好氧顆粒污泥和絮狀污泥處理汽車涂裝廢水對比研究

汪 彪，楊丹丹

（安徽建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

好氧顆粒污泥是生物處理系統(tǒng)中微生物在適當生活環(huán)境下相互聚合，形成傳質(zhì)條件好、生物活性高和降解性能好、耐高有機負荷同時具有硝化和反硝化且不易發(fā)生污泥膨脹的一種宏觀顆粒狀絮凝體，在污廢水處理中具有廣泛的應(yīng)用前景[1-7]。絮體污泥是活性污泥的常態(tài)，污泥結(jié)構(gòu)比較松散不規(guī)則，密度與水接近與好氧顆粒污泥相比在結(jié)構(gòu)和微生物方面存在很大差異，由于具有高效穩(wěn)定可靠的出水優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于市政和工業(yè)廢水的處理工藝中[8-10]。汽車涂裝廢水中含有大量污染物，種類多，成分復(fù)雜，且每一種廢水水質(zhì)的成分和濃度因為所使用的的材質(zhì)不同會產(chǎn)生很大的差異；排放無規(guī)律可循，大多數(shù)間歇集中排放，水質(zhì)與水量不穩(wěn)定且無規(guī)律可循[11]。

有相關(guān)研究表明，好氧顆粒污泥的處理效果比絮狀污泥好也更加節(jié)約運行成本[12-13]。對紡織品廢水處理好氧顆粒污泥CODcr去除率要高于絮狀污泥[14]，但是對處理汽車涂裝廢水卻很少有相關(guān)研究報道。本實驗通過在SBR（sequencing batch reactor）反應(yīng)器中培養(yǎng)馴化絮狀污泥為參照對比培養(yǎng)馴化好氧顆粒污泥在處理汽車涂裝廢水的降解性能進行研究。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗裝置

該SBR反應(yīng)器均采用PP-工程塑料制成。反應(yīng)器高度55 cm，內(nèi)徑10 cm，有效容積為2.5 L。原水經(jīng)過蠕動泵加壓后通過反應(yīng)器的頂部進入反應(yīng)器。底部設(shè)置一組微孔曝氣頭用于供氣，并通過氣體流量計控制曝氣量，電磁閥用于控制排水。整個SBR反應(yīng)器運行過程中的進水、曝氣、沉淀、排水的時間都由電控系統(tǒng)時間控制器控制，SBR整個實驗裝置如圖1所示。

圖1 實驗裝置示意圖

1.2 試驗用水

實驗初期（10 d前）采用人工配水模擬廢水，蔗糖提供碳源，氯化銨提供氮源，磷酸二氫鉀提供磷源，同時控制C∶N∶P質(zhì)量比為100∶10∶1，常量元素和微量元素成分和濃度如表1。反應(yīng)器運行10 d后，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)后開始在人工配水中逐步按比例添加汽車涂裝廢水，采用逐步提高負荷法培養(yǎng)好氧顆粒污泥。汽車涂裝廢水取自合肥市某汽車廠一級物化出水其水質(zhì)指標如表2。

表1 人工配水中化合物的成分與濃度

表2 汽車涂裝廢水一級物化出水

1.3 接種污泥

試驗中接種污泥取自合肥市某污水處理廠曝氣池，接種污泥呈黑色，混合液懸浮固體（MLSS）為3.5 mg/L,污泥體積指數(shù)（SVI）值為98 mL/g，揮發(fā)性懸浮性固體（MLVSS）為2.7 mg/L。

1.4 實驗培養(yǎng)優(yōu)化方案與運行參數(shù)

在用于培養(yǎng)馴化絮狀污泥R1反應(yīng)器和培養(yǎng)馴化好氧顆粒污泥R2反應(yīng)器，兩組反應(yīng)器每天工作6個周期，每個周期4 h，排水流量為2 L，排水流量比為50%，具體運行時間如表3。其他運行條件如下：進水中DO穩(wěn)定在7 mg/L，調(diào)節(jié)pH在7.5左右，該反應(yīng)器不設(shè)置污泥回流設(shè)置。R2反應(yīng)器先于R1反應(yīng)器接種污泥，在反應(yīng)器中以蔗糖為碳源培養(yǎng)至顆粒污泥達到穩(wěn)定狀態(tài)，之后對絮狀污泥反應(yīng)器R1同樣以蔗糖為碳源進行培養(yǎng)，在保持兩組反應(yīng)器進水水質(zhì)相同。當兩組反應(yīng)器污泥成熟后，使兩組反應(yīng)器的污泥濃度達到統(tǒng)一值4.5 g/L，然后開始馴化。每3 d調(diào)整一次進水水質(zhì)，通過對涂裝廢水不同梯度的稀釋來獲取，定期監(jiān)測反應(yīng)器運行狀態(tài)和污泥的形態(tài)及時做出調(diào)整確保反應(yīng)器穩(wěn)定運行。不同時期稀釋的倍數(shù)根據(jù)當時所取的汽車涂裝廢水的有機物濃度確定，進水COD的濃度由剛開始的80 mg/L逐漸提升至馴化末期的500 mg/L。

