒｇｅａｍｏｕｎｔｓｏｆｐｒｏｔｏｚｏａ，ｅｍｅｒｇｉｎｇｉｎｇｒｏｕｐｓ．ＴｈｅｒｅｍｏｖａｌｒａｔｅｓｏｆＣＯＤ，ＴＮａｎｄＴＰａｒｅｕｐｔｏ９５％，９６％ａｎｄ９８％ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｅｒｏｂｉｃｇｒａｎｕｌａｒｓｌｕｄｇｅ；ｃｕｌｔｉｖａｔｉｏｎ；ＭＬＳＳ；ＳＶＩ；ｓｅｔｔｌｉｎｇｖｅｌｏｃｉｔｙ；ｒｅｍｏｖａｌｒａｔｅ　　好氧颗粒污泥技术是近几十年来发展起来的一种新型微生物自固定化技术，是在好氧污水处理系统中培养出来的颗粒状微生物自凝聚体［１２］。与厌氧颗粒污泥相比，好氧颗粒污泥在处理低浓度有机废水时比较稳定，且启动时间比厌氧颗粒污泥短很多，通过特定的培育手段可以实现污泥颗粒化。这种颗粒污泥具备微生物种群的多样性，在降解有机碳的同时，还具有优良的脱氮除磷等功能［３］。因此，本研究以西安市第三污水处理厂普通絮状活性污泥为种泥，采用人工配制的模拟生活污水，在ＳＢＲ反应器中进行实验研究。１　实验方法１．１　接种污泥和试验用水本实验采用接种培驯法在ＳＢＲ反应器中进行。接种污泥取自西安市第三污水处理厂二沉池，为普通絮状活性污泥；实验用水采用自配的模拟生活污水。接种活性污泥主要指标、模拟废水水质指标以９２３　西安理工大学学报ＪｏｕｒｎａｌｏｆＸｉ’ａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（２０１１）Ｖｏｌ．２７Ｎｏ．３　收稿日期：２０１０１２１４基金项目：陕西省教育厅重点实验室基金资助项目（２０１０ＳＪ０７８）；陕西省教育厅基金资助项目（０９ＪＫ６４９）；陕西省重点学科建设资金资助项目（１０６００Ｘ９０７）。作者简介：刘玉玲（１９６９），女，陕西合阳人，博士，副教授，研究方向为水污染控制理论与技术。Ｅｍａｉｌ：[e-mail]。及西安市第三污水处理厂水质指标分别见表１、表２、表３。表１　接种活性污泥主要指标Ｔａｂ．１Ｋｅｙｉｎｄｉｃａｔｏｒｓｏｆｓｅｅｄａｃｔｉｖａｔｅｄｓｌｕｄｇｅ项目指标项目指标ＭＬＳＳ５．７４４ｇ／Ｌ比重１．００１２ＳＶ９５％含水率９９．１～９９．３％ＳＶＩ１６５ｍＬ／ｇ外观絮状沉降速度２．５２ｍ／ｈ颜色黑色表２　模拟废水水质指标［４］Ｔａｂ．２　Ｗａｓｔｅｗａｔｅｒｗａｔｅｒｑｕａｌｉｔｙｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ成分浓度／（ｍＬ／ｇ）微量元素液浓度／（μｇ／Ｌ）ＣＯＤ（Ｃ６Ｈ１２Ｏ６）３００～６００ＦｅＳＯ４·７Ｈ２Ｏ３０００ＮＨ４＋Ｎ（ＮＨ４Ｃｌ）５～１０ＭｎＳＯ４·４Ｈ２Ｏ２６ＮＯ－３Ｎ（ＮａＮＯ３）５～１０ＣｏＣｌ２·６Ｈ２Ｏ５０ＰＯ３－４Ｐ（ＫＨ２ＰＯ４）１～２ＣｕＣｌ２·２Ｈ２Ｏ７微量元素液０．４ｍｌ／ＬＺｎＣｌ２２４ＣａＣｌ２·２Ｈ２Ｏ１５ＡｌＣｌ３６０ＥＤＴＡ５０Ｈ３ＢＯ３２０钼酸铵２１表３　西安市第三污水处理厂水质指标［５］Ｔａｂ．３　ＷａｔｅｒｑｕａｌｉｔｙｏｆｔｈｅｔｈｉｒｄｓｅｗａｇｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｐｌａｎｔｉｎＸｉａｎ指标ＣＯＤ／（ｍｇ／Ｌ）ＢＯＤ／（ｍｇ／Ｌ）ＮＨ＋４Ｎ浓度／（ｍｇ／Ｌ）ＴＰ浓度／（ｍｇ／Ｌ）进水水质３９０２００２０４出水水质６０２０８１．５去除率８４．６％９０％６０％６２．５％１．２　实验装置ＳＢＲ反应器由有机玻璃圆筒制成，其结构见图１。ＳＢＲ反应器总容积为１１．８Ｌ，有效容积为９．０Ｌ，反应器高１２５ｃｍ，有效高度９５ｃｍ，直径为１１ｃｍ。排水口设置在距底部７５ｃｍ处，在圆筒上每隔１０ｃｍ设一个取水口。反应以１８０～２４０ｍｉｎ为一个周期，其中进水１ｍｉｎ，好氧段１５０～１８０ｍｉｎ，沉淀时间为９～１２０ｍｉｎ，出水２ｍｉｎ，鼓风曝气量为０．３～０．５ｍ３／ｈ，换水率为２０％，通过时间控制器对泵和鼓风机进行控制，并通过液位继电器控制液位。曝气量由转子流量计控制，上升气速为０．８８～１．４７ｃｍ／ｓ。在曝气阶段，反应器中ＤＯ浓度维持在２ｍｇ／Ｌ以上，温度为室内温度。图１　实验装置简图Ｆｉｇ．１　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｅｔｕｐｄｉａｇｒａｍ　１．３　分析项目与分析方法根据水质监测分析方法标准［６７］，实验测定分析方法见表４。表４　水质分析项目与方法Ｔａｂ．４　Ｗａｔｅｒｑｕａｌｉｔｙａｎａｌｙｓｉｓｉｔｅｍｓａｎｄｍｅｔｈｏｄｓ分析项目测试方法分析项目测试方法ＣＯＤ重铬酸钾法ＤＯＪＰＢ６０７便携式溶解氧仪ＴＮ碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法沉降速度重力沉降法ＴＰ钼酸铵分光光度法温度温度计ＳＶ体积法粒径显微镜测量ＳＶＩ体积法污泥形态显微镜观察ＭＬＳＳ重量法微生物相显微镜观察２　好氧颗粒污泥特性分析２．１　好氧颗粒污泥的物理特性在实验过程中，用数码光学显微镜对反应器中颗粒污泥的形成过程进行观察，其变化见图２。可见，随着培养时间的进行，絮状污泥凝聚成为细小不规则的颗粒污泥初体，逐渐转化成形状饱满，个体较大的颗粒污泥，最终形成椭球形、边界较清晰的成熟的颗粒状污泥，颜色为浅黄色，粒径约为１～２ｍｍ。０３３　西安理工大学学报（２０１１）第２７卷第３期　图２　好氧颗粒污泥形成过程Ｆｉｇ．２　Ｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆａｅｒｏｂｉｃｇｒａｎｕｌａｒｓｌｕｄｇｅ　２．２　好氧颗粒污泥的生化特性污泥指数（ＳＶＩ）、污泥沉降比（ＳＶ）是反应污泥性能的两个非常重要指标。通过实验，这些指标随着培养过程的变化如图３，图４所示。图３　污泥指数随培养时间的变化Ｆｉｇ．３　Ｓｌｕｄｇｅｉｎｄｅｘｖｓ．ｃｕｌｔｉｖａｔｉｎｇｔｉｍｅ　图４　污泥沉降速度随培养时间的变化Ｆｉｇ．４　Ｓｌｕｄｇｅｓｅｔｔｌｉｎｇｖｅｌｏｃｉｔｙｖｓ．ｃｕｌｔｉｖａｔｉｎｇｔｉｍｅ　如图３所示，随着反应器的启动，污泥的ＳＶＩ值迅速降低。通过逐步提高ＣＯＤ容积负荷，减少运行周期时间、降低沉降时间等手段，污泥性能得到了很大改善，生物活性和沉降能力大为提高，污泥浓度升高，ＳＶＩ值降低。在整个污泥形成阶段，ＳＶＩ值没有明显减小，而是稳定在４０ｍＬ／ｇ左右。