宋志偉, 潘月軍, 程曉霞, 張登峰

(黑龍江科技學(xué)院 資源與環(huán)境工程學(xué)院,哈爾濱 150027)

接種污泥對(duì)好氧污泥顆?；绊懙膶?shí)驗(yàn)研究

宋志偉, 潘月軍, 程曉霞, 張登峰

(黑龍江科技學(xué)院 資源與環(huán)境工程學(xué)院,哈爾濱 150027)

為了加快污泥顆?；M(jìn)程,在氣升式內(nèi)循環(huán)序批反應(yīng)器中,取普通絮狀活性污泥和在絮狀污泥中添加一定比例的好氧顆粒污泥分別為接種污泥,進(jìn)行好氧顆粒污泥的培養(yǎng),探討其對(duì)污泥顆粒化速度及生物降解性能的影響。結(jié)果表明,接種污泥中適量添加顆粒污泥能使顆粒成熟時(shí)間由 35 d縮短為 28 d,縮短了反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)間,培養(yǎng)的成熟顆粒污泥具有較好的沉降性能和降解性能,SV I穩(wěn)定在 36 mL/g左右,沉降速度達(dá) 36.23 m/h,COD、氨氮和總磷的去除率分別達(dá)到97.86%、90.23%、89.60%。

好氧顆粒污泥;接種污泥;絮凝細(xì)菌;氣升式內(nèi)循環(huán)序批反應(yīng)器

Abstract:This paper is an attempt to promote granulation process by cultivating the aerobic granular sludge out of two kinds of inoculation sludge in sequencing batch airlift reactor(SBAR),namely conventional activated sludge and seeding sludge with a certain proportion of aerobic granular sludge.The paper discusses the effect of inoculation sludge on granulation rate and biodegradability properties.The results show that the right addition of some granular sludge to inoculation sludge allows the mature t ime of granules to be reduced from 35 d to 28 d,thus shortening the setup time of reactor,yields a better settling and degradation performance in the mature granular sludge,and gives SV I of around 36 mL/g,settling velocity of 36.23 m/h,and the COD,NH4+-N,TP removal rate ofmature granular sludge of 97.86%,90.23%and 89.60%respectively.

Key words:aerobic granular sludge;inoculation sludge;flocculant bacterium;sequencing batch airlift reactor(SBAR)

0 引 言

在 20世紀(jì) 90年代初,好氧顆粒污泥的特性引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視,同時(shí)好氧顆粒污泥的形成機(jī)理與特性的研究取得了明顯的進(jìn)展[1]。好氧顆粒污泥是通過(guò)微生物的自凝聚而形成的一種特殊形式的生物膜,與傳統(tǒng)的絮狀活性污泥相比,其生物結(jié)構(gòu)規(guī)則致密、耐沖擊負(fù)荷、剩余污泥產(chǎn)量少、沉降性能良好、微生物濃度高,且具有同步硝化反硝化[2-3]、生物除磷[4]等方面的能力。

好氧顆粒污泥的形成可采用普通的絮狀活性污泥為接種污泥[5-7],還可直接采用厭氧顆粒污泥進(jìn)行馴化[8]。盧然超等[9]利用厭氧顆粒污泥培養(yǎng)出具有除磷特性的好氧顆粒污泥。Erguder等[10]以厭氧好氧混合污泥作為接種污泥培養(yǎng)混合顆粒污泥獲得了成功,但是在 UASB反應(yīng)器中厭氧顆粒的形成時(shí)間約為 2～8月[11],宋志偉等[12]以普通的絮狀活性污泥為接種污泥培養(yǎng)出的好氧顆粒污泥,在SBAR反應(yīng)器中的形成時(shí)間約為 1.5～3月[12-16]。相對(duì)較長(zhǎng)的啟動(dòng)時(shí)間限制了顆粒污泥的應(yīng)用。為此,很多研究者探討縮短接種污泥啟動(dòng)時(shí)間的途徑。如 Jiang等[17]報(bào)道,反應(yīng)器在 Ca2+100 mg/L條件下運(yùn)行,顆粒污泥形成時(shí)間從不加 Ca2+的 32 d縮短至16 d。廖青等[18]在 SBR中采用普通活性污泥、部分好氧顆粒污泥 (好氧顆粒污泥占投加污泥總量的15%)和部分厭氧顆粒污泥分別作為接種污泥培養(yǎng)好氧顆粒污泥,在反應(yīng)器內(nèi)預(yù)先投加部分好氧顆粒污泥的方法,使普通活性污泥在短時(shí)間內(nèi) (20 d)快速顆粒化。宋志偉等[19]在 SABR培養(yǎng)中認(rèn)為投加10 mL/L絮凝細(xì)菌時(shí)好氧顆粒污泥的形成速度較快同時(shí)具有較好的疏水性,顆粒形成時(shí)間由未投加的42 d縮短為 35 d。

