好氧颗粒污泥形成机理及其去污效果杜硕1

好氧颗粒污泥形成机理及其去污效果杜硕1，2，张朝晖1，张宇峰2，简培超1，2（1.天津工业大学环境与化学工程学院，天津300160；2.天津工业大学中空纤维膜材料与膜过程省部共建国家重点实验室培育基地，天津300160）摘要：在2个相同的序批式活性污泥反应器（SBR）中利用不同机理，以絮状活性污泥为接种污泥，培养出了2种性质不同的好氧颗粒污泥.R1反应器利用丝状菌假说，得到SVI值为35~45mL/g、粒径分布在2.0~4.0mm之间的好氧颗粒污泥；R2反应器利用胞外多聚物（EPS）假说，得到SVI值为30mL/g、粒径分布在1.0~1.6mm之间的好氧颗粒污泥.结果表明：两者对污染物有良好的去处效果，COD去除率都达到了95%以上，TN的去除率也分别达到60%和50%.关键词：好氧颗粒污泥；丝状菌；胞外多聚物；去除效果中图分类号：X703.1文献标志码：A文章编号：1671－024X（2011）01－0043－04FormationmechanismsandremovalefficiencyofaerobicgranularsludgeDUShuo1，2，ZHANGZhao-hui1，ZHANGYu-feng2，JIANPei-chao1，2（1.SchoolofEnvironmentalandChemicalEngineering，TianjinPolytechnicUniversity，Tianjin300160，China；2.StateKeyLaboratoryofHollowFiberMembraneMaterialsandProcesses，TianjinPolytechnicUniversity，Tianjin300160，China）Abstract：Twotypesofmatureaerobicgranularsludgewererespectivelycultivatedinthesametwosequencingbatchreac－tors（SBR）accordingtodifferentformationmechanisms，usingconventionalflocculentactivatedsludgeasseed－ingsludge.ThematureaerobicgranularsludgecultivatedinR1accordingtothehypothesisoffilamentousbacte－ria，theSVI（sludgevolumeindex）ofthesludgewas35-45mL/g，andthemaindiameterdistributionranged2.0-4.0mm.Atthesametime，anotherkindofthematureaerobicgranularsludgewascultivatedinR2reactoraccordingtothehypothesisofextracellularpolymericsubstance（EPS），theSVIofthesludgewasabout30mL/g，andthemaindiameterdistributionranged1.0-1.6mm.Theresultsshowthataftercultivationfinishing，theCODremovalefficiencyofboththereactorsissimilar（about95%），buttheremovalefficiencyofTNinR1ishigherthanthatinR2（theformerisabout60%andthelatterisabout50%）.Keywords：aerobicgranularsludge；filamentousbacteria；extracellularpolymericsubstances；removalefficiency收稿日期：2010-11-12基金项目：天津市科技发展计划项目（09ZCKFSH02300）第一作者：杜硕（1984—），男，硕士研究生.