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书书书 第６１卷 第１１期 化 工 学 报 Ｖｏｌ．６１ Ｎｏ．１１ ２０１０年１１月 ＣＩＥＳＣ Ｊｏｕｒｎａｌ Ｎｏｖｅｍｂｅｒ ２０１０檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭殐殐殐殐研究论文短程硝化颗粒污泥犛犅犚的快速启动与维持吴 蕾，彭永臻，王淑莹，马 勇（北京工业大学环境与能源学院，北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室，北京１００１２４）摘要：为探究短程硝化污泥快速颗粒化的最佳条件，采用ＳＢＲ反应器，在温度２８℃，曝气量０．２ｍ３·ｈ－１，溶解氧（ＤＯ）＞２．０ｍｇ·Ｌ－１，污泥龄（ＳＲＴ）为１５ｄ的运行工况下，缩短沉降时间为２ｍｉｎ，通过以ｐＨ作为氨氧化过程的控制参数，优化曝气时间，防止过曝气，经过８０周期（１９ｄ）成功实现短程硝化絮状污泥的颗粒化，并维持稳定。形成的颗粒污泥粒径在１．５～２．０ｍｍ之间，对ＣＯＤ和氨氮的去除率分别达到８０％和９５％，亚硝酸盐积累率（ＮＯ－２Ｎ／ＮＯ－狓Ｎ）平均达到９５％。分子生物学ＦＩＳＨ技术对颗粒污泥菌群结构的定量分析表明，ＡＯＢ依旧是优势菌群，约占１７．８％左右，ＮＯＢ占０．６％。曝气初期ＦＡ的抑制和实时控制是启动和维持颗粒污泥短程硝化性能的主要原因。关键词：ＳＢＲ；短程硝化；快速培养；颗粒污泥；实时控制中图分类号：Ｘ７０３．１ 文献标识码：Ａ文章编号：０４３８－１１５７（２０１０）１１－２９３１－０７犙狌犻犮犽狊狋犪狉狋犪狀犱犿犪犻狀狋犲狀犪狀犮犲狅犳狀犻狋狉犻犳狔犻狀犵犵狉犪狀狌犾犪狉狊犾狌犱犵犲犻狀犛犅犚狆狉狅犮犲狊狊犠犝犔犲犻，犘犈犖犌犢狅狀犵狕犺犲狀，犠犃犖犌犛犺狌狔犻狀犵，犕犃犢狅狀犵（犓犲狔犔犪犫狅狉犪狋狅狉狔狅犳犅犲犻犼犻狀犵犳狅狉犠犪狋犲狉犙狌犪犾犻狋狔犛犮犻犲狀犮犲犪狀犱犠犪狋犲狉犈狀狏犻狉狅狀犿犲狀狋犪犾犚犲犮狅狏犲狉狔犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵，犆狅犾犾犲犵犲狅犳犈狀狏犻狉狅狀犿犲狀狋犪犾犪狀犱犈狀犲狉犵狔犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵，犅犲犻犼犻狀犵犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔狅犳犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔，犅犲犻犼犻狀犵１００１２４，犆犺犻狀犪）犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｅｘｐｌｏｒｅｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆｎｉｔｒｉｆｙｉｎｇｓｌｕｄｇｅｇｒａｎｕｌａｔｉｏｎ，ｔｅｓｔｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｉｎａｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇｂａｔｃｈｒｅａｃｔｏｒ（ＳＢＲ）ａｔｏｐｅｒａｔｉｏｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ：ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ２８℃，ａｅｒａｔｉｏｎ０．