如图４所示，实验以颗粒的平均沉降速度来表征颗粒的沉降性能，沉降速度由最初的２．５２ｍ／ｈ增加至５０天后的１８．４２ｍ／ｈ，颗粒污泥逐渐成长为球形或椭球形的饱满颗粒。通过实验发现，好氧颗粒污泥的沉降速度与颗粒大小和结构有密切关系［８］。经过约５０天的培养，好氧颗粒污泥的性能达到比较稳定的状态。ＳＢＲ系统对模拟生活污水的处理效果如图５、６、７所示。图５中好氧颗粒污泥在整个形成和成熟阶段ＣＯＤ去除率由最初的７３％增加至稳定的９５％左右，由于好氧颗粒污泥的沉降性能良好，微生物丰富，出水中悬浮物质少，水质澄清，故出水ＣＯＤ一般都在３０ｍｇ／Ｌ以下。图６是好氧颗粒污泥对ＴＮ的去除效果，可以看出对ＴＮ最初的去除率并不是很高，污泥经过驯化培养以后其去除率逐渐上升，最后稳定在９６％左右，脱氮效率如此高，首先可能与好氧颗粒污泥的分层结构和微生物的多样性有很大关系，其中包括了硝化反硝化、短程硝化反硝化、厌氧氨氧化、好氧反硝化和好氧反氨化等一系列生物反应。在好氧颗粒表面，亚硝化菌和硝化菌将ＮＨ３Ｎ氧化成ＮＯ２Ｎ和ＮＯ３Ｎ；在颗粒污泥的中间层进行反硝化，将ＮＨ３Ｎ转变成Ｎ２；在颗粒的内部，当存在外碳源时，反硝化菌将ＮＯ２Ｎ和ＮＯ３Ｎ转变为Ｎ２释放；当缺乏有机碳源时，厌氧氨氧化菌又能以ＮＨ３Ｎ为电子供体将ＮＯ２Ｎ和ＮＯ３Ｎ还原为Ｎ２［９］。其次，传统污水处理技术一般控制Ｃ／Ｎ为１００∶５（２０∶１），而本实验中Ｃ／Ｎ控制为３００∶５（６０∶１），较高的Ｃ／Ｎ也是好氧颗粒污泥对ＴＮ去除率高的原因。图５　ＣＯＤ去除效果随培养时间的变化Ｆｉｇ．５　ＣＯＤｒｅｍｏｖａｌｖｓ．ｃｕｌｔｉｖａｔｉｎｇｔｉｍｅ　１３３　刘玉玲等：好氧颗粒污泥的培养及其特性研究　图６　ＴＮ去除效果随培养时间的变化Ｆｉｇ．６　ＴＮｒｅｍｏｖａｌｖｓ．ｃｕｌｔｉｖａｔｉｎｇｔｉｍｅ　图７　ＴＰ去除效果随培养时间的变化Ｆｉｇ．７　ＴＰｒｅｍｏｖａｌｖｓ．ｃｕｌｔｉｖａｔｉｎｇｔｉｍｅ　图７是好氧颗粒污泥对ＴＰ的去除效果，可以看出ＴＰ最初的去除率为５６％左右，当好氧颗粒污泥成熟时，其去除率达到稳定的９８％。首先，这是好氧颗粒污泥的自身结构特点以及氧扩散梯度的存在使污泥颗粒由外到内形成好氧区、缺氧区和厌氧区，为除磷微生物提供了合适的生长环境。同时由于好氧颗粒污泥可以发生聚磷菌除磷，处于好氧颗粒污泥内层缺氧区的ＤＰＢ（反硝化聚磷菌）利用体内贮存的有机碳源以ＮＯ３Ｎ作为电子受体降解在解体内贮存ＰＨＢ的同时将ＮＯ３Ｎ转化为Ｎ２释放，同时ＤＰＢ会过量吸收磷酸盐并贮存于体内形成聚磷酸盐。当颗粒污泥被排出系统时，细胞体内的聚磷酸盐以及颗粒污泥中沉淀的磷最终随废弃污泥排出系统［９］，从而造成磷的高去除率。２．３　好氧颗粒污泥的生物相特性污泥培养过程中ＭＬＳＳ在不同阶段呈现不同变化。如图８所示，在污泥驯化阶段，由于系统沉降时间逐渐降低，所以ＭＬＳＳ也会出现下降。污泥很快就能适应新的培养条件，沉降性能不断提高，污泥增殖速度高于沉降时间降低引起的排泥损失，因而总体呈现不断增加的趋势，由３６８１ｍｇ／Ｌ增加到了６５１５ｍｇ／Ｌ。沉降时间减少造成的选择压使得系统中存留下来的污泥都是沉降性能好的污泥，但是絮状污泥的沉降