SBR不同进水中反硝化除磷颗粒污泥的培养何秋来

第３６卷第１期２０１６年１月环　境　科　学　学　报　ＡｃｔａＳｃｉｅｎｔｉａｅＣｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅＶｏｌ．３６，Ｎｏ．１Ｊａｎ．，２０１６基金项目：国家自然科学基金（Ｎｏ．５１３７８４００）；湖北省自然科学基金项目（Ｎｏ．２０１３ＣＦＢ２８９）ＳｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａ（Ｎｏ．５１３７８４００）ａｎｄｔｈｅＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＨｕｂｅｉＰｒｏｖｉｎｃｅ（Ｎｏ．２０１３ＣＦＢ２８９）作者简介：何秋来（１９９１—），男，Ｅ⁃ｍａｉｌ：[e-mail]；∗通讯作者（责任作者），Ｅ⁃ｍａｉｌ：[e-mail]：ＨＥＱｉｕｌａｉ（１９９１—），ｍａｌｅ，Ｅ⁃ｍａｉｌ：[e-mail]；∗Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒ，Ｅ⁃ｍａｉｌ：[e-mail]：１０．１３６７１／ｊ．ｈｊｋｘｘｂ．２０１５．０５０５何秋来，王弘宇，杨小俊，等．２０１６．ＳＢＲ不同进水中反硝化除磷颗粒污泥的培养［Ｊ］．环境科学学报，３６（１）：１３４⁃１４１ＨｅＱＬ，ＷａｎｇＨＹ，ＹａｎｇＸＪ，ｅｔａｌ．２０１６．Ｃｕｌｔｉｖａｔｉｏｎｏｆｄｅｎｉｔｒｉｆｙｉｎｇｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｒｅｍｏｖａｌｇｒａｎｕｌａｒｓｌｕｄｇｅｉｎｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇｂａｔｃｈｒｅａｃｔｏｒｆｏｒｔｒｅａｔｉｎｇｄｉｆｆｅｒｅｎｔｋｉｎｄｓｏｆｗａｓｔｅｗａｔｅｒ［Ｊ］．ＡｃｔａＳｃｉｅｎｔｉａｅＣｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅ，３６（１）：１３４⁃１４１ＳＢＲ不同进水中反硝化除磷颗粒污泥的培养何秋来１，王弘宇１，∗，杨小俊２，周俊１，叶娅萍１，陈丹１，杨开１１．武汉大学土木建筑工程学院，武汉４３００７２２．武汉纺织大学环境工程学院，武汉４３０２００收稿日期：２０１５⁃０３⁃２２　　　修回日期：２０１５⁃０６⁃０５　　　录用日期：２０１５⁃０６⁃０９摘要：分别以人工配水、加Ｃａ２＋人工配水和实际生活污水为进水水源，在Ａ／Ｏ／Ａ运行模式的３套ＳＢＲ反应器（Ｒ１、Ｒ２和Ｒ３）中培养反硝化除磷颗粒污泥，研究了其生化特性和启动过程的除污性能，分析了反硝化除磷能力，最后对颗粒化机理进行了探讨，重点考察了反硝化除磷颗粒污泥启动过程中对ＣＯＤ、ＮＨ＋４⁃Ｎ、ＴＮ和ＴＰ的去除情况．结果表明，Ｒ１～Ｒ３均在３０ｄ内成功得到反硝化除磷颗粒污泥，颗粒污泥平均粒径大于６００μｍ，比重和比耗氧速率较大，含水率较低；培养过程中出水ＣＯＤ平均值低于４０ｍｇ·Ｌ－１，出水ＴＮ、ＮＨ＋４⁃Ｎ及ＴＰ平均浓度低于１ｍｇ·Ｌ－１；系统稳定后一个典型周期内试验表明，ＣＯＤ、ＮＨ＋４⁃Ｎ、ＴＮ和ＴＰ的去除效果良好，对ＣＯＤ、ＮＨ＋４⁃Ｎ、ＴＮ及ＴＰ的去除率可达９０％以上；Ｒ１～Ｒ３中最大比释磷速率分别达１４．３４、８．３２和２．３２ｍｇ·ｇ·ｈ－１（以每ｇＭＬＶＳＳ每小时释放的Ｐ量（ｍｇ）计），Ｒ１～Ｒ２中最大比吸磷速率分别达１４．１３和２．３４ｍｇ·ｇ·ｈ－１（以每ｇＭＬＶＳＳ每小时吸收的Ｐ量（ｍｇ）计）；试验结果表明，Ｃａ２＋对颗粒化有促进作用．