SBR反应器中好氧颗粒污泥的培养及性能试验

第３１卷第１期２０１１年２月桂林理工大学学报ＪｏｕｒｎａｌｏｆＧｕｉｌｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＶｏｌ３１Ｎｏ１Ｆｅｂ　２０１１文章编号：１６７４－９０５７（２０１１）０１－０１３５－０４ＳＢＲ反应器中好氧颗粒污泥的培养及性能试验孙　鑫ａ，李金城ａ，ｂ，郑华燕ａ，徐芝芬ａ，阙光龙ａ，吴金莲ａ，邓富勇ａ（桂林理工大学ａ环境科学与工程学院；ｂ广西环境工程与保护评价重点实验室，广西桂林　５４１００４）摘　要：以厌氧颗粒污泥为接种泥，采用人工配制的模拟生活污水，在ＳＢＲ反应器中成功培养出好氧颗粒污泥。试验表明：以二次成核说作为理论支持，通过提高ＣＯＤ负荷和逐渐减少污泥沉降时间所造成选择压促进好氧颗粒污泥的形成。所形成的颗粒结构密实，沉降性能好，生物活性高，外表呈橙黄色，粒径在０５～１ｍｍ，ＳＶＩ为４０ｍＬ／ｇ，ＭＬＳＳ为７０３７ｍｇ／Ｌ。该ＳＢＲ系统对ＣＯＤ、氨氮的去除率均达到９５％以上，对ＴＰ的去除率也达到８０％，具有良好的同步脱氮除磷效果。关键词：ＳＢＲ；好氧颗粒污泥；培养中图分类号：Ｘ７０３１　　　　　　　　　　　　　文献标志码：Ａ好氧颗粒污泥（ａｅｒｏｂｉｃｇｒａｎｕｌａｒｓｌｕｄｇｅ，ＡＧＳ）是近年来逐渐发展起来的一种新型好氧微生物固定化技术，是指微生物在特定环境下自发凝聚、增殖而形成的结构紧密、沉降性能良好、生物协作性强的生物颗粒，其特点是具有颗粒状结构，相对密度大、沉降速度快、污泥产率低等特点，能使反应器中保持较高的污泥浓度［１］。目前相关好氧颗粒污泥的研究工作有很多，但在影响其培养和稳定的诸多因素方面还有很多工作需要做。１　材料与方法１１　材料装置与运行方法ＳＢＲ反应器为自行设计的一体式ＳＢＲ反应器（图１）。反应器为完全好氧反应器，反应器为圆柱形装置，内径为８ｃｍ，高１００ｃｍ，总体积为５Ｌ，换水率为５０％。废水由反应器底部进入，由反应器中部出水口排出，放置曝气头在反应器内曝气，通过带阀门的转子流量计调节并计量曝气量，反应器内的温度通过底部水浴加热调节和控制温度，水温控制在（２５±２）℃。运行周期为１２ｈ，其中进水时间３ｍｉｎ，曝气时间６３０ｍｉｎ，沉淀时间为２～２０ｍｉｎ，出水时间为３ｍｉｎ。１２　接种污泥与试验用水接种污泥为厌氧颗粒污泥，取自ＵＡＳＢ池中的厌氧颗粒污泥，经过３天“闷曝”后，污泥特性见表１。图１　试验装置Ｆｉｇ１　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌａｐｐａｒａｔｕｓ１—时间控制器；２—水泵；３—进水池；４—进水口；５—取样口；６—出水口；７—反应柱；８—电磁阀；９—排泥箱；１０—排泥口；１１—曝气头　收稿日期：２０１０－０５－２５　基金项目：广西科学研究与技术开发计划项目（桂科攻１０１２４００２－３）；广西环境工程与保护评价重点实验室主任基金项目（桂科能０７０１ｚ０１０）；广西高校人才小高地建设“环境工程”创新团队资助计划项目（桂教人［２００７］７１）　作者简介：孙　鑫（１９８４—），男，硕士研究生，研究方向：水污染控制技术。　