好氧顆粒污泥系統(tǒng)實驗

1、水體富營養(yǎng)化近年來在世界各地頻繁發(fā)生，導致大量水域出現(xiàn)水質惡化現(xiàn)象，嚴重影響了 居民健康及生態(tài)環(huán)境，受到水環(huán)境領域研究人員的重視.水中氮和磷等營養(yǎng)元素含量較高是 造成水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象的關鍵原因，因此去除污水中的氮素和磷源已經成為污水處理領域 的重要任務.目前污水處理廠大多采用活性污泥法對污水進行處理因其具有處理效果好和 能耗較低等優(yōu)點得到廣泛應用，但在運行過程中發(fā)現(xiàn)普通活性污泥存在沉降性能較差和易 發(fā)生污泥膨脹等問題.好氧顆粒污泥(aerobic granular sludge, AGS)是一種顆粒狀活性污 泥，內部存在層狀空間結構，單個顆粒能提供微生物所需的好氧/缺氧/厭氧環(huán)境，可以同 時進

2、行硝化、反硝化和除磷過程，具有沉降性能好4和抗沖擊負荷能力強等優(yōu)點，可以極 大地降低運行成本，在廢水處理領域受到了極大的關注.荷蘭、意大利和克羅地亞等國已將 AGS工藝成功用于實際工程，并且運行效果良好.研究人員通常采用一次進水-曝氣策略，通過在周期內形成厭氧/好氧(A/O)的運行環(huán)境 來培養(yǎng)顆粒污泥，這樣做的原因是聚磷菌(phosphate accumulating organisms, PAOs)的 生長需要先在厭氧條件下吸收揮發(fā)性脂肪酸，將其轉化為聚羥基鏈烷酸酯(polyhydroxyalkanoates, PHA)并貯存在體內，再在好氧條件下氧化分解PHA,用于充分吸收水 中的磷酸鹽，

3、以達到除磷的目的.但作者在采用一次進水-曝氣策略下馴化絮狀污泥以啟動 AGSX藝時，發(fā)現(xiàn)運行初期絮狀污泥在好氧條件下無法形成反硝化所需的厭氧環(huán)境反應 器內會存在大量NO3-N,對PAOs厭氧釋磷產生影響.然而釋磷過程是保證PAOs良好除磷 性能的前提，且有研究表明，PAOs釋磷時會形成大量帶正電的微粒，能吸附帶負電的細胞 體，可以作為顆粒污泥的晶核；PAOs除磷過程還會產生磷酸鹽沉淀，可作為細胞附著的內 核，成為顆粒生長的“起點”，兩者均能夠促進顆粒污泥的形成，對生活污水中快速顆粒 化的實現(xiàn)具有重要作用.因此，筆者提出多次進水-曝氣策略，在周期內進行多組進水、非 曝氣和曝氣的組合，通過實現(xiàn)多次

4、硝化反硝化，以降低系統(tǒng)中NO3-N濃度，減輕NO3-N 對PAOs的抑制，提高除磷效果，以便在顆?；跗诶贸走^程中產生的正電微粒和磷酸 鹽沉淀，促進顆粒污泥的形成，縮短污泥顆粒化過程所需的時間.基于此，本研究選用兩組SBR反應器(R1和R2)培養(yǎng)AGS, R1以一次進水-曝氣策略運 行，R2以多次進水-曝氣策略運行，通過研究污泥形態(tài)、粒徑變化、EPS和去除性能等參 數(shù)，對比探究一次/多次進水-曝氣策略對生活污水AGSX藝啟動和運行的影響，以期為實 際工程提供理論基礎.1材料與方法1.1實驗裝置與運行方式本實驗采用兩組有機玻璃制成的SBR反應器(R1和R2),有效容積12 L,換水比為 50

5、%,通過轉子流量計控制曝氣量為1.0 Lmin-1,用PLC控制進水、攪拌、曝氣和出水. 反應器每天運行4個周期，每周期6 h,其中通過蠕動泵在相同轉速下，以底部進水的方 式進水12 min,以保證兩個反應器周期內進水量相同，厭氧反應90 min,好氧反應240 min,沉淀時間從15 min逐漸縮短為3 min,出水和閑置共計15 min.周期內運行參數(shù)如表 1所示.項目講水底氧好氧進水缺氧好氧注水缺氧好氧出水、闋置129024015R243080430304308015-表1反應器運行參數(shù)/min1.2接種污泥與實驗用水接種污泥為北京市某污水處理廠二沉池回流污泥，R1和R2初始MLSS分別