筆者利用 SBAR反應(yīng)器培養(yǎng)好氧顆粒污泥,以普通絮狀活性污泥和添加了一定比例的好氧顆粒污泥為接種污泥,在水力停留時(shí)間為 6 h、表面氣流為3.2 cm/s、有機(jī)負(fù)荷為 3.0 kg/(m3·d)的條件下[15-16],探討污泥顆?；俣扰c過(guò)程、生物降解性能及去除效果,為進(jìn)一步研究好氧顆粒污泥在污水處理工程中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)采用自制氣升式內(nèi)循環(huán)序批反應(yīng)器 (圖 1)。反應(yīng)器為有機(jī)玻璃圓柱體 (有效容積 V為 4.0 L),高徑比 (H/D)約為 15,其中,外管內(nèi)徑 8 cm,高 120 cm,內(nèi)管內(nèi)徑 6 cm,高 90 cm,出水口距底部 50 cm。反應(yīng)器進(jìn)水、曝氣、沉降、排水等各階段時(shí)間根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要設(shè)定,由 PLC實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。該裝置采用氣泵和曝氣頭供氣。曝氣頭設(shè)在反應(yīng)器底部,由氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制曝氣量。反應(yīng)器采用水浴加熱控溫。每周期的進(jìn)出水由潛水泵和排水泵控制。進(jìn)水量由轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制。

圖 1 SBAR實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 SBAR installation

1.2 運(yùn)行方式

以動(dòng)態(tài)連續(xù)實(shí)驗(yàn)為主,運(yùn)行時(shí)間為 35 d,實(shí)驗(yàn)條件見表 1。

表 1 實(shí)驗(yàn)條件Table 1 Exper imental conditions

每個(gè)循環(huán)周期為 6 h[15]。時(shí)間控制為:進(jìn)水時(shí)間10 min,排水 5 min,閑置時(shí)間 10 min;沉淀時(shí)間第 1周15min,第 2周 10min,第 3周后 5min;曝氣時(shí)間第 1周320min,第 2周 325min,第 3周后 330min。

1.3 實(shí)驗(yàn)用水

實(shí)驗(yàn)用水采用模擬城市生活污水,組成如表 2所示。實(shí)驗(yàn)所用藥品均為分析純。

表 2 模擬城市生活污水成分Table 2 Constitutes of synthetic domestic wastewater

1.4 接種污泥

近年來(lái),大量的研究表明投加絮凝劑或絮凝細(xì)菌是促使微生物固定的有效方法。宋志偉等[19]在SBAR反應(yīng)器處理低濃度模擬生活污水的啟動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)適量投加絮凝細(xì)菌能促進(jìn)好氧顆粒污泥的形成,并確定絮凝細(xì)菌最佳投加量為 10 mL/L,每運(yùn)行一周投加一次絮凝細(xì)菌,共投加四次;培養(yǎng)出的好氧污泥疏水性好,顆?；俣瓤?顆粒形成時(shí)間由未投加絮凝細(xì)菌時(shí)的 42 d縮短為 35 d;SV I穩(wěn)定在40mL/g左右,沉降速度達(dá) 36.23 m/h,COD、氨氮和總磷的去除率分別達(dá)到 97.14%、84.49%、87.59%。