关键词：ＳＢＲ；颗粒污泥；反硝化除磷；反硝化除磷菌；Ａ／Ｏ／Ａ模式文章编号：０２５３⁃２４６８（２０１６）０１⁃１３４⁃０８　　　中图分类号：Ｘ７０３　　　文献标识码：ＡＣｕｌｔｉｖａｔｉｏｎｏｆｄｅｎｉｔｒｉｆｙｉｎｇｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｒｅｍｏｖａｌｇｒａｎｕｌａｒｓｌｕｄｇｅｉｎｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇｂａｔｃｈｒｅａｃｔｏｒｆｏｒｔｒｅａｔｉｎｇｄｉｆｆｅｒｅｎｔｋｉｎｄｓｏｆｗａｓｔｅｗａｔｅｒＨＥＱｉｕｌａｉ１，ＷＡＮＧＨｏｎｇｙｕ１，∗，ＹＡＮＧＸｉａｏｊｕｎ２，ＺＨＯＵＪｕｎ１，ＹＥＹａｐｉｎｇ１，ＣＨＥＮＤａｎ１，ＹＡＮＧＫａｉ１１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＷｕｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｈａｎ４３００７２２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＷｕｈａｎＴｅｘｔｉｌｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｈａｎ４３０２００Ｒｅｃｅｉｖｅｄ２２Ｍａｒｃｈ２０１５；　　　ｒｅｃｅｉｖｅｄｉｎｒｅｖｉｓｅｄｆｏｒｍ５Ｊｕｎｅ２０１５；　　　ａｃｃｅｐｔｅｄ９Ｊｕｎｅ２０１５Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｕｌｔｉｖａｔｉｏｎｏｆｄｅｎｉｔｒｉｆｙｉｎｇｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｒｅｍｏｖａｌｇｒａｎｕｌａｒｓｌｕｄｇｅｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｉｎｔｈｒｅｅｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇｂａｔｃｈｒｅａｃｔｏｒｓ（ＳＢＲ，ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｔｏＲ１，Ｒ２ａｎｄＲ３）ｆｅｄｗｉｔｈｓｙｎｔｈｅｔｉｃｗａｓｔｅｗａｔｅｒ，ｓｙｎｔｈｅｔｉｃｗａｓｔｅｗａｔｅｒｗｉｔｈ１０ｍｇ·Ｌ－１Ｃａ２＋ａｎｄｄｏｍｅｓｔｉｃｗａｓｔｅｗａｔｅｒ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｕｎｄｅｒａｎＡ／Ｏ／Ａｏｐｅｒａｔｉｏｎｍｏｄｅｔｏｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｔｈｅｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌａｎｄｐｈｙｓｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｇｒａｎｕｌａｒｓｌｕｄｇｅ，ｎｕｔｒｉｅｎｔｓｒｅｍｏｖａｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｄｕｒｉｎｇｓｔａｒｔ⁃ｕｐｐｅｒｉｏｄａｎｄｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆａｅｒｏｂｉｃｇｒａｎｕｌａｔｉｏｎ．Ｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｇｒａｎｕｌｅｓｗｉｔｈａｄｉａｍｅｔｅｒｏｖｅｒ６００μｍｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄｉｎＲ１～Ｒ３ｗｉｔｈｉｎ３０ｄａｙｓ，ｗｉｔｈｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｌｏｗｉｎｍｏｉｓｔｕｒｅｃｏｎｔｅｎｔ，ｈｉｇｈｉｎｓｐｅｃｉｆｉｃｇｒａｖｉｔｙａｎｄｓｐｅｃｉｆｉｃｏｘｙｇｅｎｕｐｔａｋｅｒａｔｅ．ＮｕｔｒｉｅｎｔｓｒｅｍｏｖａｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｒｅｖｅａｌｓｔｈａｔｅｆｆｌｕｅｎｔＣＯＤｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｗａｓａｌｗａｙｓｌｏｗｅｒｔｈａｎ４０ｍｇ·Ｌ－１，ａｎｄｅｆｆｌｕｅｎｔｎｉｔｒｏｇｅｎ（ｔｏｔａｌｎｉｔｒｏｇｅｎａｎｄａｍｍｏｎｉａｎｉｔｒｏｇｅｎｉｎｃｌｕｄｅ）ａｎｄｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ（ｔｏｔａｌｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ）ｗｅｒｅａｌｗａｙｓｌｏｗｅｒｔｈａｎ１ｍｇ·Ｌ－１．ＴｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｓｔｈａｔｒｅｍｏｖａｌｒａｔｅｓｏｆＣＯＤ，ｎｉｔｒｏｇｅｎａｎｄｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｓｔｅａｄｉｌｙｒｅｍａｉｎｅｄｈｉｇｈｅｒｔｈａｎ９０％．Ｄｅｎｉｔｒｉｆｙｉｎｇｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｗａｓｅｎｈａｎｃｅｄｗｉｔｈｔｈｅｍａｘｉｍａｌｓｐｅｃｉｆｉｃｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｒｅｌｅａｓｅｒａｔｅｓｏｆ１４．３４，８．３２ａｎｄ２．３２ｍｇ（Ｐ）·ｇ（ＭＬＶＳＳ）－１·ｈ－１ｉｎＲ１～Ｒ３，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ａｎｄｔｈｅｍａｘｉｍａｌｓｐｅｃｉｆｉｃｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｕｐｔａｋｅｒａｔｅｓｗｅｒｅ１４．１３ａｎｄ２．３４ｍｇ（Ｐ）·ｇ（ＭＬＶＳＳ）－１·ｈ－１ｉｎＲ１，Ｒ２，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，Ｃａ２＋ｗａｓｐｒｏｖｅｄｔｏｂｅｎｅｆｉｔｆｏｒｓｌｕｄｇｅｇｒａｎｕｌａｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＳＢＲ；ｇｒａｎｕｌａｒｓｌｕｄｇｅ；ｄｅｎｉｔｒｉｆｙｉｎｇｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｒｅｍｏｖａｌ；ｄｅｎｉｔｒｉｆｙｉｎｇｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓａｃｃｕｍｕｌａｔｉｎｇｏｒｇａｎｉｓｍｓ；Ａ／Ｏ／Ａｍｏｄｅ１　引言（Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ）在传统生物脱氮除磷工艺中，氮的去除主要是通过好氧硝化和缺氧反硝化两个独立的过程来实现，磷则是通过厌氧释磷和好氧吸磷两步完成（王弘宇等，２００２）．因此，同步脱氮除磷需要硝化菌、反１期何秋来等：ＳＢＲ不同进水中反硝化除磷颗粒污泥的培养硝化菌和聚磷菌（ＰＡＯｓ）同时参与（Ｙａｎｇｅｔａｌ．，２０１０）．由于反硝化过程和释磷过程都需要有机物提供碳源，反硝化细菌和ＰＡＯｓ之间存在竞争，所以当污水中碳源不足时，系统对氮、磷的去除效果将受到影响（姜鸣等，２０１１）．反硝化除磷菌（ＤＮＰＡＯｓ）可以利用同一碳源处理硝酸盐／亚硝酸盐和磷，从而避免了对有机碳源的竞争（Ｚｈｏｕｅｔａｌ．，２０１２）．ＤＮＰＡＯｓ能在厌氧条件下将有机物转化为ＰＨＡ存储在细胞内，而且能利用硝酸盐或亚硝酸盐作为电子受体进行好氧吸磷（Ｈｕｅｔａｌ．