6、為3 539 mg - L-1和3 624 mg - L-1.實驗用水取自某小區(qū)化糞池的生活污水，具體水質指標如表2 所示.TN項目/mgL1NH4+-N NO2-N NO3-N /mg-L-1 /itiqL1 /itiqL1CODTPpH范圍40-7035-60 0.5=2130-30077.2-8.1表2生活污水水質1.3分析項目及方法NH4+-N采用納氏試劑光度法測定；NO2-N采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法測定；NO3- -N采用紫外分光光度法測定；MLSS采用標準重量法測定；TN采用過硫酸鉀消解-紫外分光 光度法測定；COD和總磷的測定采用5B-3B COD多參數(shù)快速測定儀；污泥

7、中EPS的提取采 用熱提取法，PN測定采用考馬斯亮藍法，PS測定采用苯酚硫酸法；顆粒粒徑測定采用 Mastersize 2000型激光粒度分析儀，顆粒形態(tài)觀察使用體式顯微鏡.1.4燒杯實驗本實驗過程中定期考察污泥中反硝化聚磷菌(denitrifying poly-phosphorus accumulating organism, DPAO)的富集情況.測試方法如下：從反應器中取出5 L泥水混合 物于燒杯，污泥清洗后去除上清液，加入水和丙酸鈉后，恢復混合液體積至5 L,使COD 濃度為300 mg - L-1,厭氧攪拌180 min.靜置后倒棄上清液，加入水和磷酸二氫鉀，恢復 體積至5 L,使T

8、P濃度為6 mg - L-1,再平均分兩份，對一份進行曝氣，使其好氧反應， 發(fā)生好氧吸磷；另一份加入硝酸鉀，使硝酸鹽濃度為20 mg - L-1,進行缺氧吸磷.實驗過 程中定時取樣測缺氧和好氧反應階段的TP濃度.2結果與討論2.1 一次/多次進水-曝氣策略對AGS形成及沉降性能的影響圖1所示為實驗期間R1和R2內污泥粒徑變化.R1和R2接種污水處理廠絮狀污泥，平 均粒徑為70 um,如圖2(a)所示.隨著反應器運行，R1和R2分別在第19 d和第11 d出 現(xiàn)細小顆粒.經56和39 d后，R1和R2的平均粒徑達到340 um,認為R1和R2中實現(xiàn)污 泥顆粒化，成功啟動AGS工藝.培養(yǎng)105 d

9、后，R1和R2內顆粒穩(wěn)定，平均粒徑達到740 u m和791 um,顆粒形態(tài)如圖2(b)和2(c)所示，與R1相比，R2中顆粒大小相近，形態(tài)更 加圓潤，結構密實.由于R2采用多次進水-曝氣策略，能在周期內多次為反硝化菌提供碳 源，并在進水后進入厭氧段，為絮狀污泥提供反硝化所需的厭氧環(huán)境，以便反硝化菌脫氮. 與R1采用的一次進水-曝氣策略相比，多次進水-曝氣策略降低了啟動期間的NO3-N濃度, 減輕NO3-N對PAO釋磷的抑制，提高了除磷效果.有研究表明，生物除磷過程中會形成磷 酸鹽沉淀和帶正電的微粒，可作為細胞附著的內核，成為顆粒生長的“起點”.由此分析， 啟動期間R2中NO3-N濃度低于R1

10、,除磷效果更好，易產生磷酸鹽沉淀和帶正電的微粒， 正電微粒能吸附帶負電的細胞體，可作為顆粒污泥的晶核；磷酸鹽沉淀可作為細胞附著的 內核，與絮狀污泥通過EPS黏附結合，形成聚集體，兩者都可以促進顆粒污泥形成，故與 R1相比，R2的污泥顆粒化時間較短.400圖1運行期間R1和R2反應器中顆粒平均粒徑變化0102030 4050 60708090100時間用600800(a)為接種污泥；(b)和(c)為第105 d時R1和R2中的污泥圖2污泥顯微鏡照片胞外聚合物(extracellular polymeric substances, EPS)是微生物在生理活動中分泌的胞外黏性物質，主要由蛋白質(PN