通讯作者：李金城，博士，教授，ｌｉｊｃｈ＠ｇｌｉｔｅｅｄｕｃｎ。　引文格式：孙鑫，李金城，郑华燕，等．ＳＢＲ反应器中好氧颗粒污泥的培养及性能试验［Ｊ］．桂林理工大学学报，２０１１，３１（１）：１３５－１３８．表１　污泥特性Ｔａｂｌｅ１　ＳｌｕｄｇｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓＭＬＳＳ／（ｍｇ·Ｌ－１）ＳＶ／％ＳＶＩ／（ｍｇ·ｇ－１）ＭＬＶＳＳ／（ｍｇ·Ｌ－１）闷曝前８７７８４０３４１７２１２３３天后３７２５５６１８８１０２３试验用水为人工配水，其组分（单位为ｍｇ／Ｌ）：葡萄糖１００～１０００、碳酸氢钠９４、蛋白胨６３、氯化钠６３、氯化钙１００、ＭｇＳＯ４·７Ｈ２Ｏ１５、牛肉膏１００、ＦｅＳＯ４·７Ｈ２Ｏ２００、ＮＨ４Ｃｌ２００、Ｋ２ＨＰＯ４３５、ＫＨ２ＰＯ４１５、ＣｕＳＯ４·５Ｈ２Ｏ００３、ＺｎＳＯ４·７Ｈ２Ｏ０１２、ＣｏＣｌ２·６Ｈ２Ｏ０１５、ＭｎＣｌ２·２Ｈ２Ｏ０１２、ＫＩ０１８等。１３　分析项目及测试方法ＣＯＤ：微波密封消解法；氨氮：纳氏试剂分光光度法；总磷：钼锑抗分光光度法；污泥浓度：重量法。监测方法参照《水和废水监测方法》。２　结果与讨论２１　ＳＢＲ的启动运行及ＡＧＳ的培养驯化ＳＢＲ反应器从启动到稳定化共经历了４０ｄ，从桂林市某啤酒厂取回厌氧污泥后，沉降３０ｍｉｎ，将底泥过筛，去除其中含有的粗杂质，量取５００ｍＬ接入到反应器中，再向反应器中加满水，闷曝３ｄ，最后进入驯化阶段。在反应初期，模拟废水ＣＯＤ浓度在２５０～４００ｍｇ／Ｌ，氨氮浓度在４０～５０ｍｇ／Ｌ，Ｃ／Ｎ达到１００∶１０。采用间歇式进水，即１２ｈ一个周期，沉淀时间为３０ｍｉｎ，使反应器内的污泥经历贫富营养的交替过程，促进污泥的颗粒物进程，而后逐渐提高ＣＯＤ和氨氮负荷，使污泥逐步适应进水水质，最后将进水ＣＯＤ与氨氮分别维持在１０００和８０ｍｇ／Ｌ。在此环境下运行１０ｄ，即可获得密度较大、沉降性能良好、轮廓清晰的初始颗粒污泥，反应器进入稳定期，随着污泥抗冲击能力的提高，出水水质也明显好转，当进水ＣＯＤ增大后，反应器混合液的ｐＨ值会出现下降，此时应投加一定量的碳酸氢钠维持ｐＨ在７左右。在驯化后期，周期时间为１２ｈ，沉淀时间为２ｍｉｎ，污泥颗粒化基本完成。２２　ＡＧＳ的物理性状当周期时间为１２ｈ，沉淀时间为２ｍｉｎ，污泥颗粒化基本完成，ＳＶＩ达到２０ｍＬ／ｇ，外表呈橙黄色，结构致密，大多数粒径在０５～１ｍｍ。ＡＧＳ的ＶＳＳ／ＭＬＳＳ值达到８９％，显示颗粒污泥的活性很高。图２为成熟期污泥的外观形态。图２　ＡＧＳ颗粒实物图Ｆｉｇ２　ＰｉｃｔｏｒｉａｌｄｉａｇｒａｍｏｆＡＧＳ２２１　ＭＬＳＳ（污泥浓度）　在初期闷曝３天后，厌氧颗粒污泥解体为由丝状菌组成的絮状污泥和碎片，为后期形成ＡＧＳ提供必要条件，同时污泥浓度也快速下降，随着沉淀时间的减少，絮状污泥也会被选择性洗出，留下来的絮状污泥也与碎片在水利剪切力的作用下形成颗粒污泥，从而污泥浓度缓慢增长，在后期，颗粒污泥逐渐增多直至颗粒完全化，污泥浓度达到７０３ｇ／Ｌ（图３）。图３　ＭＬＳＳ变化图Ｆｉｇ３　ＣｈａｎｇｅｏｆＭＬＳＳｉｎｒｅａｃｔｏｒ２２２　ＳＶＩ（污泥容积指数）　ＳＶＩ值能较好地反映出活性污泥的松散程度（活性）和凝聚、沉淀性能。