２ｍ３·ｈ－１，ｄｉｓｓｏｌｖｅｄｏｘｙｇｅｎ（ＤＯ）＞２．０ｍｇ·Ｌ－１，ｓｌｕｄｇｅａｇｅ（ＳＲＴ）１５ｄ，ｌｅａｄｉｎｇｔｏｓｅｔｔｌｉｎｇｔｉｍｅｓｈｏｒｔｅｎｔｏ２ｍｉｎ．Ｔｈｅｇｒａｎｕｌａｔｉｏｎｏｆｎｉｔｒｉｆｙｉｎｇｆｌｏｃｃｕｌａｒａｃｔｉｖａｔｅｄｓｌｕｄｇｅｗａｓａｃｈｉｅｖｅｄｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙａｆｔｅｒ８０ｓｔａｂｌｅｃｙｃｌｅｓ（１９ｄ）ｂｙｐａｒａｍｅｔｅｒｃｏｎｔｒｏｌｏｆａｍｍｏｎｉａｏｘｉｄａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ，ｂｙｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆａｅｒｏｂｉｃｔｉｍｅａｎｄａｇａｉｎｓｔｏｖｅｒａｅｒａｔｉｏｎ，ａｎｄａｖｅｒａｇｅｄｉａｍｅｔｅｒｏｆｓｌｕｄｇｅｇｒａｎｕｌａｒｏｂｔａｉｎｅｄｗａｓｂｅｔｗｅｅｎ１．５—２．０ｍｍ．ＴｈｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆＣＯＤａｎｄａｍｍｏｎｉａｒｅｍｏｖａｌｗａｓ８０％ａｎｄ９５％，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅｎｉｔｒｉｔｅａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎｒａｔｅ（ＮＯ－２Ｎ／ＮＯ－狓Ｎ）ｗａｓｏｖｅｒ９５％．Ｔｈｅｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅｒｅｓｕｌｔｓｆｒｏｍｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ犻狀狊犻狋狌ｈｙｂｒｉｄｉｚａｔｉｏｎ（ＦＩＳＨ）ａｎａｌｙｓｉｓｆｏｒｍｏｌｅｃｕｌａｒｂｉｏｌｏｇｙｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｄｏｍｉｎａｎｔｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍｗａｓｓｔｉｌｌＡＯＢ，ａｂｏｕｔ１７．８％ｏｆｔｏｔａｌｂａｃｔｅｒｉａ，ｗｈｉｌｅＮＯＢｏｎｌｙ０．６％．ＴｈｅｍａｉｎｆａｃｔｏｒｓｆｏｒｓｔａｂｌｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｗｅｒｅＦＡｉｎｈｉｂｉｔｉｏｎａｎｄｒｅａｌｔｉｍｅｃｏｎｔｒｏｌ． ２０１０－０１－０４收到初稿，２０１０－０３－０５收到修改稿。联系人：彭永臻。第一作者：吴蕾（１９８２—），女，博士研究生。基金项目：国家自然科学基金项目（５０８０８００４）；北京市高校人才强教深化计划高层次人才项目（ＰＨＲ２００９０５０２）；北京市教委科技创新平台项目（ＰＸＭ２００８＿０１４２０４＿０５０８４３）。 犚犲犮犲犻狏犲犱犱犪狋犲：２０１０－０１－０４．犆狅狉狉犲狊狆狅狀犱犻狀犵犪狌狋犺狅狉：Ｐｒｏｆ．