11、)和多糖(PS)組成.有研究發(fā)現(xiàn)EPS通過減少細胞表面的負電荷，將兩個相鄰的細胞進行 物理連接，對AGS的形成和穩(wěn)定性有重要意義，為此本實驗研究了運行期間PN、PS和PN/PS的變化規(guī) 律，結果如圖3所示.圖3運行期間R1和R2的EPS和PN/PS變化在啟動階段(056 d和039 d), R1和R2中的PN、PS和PN/PS呈上升趨勢，PN從接種初期的 3.01 mg-g-1 增加至 7.67 mg-g-1 和 9.10 mg-g-1, PS 由 7.1 mg-g-1 增至 7.39 mg-g-1 和 8.01 mg-g-1， PN/PS由0.43增至1.04和1.14.顆粒形成后(5710

12、5 d和40105 d)，PN和PS含量與PN/PS值基本穩(wěn) 定，表明R1和R2系統(tǒng)運行穩(wěn)定.實驗表明在顆?；A段，相較于PS含量變化，PN含量大量增加，表明 PN在顆?；^程中可能起主要作用，這與Su等的研究結果一致，分析原因為PN具有大量帶負電荷的氨 基酸，PN含量的增加不僅可以降低細菌細胞的表面負電荷，減少細胞之間的靜電排斥，促進細胞與細胞的 相互作用，并通過吸附有機和無機材料形成了交聯(lián)網絡，從而促成顆粒的形成.結果表明(圖3)，在相同運 行時間下，與R1相比，R2中微生物分泌的PN和PS更多，PN/PS處于較高水平，多次進水-曝氣策略更 利于污泥聚集，從而提高了顆粒的沉降性能，促進顆粒

13、污泥的形成.由于啟動AGS工藝采用了逐漸縮短沉降時間的方式，會淘洗出部分沉降性能差的污泥，因此本實驗 還研究了實驗期間MLSS和SVI的變化趨勢，結果如圖4所示，接種污泥的SVI值為60.13 mL-g-1, R1 和R2中接種的污泥濃度為3 539 mg-L-1和3 624 mg-L-1.由于啟動階段R1和R2的沉降時間是逐漸縮 短的，排出沉降速度慢的污泥，保留了沉降性能好的污泥.SVI數(shù)值能夠反映污泥的沉降性能，SVI值較低代 表污泥的沉降性能較好，因此在啟動階段R1和R2的MLSS和SVI均呈現(xiàn)下降的趨勢.R1和R2中在第 19 d和第11 d出現(xiàn)細小顆粒，這些顆粒會將系統(tǒng)中絮狀污泥黏附

14、在自身表面，將絮狀污泥持留下來，對 AGS的形成具有重要作用.由于相同運行時間下R2中顆粒粒徑大于R1,顆粒更致密，所以R2污泥沉降 性能優(yōu)于R1,故在第19 d縮短沉降時間時，R1比R2中流失了更多的污泥.此后，MLSS不再下降，系統(tǒng) 內顆粒結構逐漸完整，粒徑不斷變大，沉降性能得到改善，SVI值逐漸降低，MLSS開始有所上升.由于R2 采用多次進水-曝氣策略運行，刺激系統(tǒng)內微生物產生了較多的PN,改善了顆粒的沉降性能，因此在相同 運行時間下，R2的SVI值是低于R1的，表明相較于一次進水-曝氣策略，多次進水-曝氣策略運行下形成 的顆粒沉降性能更強.-TEVE 事云 -U.M-ILW圖4 R1