絮凝細(xì)菌取自哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。該絮凝細(xì)菌主要為 Devosia hwasunensisstrain HST2-16T(α-proteobacterium)和 Tetrasphaera elongate(Actinobacteria),相對(duì)分子質(zhì)量 4.79×105,能夠分泌較多的胞外多糖,多糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)約占 85.82%。

絮凝細(xì)菌投加方式:R1反應(yīng)器在投加接種污泥運(yùn)行的同時(shí)加入絮凝細(xì)菌,此后每運(yùn)行一周投加一次絮凝細(xì)菌,共投加 4次。

好氧顆粒污泥投加方式:R2反應(yīng)器在 R1條件下同時(shí)投加 20%成熟的好氧顆粒污泥,只在啟動(dòng)期投加一次。

接種污泥:R1中接種原泥取自哈爾濱市文昌污水處理廠二沉池,呈絮狀深灰黑色;R2中投加的成熟好氧顆粒污泥培養(yǎng)條件見表 1中 R3,污泥特性見表3。

表 3 接種污泥特性Table 3 Characteristics of seeding inoculum

1.5 分析項(xiàng)目及方法

COD、NH+4-N、TP、MLSS、SV和 SV I指標(biāo)采用標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定[20];顆粒污泥的粒徑分布利用標(biāo)準(zhǔn)篩分法[21]測(cè)定;顆粒污泥的沉降速度測(cè)定方法參照文獻(xiàn)[22];顆粒污泥的形態(tài)采用電子顯微鏡 (German,Leica DM1000)觀察;Zeta電位采用微電泳儀 (China,JS94J3)測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 好氧顆粒污泥的形成過(guò)程

在 R1、R2分別運(yùn)行 7、21、28、35 d時(shí)取反應(yīng)器內(nèi)污泥于 Leica電子顯微鏡下觀察,結(jié)果如圖 2所示。

圖 2 污泥形態(tài)變化Fig.2 M orphology of aerobic granules

由圖 2可見,運(yùn)行 7 d后,R1反應(yīng)器中沉降性能差、結(jié)構(gòu)松散的污泥不斷被排出,污泥由深灰黑色變?yōu)闇\灰色,顆粒污泥持續(xù)增多;運(yùn)行 21 d后,反應(yīng)器中顆粒污泥不斷長(zhǎng)大,輪廓清晰、表面光滑的淺黃色顆粒明顯增多,其外圍存在大量的黃褐色物質(zhì);運(yùn)行28 d后,反應(yīng)器中已經(jīng)明顯形成較大的顆粒污泥;運(yùn)行 35 d后,反應(yīng)器中顆粒污泥 SV I為 36.83 mL/g,最大沉降速度為 35.57 m/h,出水 COD、氨氮、TP質(zhì)量濃度趨于穩(wěn)定。這說(shuō)明好氧顆粒污泥己基本成熟。

R2投入運(yùn)行時(shí),可觀察到深灰黑色的普通活性污泥與黃色的好氧顆粒污泥均勻的混合于反應(yīng)器中。反應(yīng)器運(yùn)行 7 d后,污泥顏色由淺灰黑色變?yōu)闇\黃色,投入的好氧顆粒污泥周圍纏繞著很多的絲狀菌;21 d后,反應(yīng)器中出現(xiàn)了大量橢球狀的淺黃色污泥顆粒;運(yùn)行 28 d后,反應(yīng)器中好氧顆粒污泥已基本成熟,SV I為 35.16 mL/g,沉降速度最大值為36.23 m/h。