ＰＥＮＧＹｏｎｇｚｈｅｎ，ｐｙｚ＠ｂｊｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ犉狅狌狀犱犪狋犻狅狀犻狋犲犿：ｓｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａ（５０８０８００４），ＦｕｎｄｉｎｇＰｒｏｊｅｃｔｆｏｒＡｃａｄｅｍｉｃＨｕｍａｎＲｅｓｏｕｒｃｅｓＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎｓｏｆＨｉｇｈｅｒＬｅａｒｎｉｎｇｕｎｄｅｒｔｈｅＪｕｒｉｓｄｉｃｔｉｏｎｏｆＢｅｉｊｉｎｇＭｕｎｉｃｉｐａｌｉｔｙ（ＰＨＲ２００９０５０２）ａｎｄｔｈｅＰｒｏｊｅｃｔｏｆＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＲｅｓｅａｒｃｈＢａｓｅａｎｄＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＩｎｎｏｖａｔｉｏｎＰｌａｔｆｏｒｍｏｆＢｅｉｊｉｎｇＭｕｎｉｃｉｐａｌＥｄｕｃａｔｉｏｎＣｏｍｍｉｓｓｉｏｎ（ＰＸＭ２００８＿０１４２０４＿０５０８４３）． 犓犲狔狑狅狉犱狊：ＳＢＲ；ｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ；ｒａｐｉｄｃｕｌｔｉｖａｔｉｏｎ；ｇｒａｎｕｌａｒｓｌｕｄｇｅ；ｒｅａｌｔｉｍｅｃｏｎｔｒｏｌ引 言近年来，好氧颗粒污泥作为一种新型的微生物固定技术，凭借其优良的沉降性能和较高的生物量，已经成为生物污水处理领域研究的新热点［１］。利用好氧颗粒污泥进行生物脱氮所面临的首要问题就是污泥培养与稳定运行。好氧颗粒污泥的颗粒化过程，是一个微生态系统的形成过程，培养条件的变化直接影响到组成好氧颗粒污泥微生物种群的结构和分布，如水质和接种污泥［２６］、温度［７９］、曝气强度［４，１０］、沉降时间［１１］等。而硝化微生物生长缓慢、细胞产率低，因此硝化细菌占据优势的硝化颗粒污泥的培养比普通好氧颗粒污泥更具难度，影响因素也相对复杂。连续流反应器中硝化颗粒污泥的培养可分为以下两类：①模仿厌氧颗粒污泥的形成模式培养硝化颗粒；②以硝化生物膜反应器培养硝化颗粒。但都存在着反应体系复杂、运行要求高、颗粒污泥形成所需要的环节多、周期长以及所占微生物总量比重小等缺点［１２］。近几年来，人们对好氧颗粒污泥的研究集中在了ＳＢＲ反应器上，认为ＳＢＲ反应器对于好氧颗粒污泥的形成具有独到的优势，主要表现为：①ＳＢＲ反应器较大的高径比可以增加不同沉降速度对颗粒的选择压力，并产生有利于颗粒污泥形成的升流式流态，加快颗粒污泥的培养；②ＳＢＲ反应器间歇供氧、间歇运行的工作方式，通过沉降时间的缩短产生选择要素，有利于颗粒污泥的形成。短程硝化是将硝化过程控制在ＮＯ－２Ｎ阶段，获得稳定的ＮＯ－２Ｎ积累，可实现碳源和能源的节省。本文利用ＳＢＲ反应器，以短程絮状污泥为接种污泥，通过探讨温度、ＤＯ、ＳＲＴ和ｐＨ值以及其他环境条件的合适控制范围，实现了短程硝化颗粒污泥的快速培养，系统性能维持稳定。１ 材料与方法１１ 犛犅犚反应器及运行试验采用ＳＢＲ反应器，高５０ｃｍ，直径２０ｃｍ，总体积１２Ｌ，有效容积为１０Ｌ，由有机玻璃制成，上部为圆柱形，底部泥斗为圆锥形（高９ｃｍ），在反应器壁上的垂直方向设置一排间距１０ｃｍ的取样口，底部设有排泥管。采用机械搅拌为颗粒污泥提供剪切力，以黏砂块作为微孔曝气器，采用鼓风曝气，转子流量计控制恒定曝气量为０．２ｍ３·ｈ－１。由温度控制仪控制反应器内温度，保持在（２８±０．５）℃。Ｍｕｌｔｉ３４０ｉ型便携式多功能ｐＨ值、ＤＯ测定仪在线测定反应过程中的ｐＨ值和ＤＯ。ＳＢＲ反应器的运行通过时间程序控制器实现对反应过程的自动控制，每天运行３～４个周期，每个周期包含８ｍｉｎ进水，３～４ｈ好氧曝气，２ｍｉｎ沉淀，２ｍｉｎ排水和２ｍｉｎ闲置时间。每个周期排水６Ｌ，进水６Ｌ，排水比为６／１０，水力停留时间大约为１０～１３ｈ，硝化颗粒污泥稳定后，在停曝气之前定时排出一定量的污泥，ＳＲＴ控制为１５ｄ。