如图４所示，在闷曝后的第３天污泥容积指数骤然上升，这主要是因为厌氧颗粒污泥在有氧的状态下经过水力冲击已经解体，在随后絮状污泥排除，ＡＧＳ逐渐形成后，ＳＶＩ值也逐渐增加，６３１桂　林　理　工　大　学　学　报　　　　　　　　　　　　　　２０１１年最后稳定在４０ｍＬ／ｇ左右。图４　ＳＶＩ变化图Ｆｉｇ４　ＣｈａｎｇｅｏｆＳＶＩｉｎｒｅａｃｔｏｒ２２３　好氧颗粒污泥特性　有研究者［２］认为ＡＧＳ粒化机理类似厌氧颗粒化中的二次成核理论。通过显微镜观测发现在反应器运行１０ｄ后，污泥形成大量真菌聚集成的菌团（图５）。在水力剪切力与贫、富营养状态的影响下，由真菌占主导地位的菌团附着在厌氧颗粒污泥解体后的内核上逐渐变得密实，最后形成完整的颗粒污泥。图５　菌团Ｆｉｇ５　Ｚｏｏｇｌｏｅ２３　处理效果２３１　对ＣＯＤ的去除效果　良好的有机物去除效果及较好的抗冲击负荷能力是颗粒污泥系统的显著特征［３］。如图６所示，在颗粒污泥新形成初期后，水利停留时间为１２ｈ，进水有机负荷由０５ｋｇ／（ｍ３·ｄ）上升到１０ｋｇ／（ｍ３·ｄ）时，出水ＣＯＤ去除率依然能保持在８５％以上，这说明进水ＣＯＤ浓度对其影响不大，好氧颗粒污泥相比普通活性污泥有较高的抗冲击负荷能力。２３２　ＡＧＳ泥脱氮除磷效果　传统脱氮理论认为，硝化反应是自养型好氧微生物完成，称为硝化菌［４］，与异养硝化菌相比，自养硝化菌生长速度慢、产生率低，能忍受较低的溶解氧浓度和更酸的环境［５］。颗粒外部处于好氧环境，颗粒表层为好氧异养菌和自养硝化菌，分别起到降解ＣＯＤ和氨氮的硝化作用；而颗粒内部由于溶解氧扩散阻力的限制为缺氧环境，内部主要为异养反硝化菌，发生反硝化脱氮。这样就解释了ＡＧＳ同步硝化反硝化理论。如图７所示，在运行２０ｄ后，颗粒污泥基本完全化，一个周期控制在１２ｈ，氨氮的去除率达到９５％以上，对ＴＰ的去除率也达到８０％，这说明好氧颗粒污泥已经具有同步脱氮除磷的性能。图６　颗粒污泥对ＣＯＤ的去除效果Ｆｉｇ６　ＲｅｍｏｖａｌｒａｔｅｏｆＣＯＤｉｎａｌｌｓｔａｇｅｓ图７　颗粒污泥对氨氮（ａ）和ＴＰ（ｂ）的去除效果Ｆｉｇ７　ＲｅｍｏｖａｌｒａｔｅｏｆＮＨ３Ｎ（ａ）ａｎｄＴＰ（ｂ）２４　颗粒污泥实现同步硝化反硝化ＡＧＳ是多种微生物形成良好稳定的共生关系整体，能够高效的在好氧与缺氧的条件下完成对氮的降解过程，硝化与反硝化同时发生。图８为ＳＢＲ反应器一个周期内氮以３种形态存在时的降解过程。在曝气后３ｈ，亚硝酸盐氮发生积累，最高达到１７３ｍｇ／Ｌ，随后迅速下降，这是因为前期碳源丰富，硝化反硝化速率高，产生７３１第１期　　　　　　　　　　　孙　鑫等：ＳＢＲ反应器中好氧颗粒污泥的培养及性能试验的ＮＯ２Ｎ迅速被还原成氮气。在７ｈ后随着外界碳源耗尽，造成反硝化碳源不足及ＮＯ３Ｎ不断积累，最高达到５６５ｍｇ／Ｌ，所以最终出水的ＴＮ去除率不高，这与牟丽娉［１］在研究ＡＧＳ在脱氮中碳氮比关系中发现在曝气开始阶段，碳氮比越大，氨氮去除速率越快，并且碳氮比对总无机氮的去除影响较大，在曝气中后期，总无机氮浓度的下降幅度明显减缓的结论基本相同。氨氮在整个周期中被氧化成ＮＯ２Ｎ和ＮＯ３Ｎ，含量最低达到１８９ｍｇ／Ｌ，去除率最高达到９８％。