通信作者：张宇峰（1962—），男，教授，博士生导师.E-mail：[e-mail]第30卷第1期2011年2月天津工业大学学报JOURNALOFTIANJINPOLYTECHNICUNIVERSITYVol.30No.1February2011好氧颗粒污泥形成机理研究始于20世纪90年代末，由于培养目的不同，提出的好氧颗粒污泥形成机理也各不相同.目前，颗粒污泥形成机理主要有丝状菌假说、胞外多聚物（EPS）假说和自凝聚假说.Beun[1]提出了丝状菌假说，接种污泥中丝状菌是优势菌种，丝状菌缠绕搭成框架，微生物不断沉积在框架上并繁殖生长，最终形成颗粒污泥.Schmidt[2]提出了胞外多聚物假说模型.Ross[3]提出细胞通过胞外多聚物的架桥作用而连接在一起，从而形成了颗粒污泥.Wang[4]采用较短的沉降时间和水力停留时间，将沉降性能较差的絮状污泥洗出，从而使得细菌只有相互凝聚在一起，形成了密度较大、沉降性能较好的颗粒污泥.Fang[5]指出，在适宜颗粒污泥存在的条件下，细菌会慢慢地进化，最终达到颗粒污泥的状态，是一种生物进化过程.迄今，大部分报道都是通过特定培养目的培养出好氧颗粒污泥，然后再分析颗粒的形成机理，本实验根据已提出的好氧颗粒污泥形成机理来培养好氧颗粒污泥，利用丝状菌假说和胞外聚合物假说，采用SBR系天津工业大学学报第30卷统，通过促进和抑制丝状菌生长的方法，成功地培育出了2种不同性质的好氧颗粒污泥.1实验部分1.1实验装置及流程实验所需装置如图1所示.反应容器为有机玻璃柱，内径8.8cm，高150cm，有效容积7.3L；曝气量为0.6m3/h，换水率为50%，运行周期为6h；厌/好氧交替进行，其中包括进水2min，厌氧110min，好氧240min，沉降3min，排水5min.厌氧段不设搅拌，2个反应器同时运行.接种污泥为天津市纪庄子污水处理厂二沉池回流污泥，进水采用人工配制的模拟生活污水.R1以葡萄糖为碳源，R2以乙酸钠为碳源，氯化铵为氮源，磷酸氢二钠为磷源，COD∶N∶P为100∶5∶1，适当添加微量元素，并用碳酸氢钠控制pH值在7~8范围内.1.2分析项目及方法（1）MLSS、COD、SVI、TN采用标准方法测量[6].（2）EPS采用热提法提取，以蛋白质[7]和多糖表征[8].（3）污泥粒径分布采用标准筛筛分法，将粒径0.2mm的污泥视作颗粒污泥，使用FEI公司生产的QUANTA200型扫描电子显微镜观察好氧颗粒内部结构.2结果与分析2.1好氧颗粒污泥的培养R1与R2反应器接种相同活性污泥，接种污泥质量浓度均在8g/L左右，SVI为152mL/g.显微镜观察接种污泥为细小而松散的絮体，无丝状菌，R1与R2反应器MLSS及SVI变化如图2所示.由图2可见，R1根据丝状菌假说，采用促进丝状菌生长的培养方式，对接种活性污泥进行空曝气处理，由于缺乏营养物质，微生物活动能力降低，倾向于聚集生长，丝状菌出现.3d后系统进入正常运行，逐步提高反应器进水COD质量浓度，从100mg/L增加到400mg/L，运行第6d有一些小颗粒出现，SVI降为71.4mL/g.运行第15d时，污泥已经完全颗粒化，污泥质量浓度达6.9g/L，SVI值35~45mL/g.颗粒粒径主要分布在2.0~4.0mm之间，由于丝状菌缠绕搭成框架，空隙较大，导致粒径较大.R2根据EPS假说，采用抑制丝状菌生长的培养方式，即进水有机物充足，逐步减少沉降时间.进水COD维持在400mg/L左右，初始阶段为避免污泥流失，沉降时间设为30min，运行10d后将沉降时间改为20min，第30d沉降时间改为10min，50d后已有颗粒污泥出现，SVI值为52mL/g；随后沉降时间改为3min，第70d时，SVI降至31mL/g.