15、和R2運行期間MLSS和SVI的變化2.2 一次/多次進水-曝氣策略對系統(tǒng)污染物處理性能的影響2.2.1 R1和R2的COD和TP去除性能圖5和圖6分別表示了運行期間R1和R2的進、出水COD、TP濃度及去除率的變化情況.接種初 期，R1和R2對COD和TP去除率較低，出水濃度較高，經一段時間的適應和馴化，功能菌對有機物的利 用能力得到恢復，對環(huán)境逐漸適應，出水COD和TP濃度逐漸降低.由于R1和R2分別在第19 d和第11 d出現(xiàn)細小顆粒，為快速獲得成熟的AGS,于是第19 d時縮短沉降時間至3 min.R1和R2中含有較多的 絮狀污泥，所以縮短沉降時間后，排出較多沉降性能不佳的絮狀污泥，其

16、中可能含有大量富磷污泥，但是 R1和R2排出的富磷污泥中含有較多PAOs,所以R1和R2的TP去除率出現(xiàn)了先增加后下降的趨勢，且 觀察到R1和R2分別經歷了 33 d和17 d出水TP濃度降至0.5 mg-L-1以下，表明R1中除磷性能恢復的 時間比R2長，一是因為R1比R2排出含有PAO的絮狀污泥多，R1中PAOs富集所需的時間比R2長， 二是因為這一階段R1和R2中污泥粒徑較小，曝氣時氧氣的傳遞性較好，單個顆粒內部厭氧區(qū)可能很小， 同步硝化反硝化(simultaneous nitrification-denitrification，SND)能力還不完善，因此R1中好氧硝化形成的 NO3-N

17、無法在好氧條件下被反硝化去除掉，而R2中采用多次進水-曝氣的運行策略，在周期內可以提供 多次厭氧和好氧環(huán)境，實現(xiàn)多次實現(xiàn)硝化反硝化，降低了 NO3-N濃度，因此推測R1中NO3-N濃度對 PAO的抑制程度是大于R2的，這一階段實驗結果表明，與一次進水-曝氣的運行策略相比，多次進水-曝氣 策略運行下PAO受到NO3-N的沖擊更小，除磷性能更好，可在顆粒化初期實現(xiàn)較低的出水TP濃度.具 體聯(lián)系污水寶或參見更多相關技術文檔。圖5運行過程中COD濃度變化運行天數(shù)/d圖6運行過程中TP濃度變化R1和R2中AGS啟動后，與運行初期相比，顆粒粒徑增大，顆粒內部的層狀空間結構逐漸完整，能夠 實現(xiàn)SND,因此R

18、1內后續(xù)的好氧環(huán)境下硝化形成的NO3-N可通過SND被去除，NO3-N濃度有所降低, 一定程度上減輕了 NO3-N對PAOs的抑制程度.除此之外,AGS的層狀空間結構也對PAOs也起到了一 定的緩沖保護作用，因此顆?；驲1和R2的出水COD和TP濃度能夠穩(wěn)定保持在50 mgL-1和0.5 mgL-1以下，處理效果穩(wěn)定，滿足城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準(GB 18918-2002)的一級A標準.2.2.2 R1和R2的脫氮性能運行期間，R1和R2的TN去除率整體呈現(xiàn)上升趨勢，且R2的TN去除率大于R1.對比圖7可知，出 水TN中含有大量NO3-N成分，反硝化脫去NO3-N的程度對獲得較低的出水

19、TN濃度具有重要意義.啟動階段(056 d和039 d), R1和R2接種污水處理廠回流污泥，反應器初期以絮狀污泥為主.R1以一次進 水-曝氣的策略運行時，運行初期絮狀污泥在好氧條件下不能提供反硝化所需的厭氧環(huán)境，因此R1出水中 含有大量NO3-N, TN去除率較低；R2以多次進水-曝氣策略運行時，周期內會進行3組厭氧環(huán)境和好氧環(huán) 境的交替運行，通過多次硝化和反硝化作用，有效降低了反應器內NO3-N含量，所以接種初期R1的出水 NO3-N濃度比R2高.第19 d縮短沉降時間，R1比R2中流失了更多的污泥，這些污泥中含有大量硝化細 菌和反硝化細菌，因此R1和R2的脫氮性能均出現(xiàn)一定程度的下降.大