表3 R1和R2反應(yīng)器運行時間/min

1.5 分析項目和方法

CODcr：重鉻酸鉀分光光度法；NH4+-N:納氏試劑分光光度法；DO:DO檢測儀；pH:pH檢測儀；PO43-:鉬銻抗分光光度法；MLSS和MLVSS:重量法；SVI:標準法；所有指標均采用國家標準方法[15]。

污泥中EPS提取采用熱提取法[16]，取10 mL活性污泥混合液，在4 000 r/min離心5 min，棄去上清液，以硫酸鹽緩沖液補足體積，在80℃水浴中提取30 min后，5 000 r/min離心30 min，取上清液經(jīng)過0.22μm濾膜過濾。提取液體中蛋白質(zhì)（PN）采用馬斯亮藍法測定，多糖（PS）采用苯酚硫酸法測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 對細胞外聚合物(EPS)含量分析對比

胞外聚合物（EPS）是微生物代謝中分泌的具有粘性的物質(zhì),主要由蛋白質(zhì)（PN）和多糖（PS）組成，是活性絮體污泥、顆粒污泥、生物膜的重要組成成分，對生物聚集體的形成與結(jié)構(gòu)維持具有重要作用[17-19]。由于EPS具有粘附性對污泥粘度有較大的相關(guān)性[20]，并且粘度隨著EPS的含量的增加而增加污泥絮體的絮凝能力也會增強，小的絮凝體更加容易聚集成大的絮凝體[21-22]，因此對顆粒污泥形成具有增強作用[23]。有相關(guān)研究表明PN具有電負性和疏水性，能夠改變污泥的表面性質(zhì)，促進顆粒的形成。PS可以調(diào)節(jié)細胞的內(nèi)聚力和黏附力，在污泥顆?；^程中對維持污泥結(jié)構(gòu)的完整性起著至關(guān)重要的作用[24]。PN/PS代表顆粒的穩(wěn)定性，PN/PS越高，意味著顆粒沉降性和穩(wěn)定性越好。但研究結(jié)果分歧明顯，爭議為EPS的主要成分—PS和PN，因此對EPS組分的深入研究有助于了解顆粒污泥形成機理。

從圖2和圖3可以明顯的看出兩組反應(yīng)器的EPS的含量都呈現(xiàn)上升的趨勢。主要原因是細菌在不適應(yīng)的環(huán)境中分泌更多的PS和PN來保護自己。好氧顆粒污泥分泌的EPS的含量明顯高于絮狀污泥分泌的EPS含量，好氧顆粒污泥中EPS的總量范圍在54～70 mg/g VSS（以單位質(zhì)量揮發(fā)性懸浮固體（VSS）中的EPS質(zhì)量記）之間，絮狀污泥中EPS的總量范圍在36～52 mg/g之間，也就說明了好氧顆粒污泥的抗有機負荷能力比絮狀污泥抗有機負荷的能力要強。反應(yīng)器R1在45 d達到最大值67 mg/g，反應(yīng)器R2在40 d達到最大值53 mg/g。其中R1反應(yīng)器中的EPS由培養(yǎng)初期的54 mg/g增加到67 mg/g，由此可見EPS有利于細胞之間的凝聚性以及維持顆粒之間的穩(wěn)定性。45 d時R1反應(yīng)器EPS含量開始出現(xiàn)下降趨勢，污泥EPS的積累會影響污泥的沉降性和穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響[25]，一部分蛋白質(zhì)和多糖在基質(zhì)饑餓期被消耗，使得EPS含量降低[26]。

圖2 R1反應(yīng)器胞外聚合物及其組分變化

圖3 R2反應(yīng)器胞外聚合物及其組分變化

10 d后隨著汽車涂裝廢水按一定的比例添加R1和R2反應(yīng)器中EPS的含量還是呈現(xiàn)上升的趨勢，R1反應(yīng)器中PN和PS相差不大，R2反應(yīng)器中PN為PS的2.86倍，這也就表明了汽車涂裝廢水對好氧顆粒污泥和絮狀污泥沒有明顯的抑制作用。R1反應(yīng)器中PN/PS基本呈現(xiàn)下降趨勢，R2反應(yīng)器PN/PS處于先上升后下降的趨勢，可能的原因是有機負荷的增加對污泥的穩(wěn)定性的影響，明顯好氧顆粒污泥的穩(wěn)定性要比絮狀污泥的穩(wěn)定性要強。同時兩組反應(yīng)器中PN在絮狀污泥和好氧顆粒污泥中占優(yōu)勢地位，可能主要原因是顆粒污泥形成過程中主要與蛋白質(zhì)內(nèi)核有關(guān)。PN中大部分由胞外酶組成，主要參與微生物的聚集體水解活動[27]，同時PN具有很多氨基官能團可中和表面負電荷促進顆粒黏附絮凝，是影響污泥絮凝的最重要的因素[28]，因此反應(yīng)器R1、R2中PN的含量大致不斷增加，對顆粒污泥結(jié)構(gòu)的維持具有關(guān)鍵作用。有研究通過比較正常污泥、膨脹污泥、解體污泥中EPS的組成及其含量發(fā)現(xiàn)正常污泥的EPS含量最低，蛋白質(zhì)占EPS的主要組分[29]。