可見,與 R1相比,R2中顆粒污泥的沉降性能及形成速度均較好。晶核假說(shuō)原理認(rèn)為顆粒污泥在晶核基礎(chǔ)上,投加的好氧顆粒污泥可作為微生物生長(zhǎng)的載體,不斷發(fā)育,最終逐步成長(zhǎng)為成熟的顆粒污泥。通過(guò)顯微鏡觀察,圖 2顯示初期分散、凝聚性差的接種污泥運(yùn)行一段時(shí)間后顆粒污泥內(nèi)部晶核顏色較深,剛形成的晶核和成熟的晶核基本都為球形或者橢球形,絮狀污泥逐漸消失,污泥成團(tuán)很好且比較密實(shí),此結(jié)構(gòu)使其具有良好的沉降性,表明顆粒化晶核形成。成熟晶核表面比剛形成的晶核表面更加光滑。由此,在 R2中投加的好氧顆粒污泥確實(shí)提供了一個(gè)有效載體,使微生物以晶核為載體聚集生長(zhǎng),最后形成了粒徑較大的好氧顆粒污泥。

絲狀菌假說(shuō)原理認(rèn)為小顆粒逐步形成大顆粒。Beun等[23]以普通活性污泥為接種污泥。好氧顆粒污泥反應(yīng)器中含有大量真菌顆粒,這種顆粒不穩(wěn)定,容易解體成碎片;隨后生成的顆粒主要由細(xì)菌組成,含有部分絲狀菌。從圖 2e可以觀察到好氧顆粒污泥表面有絲狀菌交織成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。絲狀菌的自纏繞構(gòu)成了好氧顆粒污泥的外框架。

胞外多聚物假說(shuō)原理認(rèn)為顆粒污泥的聚集則是由于胞外多聚物的架橋作用。Zeta電位的變化表明,預(yù)先投加的部分好氧顆粒污泥提高了種泥內(nèi)的細(xì)胞的 EPS含量,從而改善了顆粒的疏水性能,最終快速形成好氧顆粒污泥。由表 4可知,R1、R2中污泥的 Zeta電位都呈明顯增加的趨勢(shì),由細(xì)胞表面疏水性假說(shuō)可知,表面疏水性的增加,減小了顆粒間的靜電斥力,使其更易產(chǎn)生碰撞接觸凝聚成核?？梢?投放成熟的顆粒污泥為加速顆粒的形成起到了重要的作用。

表 4 反應(yīng)器中好氧顆粒污泥的 Zeta電位變化Table 4 Zeta potential change of aerobic granules in reactors

2.2 好氧顆粒污泥的粒徑分布

每 7 d通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)篩分法對(duì) R1、R2反應(yīng)器內(nèi)污泥顆粒粒度進(jìn)行分析。反應(yīng)器運(yùn)行 14、28 d粒度分析結(jié)果如圖 3所示。

圖 3 好氧顆粒污泥粒徑分布Fig.3 Size distribution of aerobic granular sludge in reactors

從圖 3a可見,運(yùn)行 14 d后 R1反應(yīng)器內(nèi) d<0.2 mm的污泥占總污泥量的百分比約為 73%,其最大粒徑達(dá)到 1.5 mm;R2反應(yīng)器內(nèi) d<0.2 mm的污泥占總污泥量的百分比小于 58%,d≥0.2 mm的顆粒污泥數(shù)量明顯高于 R1,可見 R2反應(yīng)器內(nèi)污泥的成粒效果好于 R1。由圖 3b可見,運(yùn)行 28 d后,R1、R2中 d≥0.2 mm的顆粒分別提高至 45%、53%,R2反應(yīng)器中粒徑在 0.2～0.8 mm的顆粒的百分含量仍高于 R1。這說(shuō)明 R2中污泥的顆?；Ч^好,投入成熟好氧顆粒污泥對(duì)污泥的顆?；鸬搅朔e極作用。

2.3 好氧顆粒污泥的降解效果

反應(yīng)器運(yùn)行過(guò)程中,每 7 d對(duì) R1、R2進(jìn)出水進(jìn)行一次檢測(cè),反應(yīng)器進(jìn)水 COD、氨氮和總磷質(zhì)量濃度分別控制在 1 500、85、10 mg/L左右,運(yùn)行期間COD、氨氮、總磷的去除效果如圖 4所示。

由圖 4a所示,反應(yīng)器 R1、R2運(yùn)行 7 d后,COD去除效果均較為穩(wěn)定并成上升趨勢(shì),但是 R2中COD去除效率高于 R1。這是因?yàn)楹蓄w粒污泥的接種污泥單位體積內(nèi)微生物致密,含量相對(duì)較高,利于去除廢水中的 COD。運(yùn)行 35 d后,R2中 COD去除率比 R1稍高,分別超過(guò) 95.62%和 97.86%。

由圖 4b所示,反應(yīng)器 R1、R2運(yùn)行 7 d后,氨氮的去除率均呈上升趨勢(shì),反應(yīng)器 R2內(nèi)的去除效率較好,已達(dá)到 72.32%。隨著反應(yīng)器的繼續(xù)運(yùn)行,氨氮的去除率仍呈上升趨勢(shì),運(yùn)行 35 d后,反應(yīng)器 R1、R2中氨氮的去除率分別達(dá)到 88.32%、90.23%?？梢?污泥培養(yǎng)過(guò)程中 R2對(duì)氨氮的去除效果較好。其原因是較大顆粒外部的溶解氧在進(jìn)入顆粒內(nèi)部時(shí)受傳質(zhì)阻力影響,在顆粒內(nèi)部形成缺氧好氧交替的環(huán)境,提高了氨氮的去除效果。

圖 4 好氧顆粒污泥的 COD、氨氮、總磷的去除效果Fig.4 Removal rate of COD,NH+4-N and TP in reactors

由圖 4c示,反應(yīng)器 R1、R2對(duì)總磷的去除效果始終較為穩(wěn)定,運(yùn)行 35 d后分別達(dá)到 86.15%、89.63%。隨著顆粒的不斷長(zhǎng)大,顆粒內(nèi)部形成厭氧缺氧環(huán)境,從而提供了更好的除磷環(huán)境,TP的去除率也隨之提高。同時(shí),適量投加絮凝細(xì)菌可以提高顆粒污泥對(duì)總磷的去除效果,這是絮凝細(xì)菌對(duì)顆粒污泥的微生物群落產(chǎn)生了較大的影響,促進(jìn)了聚磷菌的生長(zhǎng)繁殖。

3 結(jié) 論

(1)以添加了 20%的好氧顆粒污泥的絮狀污泥為接種污泥,培養(yǎng)的成熟顆粒污泥具有較好的沉降性能和降解性能,SV I穩(wěn)定在 36 mL/g左右,沉降速度達(dá) 36.23 m/h,顆粒形成時(shí)間由未投加好氧顆粒污泥時(shí)的 35 d縮短為 28 d。投加一定比例的成熟好氧顆粒污泥加速了污泥顆?；倪M(jìn)程。

(2)投加部分好氧顆粒污泥縮短了反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)間,污泥的粒徑相對(duì)較大。運(yùn)行 28 d后,R2中d>0.2mm的顆粒分別達(dá)到 53%,明顯高于 R1中的45%。

(3)R2中成熟顆粒污泥對(duì) COD、氨氮以及總磷的去除效率分別達(dá)到 97.86%、90.23%、89.60%,比 R1的 95.62%、88.32%、86.15%略有提高。

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(編輯 晁曉筠)

Exper imental study on influence of inoculation sludge on granulation of aerobic granular sludge

SONG Zh iwei, PAN Yuejun, CHENG X iaoxia, ZHANG Dengfeng
(College of Resource&Environment Engineering,Heilongjiang Institute of Science&Technology,Harbin 150027,China)

X703.1

A

1671-0118(2011)01-0006-05

2010-12-22

黑龍江省教育廳骨干教師支持計(jì)劃項(xiàng)目(1155G4P)

宋志偉 (1968-),女,黑龍江省哈爾濱人,教授,博士,研究方向:污水治理技術(shù)及工藝,E-mail:szwcyp@tom.com。