图８　一个周期中氮的转换Ｆｉｇ８　Ｎｉｔｒｏｇｅｎｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｏｎｅｓｔａｇｅ３　结　论（１）以葡萄糖、蛋白栋、牛肉膏作为底物，厌氧颗粒污泥为接种污泥，通过ＳＢＲ系统控制运行条件造成选择压实现污泥颗粒化。（２）成熟颗粒形态完整、结构密实、生物活性强、外观呈橙黄色，粒径在０５～１ｍｍ，ＭＬＳＳ为７ｇ／Ｌ，ＳＶＩ为４０ｍＬ／ｇ，所在ＳＢＲ系统稳定，抗冲击负荷强。（３）成功培养的ＡＧＳ对污染物有良好的去除效果，对ＣＯＤ、氨氮的去除率均在９５％以上，对ＴＰ的去除率也达到８０％，具有良好的同步脱氮除磷效果。（４）在一个周期中，氨氮被氧化成亚硝酸盐氮和硝酸盐氮，在ＡＧＳ同时有着良好的好氧与厌氧的微环境中成功降解，这也说明ＡＧＳ具有同步硝化反硝化脱氮效果，但在总氮的去除方面还有待进一步的研究。参考文献：［１］牟丽娉．ＳＢＲ中好氧颗粒污泥及其脱氮功能的研究进展［Ｊ］．中国给水排水，２００９，２５（２）：２１－２６．［２］ＢｅｕｎＪＪ，ＨｅｎｄｒｉｋｓＡ，ｖａｎＬｏｏｓｄｒｅｃｈｔＭＣＭ，ｅｔｅａｌ．ＡｅｒｏｂｉｃＧｒａｎｕｌａｔｉｏｎｉｎａｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇｂａｔｃｈｒｅａｃｔｏｒ［Ｊ］．Ｗａｔ．Ｒｅｓ，１９９９，３３（１０）：２２８３－２２９０．［３］ＪａｎｇＡ，ＹｏｏｎＹＨ，ＫｉｍＩＳ，ｅｔａｌ．Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎａｎｄｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆａｅｒｏｂｉｃｇｒａｎｕｌｅｓｉｎｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇｂａｔｃｈｒｅａｃｔｏｒ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＢｉｏｔｅｃｈｎｏｌ，２００３，１０５：７１－８２．［４］郑兴灿，李亚新．污水除磷脱氮技术［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社，１９９８：４４－４５．［５］赵玲，张之源．复合ＳＢＲ系统中同步硝化反硝化现象及其脱氮效果［Ｊ］．工业用水与废水，２００２，３３（２）：５－６．［６］ＲｏｂｅｒｔｓｏｎＬＡ，ＶＡＮＮｉｅｌＥＷＪ，ＴｏｒｒｅｍａｎｓＲＡＳＭ，ｅｔａｌ．Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｎｉｔｒｉｆｉｅａｔｉｏｎａｎｄｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｉｎａｅｒｏｂｉｃｃｈｅｍｏｓｔａｔｃｕｌｔｕｒｅｓｏｆｔｈｉｏｓｐｈａｅｒａｐａｎｔｏｔｒｏｐｈａ［Ｊ］．ＡｐｐｌｉｅｄａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＭｉｃｒｏｂｉｏｌｏｇｙ，１９８８，