2.2 污染物去除效果

2.2.1 化學(xué)需氧量（CODcr）的去除效果分析對比

兩組反應(yīng)器中的好氧顆粒污泥和絮狀污泥對汽車涂裝廢水的CODcr去除情況如圖4所示。

圖4 CODcr的去除效果

從圖4可以看出，好氧顆粒污泥對CODcr去除效果明顯比絮狀污泥對CODcr的去除效果要好。剛開始的時候兩者的去除率都比較低只有67.4%左右，可能原因是此時兩者都處于適應(yīng)期，也有可能是反應(yīng)器中污泥沒有完全成熟。10 d開始在人工模擬的廢水中逐步按比例添加涂裝廢水進行污泥的馴化從圖4中可以看出好氧顆粒污泥在適應(yīng)涂裝廢水能力比絮狀污泥要強得多，主要原因是因為好氧顆粒污泥具有很強的耐有機負荷能力。45 d左右，兩組SBR反應(yīng)器進水基本上全為汽車涂裝廢水，兩組反應(yīng)器基本適應(yīng)了汽車涂裝廢水的水質(zhì)，整個反應(yīng)器運行穩(wěn)定并且好氧顆粒污泥去除率都比絮狀污泥平均高8.5%左右。

2.2.2 對氨氮(NH4+-N)的去除效果分析對比

從圖5可看出兩組反應(yīng)器對氨氮(NH4+-N)都有比較高的去除率，好氧顆粒污泥對氨氮的平均去除率在92.6%左右，絮狀污泥對氨氮的去除率平均在91.0%左右。15 d好氧顆粒污泥和絮狀污泥對氨氮的去除能力相當，去除率都在92.1%左右，隨后一段時間去除率稍微降低可能是因為隨著污泥負荷的增加影響了亞硝化菌落的活性，使得氨氮的氧化速率下降，從而導(dǎo)致氨氮的去除率降低。當進水全為汽車涂裝廢水時，好氧顆粒污泥和絮狀污泥依然保持較高的的去除效果并且好氧顆粒污泥比絮狀污泥去除率平均高1.2%左右。

圖5 氨氮(NH4+-N)的去除效果

2.2.3 對PO43--P的去除效果分析對比

隨著進水中汽車涂裝廢水占比的提高，R1和R2兩組反應(yīng)器對PO43--P的去除效果對比如圖6所示。結(jié)果表明，兩組反應(yīng)器對PO43--P的去除效果無明顯差異。在馴化初期，去除效果都比較低只有65.3%左右?？赡芤环矫媸莾山M反應(yīng)器都處于汽車涂裝廢水的適應(yīng)期，另一方面可能是污泥已經(jīng)足夠成熟了，生長速度緩慢，沒有定期排泥導(dǎo)致初期除磷效果比較低。20 d后，好氧顆粒污泥表現(xiàn)出略微的降解優(yōu)勢，最后兩組反應(yīng)器對PO43--P的去除率穩(wěn)定在72.5%左右。生物除磷的機理是利用在好氧、厭氧交替條件下培養(yǎng)出的聚磷微生物，在厭氧段有機物通過微生物的發(fā)酵作用產(chǎn)生揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）為生物脫氮除磷提供碳源[30-31],聚磷菌（PAO）將VFAs攝入細胞，轉(zhuǎn)化為內(nèi)貯物并將磷以正磷酸鹽的形式釋放到污水中。在好氧階段，聚磷微生物從污水中吸收過量的正磷酸鹽，合成新的細胞形成富磷污泥，通過排出剩余污泥達到除磷的目的。本實驗兩組SBR反應(yīng)器基本都處于曝氣階段，沒有厭氧好氧交替的環(huán)境條件，不利于聚磷微生物的生長[32]。同時長時間的曝氣會使得好氧菌和PAO產(chǎn)生競爭，顆粒內(nèi)部優(yōu)勢菌落發(fā)生變化。以及排出污泥中帶走了部分的PAO，使得PAO的含量將大大減少會導(dǎo)致PO43--P的去除率下降[33]。

圖6 PO43--P的去除效果

3 小結(jié)

好氧顆粒污泥和絮狀污泥在降解汽車涂裝廢水時，R2反應(yīng)器所分泌的EPS的含量明顯高于R1反應(yīng)器且兩者中PN占主要比重，說明顆粒污泥形成過程中主要與蛋白質(zhì)內(nèi)核有關(guān)，降解的性能也明顯比絮狀污泥降解的效果更好。汽車涂裝廢水對于好氧顆粒污泥和絮狀污泥顆?；M程沒有明顯的抑制作用,同時好氧顆粒污泥對汽車涂裝廢水的CODcr去除率高于絮狀污泥，而對NH4+-N、PO43--P的去除效果差別不大基本保持一致。