从第70d到第120d，反应器中的SVI维持在30mL/g左右，此时污泥质量浓度为8.3mg/L.反应器内的粒径分布较均匀，主要分布在1.0~1.6mm之间，结构紧凑.44——第1期2.2好氧颗粒污泥的电镜观察图3所示为好氧颗粒污泥SEM分析照片.由图3可见，R1颗粒污泥表面较圆滑，污泥内部有较大的孔隙，内部微生物主要以丝状菌为主，丝状菌缠绕搭成框架，微生物不断沉积在框架上并繁殖生长，最终形成颗粒污泥；R2颗粒表面并不十分圆滑，污泥结构紧凑，内部微生物主要是以杆菌为主，并通过丝状物连接，这些丝状物可能为微生物分泌的胞外物质.2.3好氧颗粒污泥的EPS传统活性污泥（CAS）、R1及R2反应器中EPS含量如图4所示.由图4可知，传统活性污泥（CAS）中EPS总量为79.1mg/gMLSS，R1颗粒污泥EPS总量为97.2mg/gMLSS，R2颗粒污泥EPS总量为117.6mg/gMLSS.与接种污泥相比，R1、R2中EPS总量都有所增加，其中R2的EPS含量最高，这说明胞外多聚物对于R2中好氧颗粒污泥的形成起到了至关重要的作用.2.4好氧颗粒污泥形成机理R1好氧颗粒污泥通过促进丝状菌生长的方式得到，丝状菌互相缠绕，在较高水力剪切作用下形成好氧颗粒污泥，因此R1中的好氧颗粒污泥结构松散.这一理论符合好氧颗粒污泥形成机理的丝状菌假说.R2通过抑制丝状菌生长的方式培养好氧颗粒污泥，在较高的水流剪切力和较短的沉降时间下，细碎的细菌很难在反应器内沉积，单个细菌之间只有通过相互凝聚形成具有一定体积和密度的颗粒才能在较高的水力选择压力下留在反应器内，而这种自凝聚现象主要是通过胞外多聚物EPS的分泌来完成的.综上，将好氧颗粒污泥形成机理分成两类，即丝状菌假说和EPS假说，将自凝聚原理归结到EPS假说.2.5颗粒污泥对污染物的去除效果2.5.1对COD的去除效果两反应器对COD的去处效率如图5所示.由图5可见，R1在好氧颗粒污泥培养中，虽然进水COD浓度不断升高，但出水COD质量浓度一直在50mg/L以下，完全颗粒化后连续运行6d对COD去除率在95%以上.运行第18d将进水负荷提升到780mg/L，出水COD质量浓度为30mg/L.由此可以看出好氧颗粒污泥具有较强的抗冲击负荷能力.R2在好氧颗杜硕，等：好氧颗粒污泥形成机理及其去污效果45——天津工业大学学报第30卷粒污泥培养过程中，进水COD质量浓度维持在400mg/L左右，对COD的去除率呈先下降后升高的趋势.由于沉降时间在逐渐缩短，反应器内污泥浓度逐步减少，对COD的去除率相应的减少.运行第60d时污泥质量浓度为1.4g/L，此时出水COD质量浓度为70mg/L，去除率为82%.当颗粒逐步形成后，污泥浓度逐渐增加，运行100d后COD去除率达到95%，之后COD去除率基本维持恒定.2.5.2对TN的去除效果两反应器对TN的去除效果如图6所示.从图6可以看出，R1在运行过程中，进水TN的浓度逐渐增加，反应初期出水的TN浓度略有上升，反应器内污泥浓度降低，系统内的反硝化细菌被大量洗出，不利于对TN的去除.当颗粒污泥形成后，出水的TN浓度不断降低.运行第15d时的TN质量浓度为8.2mg/L，去除率达到了60%.R2在运行过程中，进水TN质量浓度维持在20mg/L左右，由于系统逐步减少沉降时间，对TN的去除率呈逐渐上升趋势.当颗粒污泥形成时，出水TN质量浓度10mg/L左右，去除率在50%左右.由此可以看出，R1内的TN去除率要高于R2，分析其原因是因为R1反应器内颗粒较大，为反硝化细菌的生长提供了更好的环境.3结论（1）在SBR运行工艺中，R1反应器利用丝状菌假说，得到SVI值35~45mL/g，粒径在2.0~4.0mm之间的好氧颗粒污泥.R2利用胞外多聚物（EPS）假说，得到的好氧颗粒污泥SVI为30mL/g，粒径主要分布在1.0~1.6mm.（2）通过扫描电镜观察，R1颗粒污泥表面圆滑，污泥内部有较大的孔隙，内部微生物主要以丝状菌为主，丝状菌缠绕搭成框架；R2颗粒表面不平整，污