，２００３）．ＤＮＰＡＯｓ产能效率较低，污泥产量可以降低２０％～３０％（姜鸣等，２０１１）．因此，ＤＮＰＡＯｓ在同步生物脱氮除磷中具有较大优势．颗粒污泥具有结构致密、沉降性能好、生物密度大、微生物种类多、污泥活性高、抗冲击能力强等优点（Ｌｅｅｅｔａｌ．，２０１０）．研究表明，颗粒污泥内部由于氧气渗透深度有限可以同时存在好氧／缺氧／厌氧环境，有利于同步脱氮除磷（Ｋｉｓｈｉｄａｅｔａｌ．，２００６）．在ＳＢＲ反应器中，通过搅拌、曝气等选择压能够得到反硝化除磷颗粒污泥，这种颗粒污泥兼具反硝化除磷技术和颗粒污泥的优势（Ｋｉｓｈｉｄａｅｔａｌ．，２００６；刘小英等，２００９；Ｚｈａｎｇｅｔａｌ．，２０１１；李军等，２０１２）．反硝化除磷颗粒污泥技术作为一种新型的污水处理技术，目前尚处于实验室小试阶段，尚未得到广泛应用，关于颗粒化过程的报道及颗粒污泥特性等的文章也不多见．为此我们进行本试验的探究，拟为反硝化除磷颗粒污泥的颗粒化过程及其特性提供一定的实践参考和理论依据．试验采用三套完全相同的ＳＢＲ反应器Ｒ１、Ｒ２和Ｒ３，以Ａ／Ｏ／Ａ运行模式，接种普通絮状污泥，分别以普通人工配水、加Ｃａ２＋人工配水和实际生活污水为进水水源，进行反硝化除磷颗粒污泥的培养，并研究反硝化除磷颗粒污泥的相关特性及其除污性能．２　材料与方法（Ｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｍｅｔｈｏｄｓ）２．１　试验装置本试验采用的３套ＳＢＲ反应器Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３形态结构完全相同，试验装置如图１所示．反应器由有机玻璃加工制成，内径１２０ｍｍ，外径２２０ｍｍ，高８００ｍｍ，高径比Ｈ／Ｄ为６．７，有效容积７Ｌ．ＳＢＲ反应器的运行采用时间程序控制器进行自动控制，反应器全程不控温，均在室温（２３～２８℃）条件下运行．人工配水和实际生活污水由计量泵从反应器上部引入，厌氧和缺氧过程由搅拌仪实现，转速为３００ｒ·ｍｉｎ－１，好氧过程利用气泵从底部曝气实现．试验所用污泥取自武汉市沙湖污水处理厂二沉池，经初步处理后投加到反应器中，初始污泥浓度约为５０００ｍｇ·Ｌ－１．　图１　ＳＢＲ反应器示意图Ｆｉｇ．１　ＳｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆＳＢＲｒｅａｃｔｏｒ２．２　系统运行模式３套反应器均采用Ａ／Ｏ／Ａ模式，反应周期为８ｈ，每日运行３个周期，每周期排水比为５０％．好氧段ＤＯ值控制在５．０ｍｇ·Ｌ－１左右，缺氧段低于０．５０ｍｇ·Ｌ－１，厌氧段低于０．２５ｍｇ·Ｌ－１．具体运行模式如表１所示．表１　Ａ／Ｏ／Ａ模式不同阶段运行时间Ｔａｂｌｅ１　ＴｈｅＯｐｅｒａｔｉｏｎｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｔａｇｅｓｏｆＳＢＲｉｎＡ／Ｏ／Ａｍｏｄｅ阶段运行时间／ｍｉｎ进水厌氧好氧缺氧沉降出水Ⅰ５１８０１８０９０２０５Ⅱ５１８０１６０１１５１５５Ⅲ５１８０１６０１２０１０５Ⅳ５１８０１５０１３５５５Ⅴ５１８０１４０１４８２５２．３　试验用水与水质本实验进行人工配水和实际生活污水的对比分析，其中，Ｒ１采用人工配水，Ｒ２采用加１０ｍｇ·Ｌ－１Ｃａ２＋人工配水（Ｃａ２＋由ＣａＣｌ２提供），Ｒ３采用取自武汉大学茶港小区的实际生活污水．污水水质如表２所示．同时人工配水中加入微生物生命活动所需的各种微量元素，微量元素组成如表３所示．５３１环　　境　　科　　学　　学　　报３６卷表２　人工配水和实际生活污水水质Ｔａｂｌｅ２　Ｗａｔｅｒｑｕａｌｉｔｙｏｆｔｈｅｓｙｎｔｈｅｔｉｃｗａｓｔｅｗａｔｅｒａｎｄｒａｗｄｏｍｅｓｔｉｃｗａｓｔｅｗａｔｅｒ废水种类ＣＯＤ／（ｍｇ·Ｌ－１）ＴＰ／（ｍｇ·Ｌ－１）ＮＨ＋４⁃Ｎ／（ｍｇ·Ｌ－１）ｐＨ人工配水３００～３５０８～１４４０～５０７～８实际生活