１２ 试验水质与接种污泥本试验采用人工模拟废水启动反应器，以乙醇为有机碳源，保持４００ｍｇ·Ｌ－１不变，ＮＨ＋４Ｎ浓度为２００ｍｇ·Ｌ－１，其他具体成分见表１。为快速实现短程硝化颗粒污泥，本试验直接选取具有短程硝化能力的絮状污泥为接种污泥，该污泥沉降性能良好，接种ＭＬＳＳ为２２００ｍｇ·Ｌ－１，ＳＶＩ为６４ｍｌ·ｇ－１。表１ 人工模拟废水成分组成犜犪犫犾犲１ 犆狅犿狆狅狊犻狋犻狅狀狊狅犳犪狉狋犻犳犻犮犻犪犾狑犪狊狋犲狑犪狋犲狉ＣｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎＣｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎＴｒａｃｅｎｕｔｒｉｅｎｔｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ／ｍｇ·Ｌ－１ｅｔｈａｎｏｌ０．４ｍｌ·Ｌ－１ＦｅＣｌ３·６Ｈ２Ｏ１５００ＮＨ４Ｃｌ０．７６ｇ·Ｌ－１Ｈ３ＢＯ３１５０ＫＨ２ＰＯ４０．０４ｇ·Ｌ－１ＣｕＳＯ４·５Ｈ２Ｏ３０ＭｇＳＯ４·７Ｈ２Ｏ０．０２ｇ·Ｌ－１ＫＩ１８０ＣａＣｌ２·２Ｈ２Ｏ０．０１ｇ·Ｌ－１ＭｎＣｌ２·４Ｈ２Ｏ１２０ｔｒａｃｅｎｕｔｒｉｅｎｔ０．５７５ｍｌ·Ｌ－１Ｎａ２ＭｏＯ４·２Ｈ２Ｏ６０ＺｎＳＯ４·７Ｈ２Ｏ１２０ＣｏＣｌ２·６Ｈ２Ｏ１５０ＥＤＴＡ１００００１３ 分析方法ＣＯＤ、ＮＨ＋４Ｎ、ＮＯ－３Ｎ、ＮＯ－２Ｎ、ＭＬＳＳ等指标均采用国家规定的标准方法测定［１３］。颗粒采用奥林巴斯ＢＸ５１及Ｃ２４０４０ＺＯＯＭ数码相机进行微生物相观察。取出部分颗粒污泥，清洗后，经２．５％戊二醛固定１．５ｈ后，用磷酸缓冲液清洗３遍，随后经５０％、７０％、８０％、９０％和１００％乙醇脱水，最后用乙酸异戊酯置换，干燥后，在样品表·２３９２·化 工 学 报 第６１卷 面镀上一层１５００ｎｍ厚度的金属膜，采用扫描电镜进行观察。本试验采用的扫描电镜的型号是ＨＩＴＡＣＨＩＳ４３００型（Ｊａｐａｎ）。颗粒污泥粒径分布采用湿筛分法，以质量百分比表示。从反应器中取出部分污泥颗粒，清洗后，分别通过孔径为２．５、２．０、１．５、１．０ｍｍ的分样筛，测量留在筛网上的颗粒质量，然后将各部分相加得到污泥总重，最终确定每一部分所占比例。按照Ａｍａｎｎ的操作方法进行荧光原位杂交技术（ＦＩＳＨ）分析［１４］。首先对污泥样品进行固定。取固定后的污泥样品经超声分解，将样品滴加在明胶包被过的载玻片上，空气中干燥后先后浸泡于５０％、８０％和９８％的乙醇溶液中脱水３ｍｉｎ。随后将荧光标记的寡核苷酸探针溶解于杂交缓冲液中，在４６℃下与污泥样品杂交２ｈ。杂交结束后，采用洗脱缓冲液在４８℃下洗脱２０ｍｉｎ。干燥后的样品上滴加抗荧光衰减液，每个污泥样品随机拍摄２０～２５张照片用ＩＰＰ６．０Ｓｏｆｔｗａｒｅ进行统计分析。ＦＩＳＨ分析中采用的寡核苷酸探针见表２，其中ＥＵＢｍｉｘ由ＥＵＢ３３８、ＥＵＢ３３８Ⅱ、ＥＵＢ３３８Ⅲ按浓度比１∶１∶１混合组成，其需要的甲酰胺浓度采用目标探针杂交所需的甲酰胺浓度。表２ 犉犐犛犎分析中采用的寡核苷酸探针犜犪犫犾犲２ １６犛狉犚犖犃狋犪狉犵犲狋犲犱狅犾犻犵狅狀狌犮犾犲狅狋犻犱犲狆狉狅犫犲狊ＰｒｏｂｅＳｐｅｃｉｆｉｃｉｔｙＰｒｏｂｅｓｅｑｕｅｎｃｅ（５′３′）ＦＡ／％ＥＵＢｍｉｘａｌｍｏｓｔａｌｌ犈狌犫犪犮狋犲狉犻犪ＦＩＴＣＮＳＯ１９０ ａｍｍｏｎｉａｏｘｉｄｉｚｉｎｇβ犘狉狅狋犲狅犫犪犮狋犲狉犻犪Ｃｙ３ ５５ ＮＩＴ３犖犻狋狉狅犫犪犮狋犲狉Ｃｙ３４０Ｎｓｔｐａ６６２犖犻狋狉狅狊狆犻狉犪Ｃｙ３３５２ 结果与讨论２１ 短程硝化颗粒污泥的培养过程在ＳＢＲ反应器中接种沉降性能良好的短程絮状污泥，其ＭＬＳＳ为２１７２ｍｇ·Ｌ－