20、部分硝化細菌屬于自養(yǎng)菌，世代時 間較長，故R1中脫氮性能恢復時間比R2長.tutJi)W W圖7運行期間氮去除效果變化AGS工藝啟動后(57105 d和40105 d)，顆粒粒徑增大，好氧條件下由于氧氣傳遞受限，單個顆粒 污泥內部具有厭氧區(qū)和缺氧區(qū)，具備SND能力.由于DO在AGS內具有一定的傳質深度，因此與粒徑較小 的AGS相比，粒徑較大的AGS內部缺氧反應區(qū)大，反硝化效率更高，利于實現(xiàn)SND.由于R2中顆粒污泥 的粒徑大于R1,故R2脫氮效率高于R1,所以AGS工藝啟動后R1的出水NO3-N濃度比R2中的高， R2出水TN濃度滿足規(guī)范要求的時間也比R1提前.AGS工藝穩(wěn)定運行后，R1和R2

21、中出水TN濃度平均 為11.2 mg-L-1和8.9 mg-L-1,均低于我國城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準(GB18918-2002)的一級A 標準(15 mg-L-1).2.3 一次/多次進水-曝氣策略對DPAO富集程度的影響DPAO以NO3-N為電子受體過量吸磷，在除磷的同時，達到反硝化脫氮的目的，可以緩解異養(yǎng)菌對 碳源的競爭，實現(xiàn)“一碳兩用”，節(jié)省了能源36, 37.由于DPAO在厭氧和缺氧條件下進行生理活動，筆者推 測DPAO是否會在顆粒內部缺氧區(qū)富集.文獻38認為缺氧吸磷速率與好氧吸磷速率之比代表了 DPAO占 全部PAOs的比值，能反映系統(tǒng)中DPAO增殖情況，因此筆者在運行期間每隔

22、20 d,通過燒杯實驗的方 法，測得缺氧和好氧條件下磷酸鹽濃度變化，并計算了缺氧吸磷速率與好氧吸磷速率之比.如圖8所示，種泥中DPAO占全部PAOs的質量分數(shù)為11.17%,經過100 d的運行，R1和R2中 DPAO增殖至22.47%和34.08%,可知兩種方式運行下均能富集DPAO,且R2中DPAO富集的情況比 R1好，分析原因為R1采用一次進水-曝氣的策略運行時，周期內前期厭氧段內系統(tǒng)中底物充足，后期好氧 段內基質濃度較低，硝化細菌將NH4+-N氧化后，微生物耗氧量下降，因此在較長的好氧段中DO會大量 上升，氧氣通過AGS表面孔隙進入顆粒內部，減小了顆粒內部缺氧區(qū)和厭氧區(qū)體積，影響了 D

23、PAO的生 存空間；而R2采用多次進水-曝氣的運行策略，周期中不會存在較長時間的連續(xù)曝氣，并且周期內多次提 供基質，與R1相比，R2的運行策略能夠提高微生物活性，增加對氧氣的消耗量，對反應器中DO起到一 定的控制作用，確保了好氧條件下顆粒內部缺氧區(qū)和厭氧區(qū)的分布，這與Bassin等的研究結果一致，其發(fā) 現(xiàn)較低DO濃度可以保證好氧環(huán)境中AGS內部的缺氧區(qū)和厭氧區(qū)體積，促進了 DPAO增殖.與R1相比，R2運行時反應器中DO相對較低，顆粒內部為DPAO提供適宜的厭氧和缺氧生存環(huán)境，有利于DPAO富 集.運行天數(shù)吊圖8運行期間DPAO富集程度變化2.4穩(wěn)定運行時典型周期內污染物濃度變化圖9所示為R1

24、和R2在第91 d任意一個周期內NH4+-N、NO2-N、NO3-N、TP和COD的濃度 變化.R1采用底部厭氧進水的方式向反應器中提供基質，隨后開始厭氧反應階段，由于R1內含有充足的碳 源，可進行徹底的反硝化作用，因此厭氧階段進行55 min后R1中NO3-N濃度為0,此后R1內PAOs 釋磷過程不再受到NO3-N抑制，PAOs能將胞內多聚磷酸鹽(poly-P)分解，以磷酸鹽的形式釋放在水中， 并將碳源轉化以PHA形式儲存在體內，以便好氧條件下進行吸磷，因此觀察到厭氧段TP濃度上升，好氧 段TP濃度下降.生活污水有機物成分復雜，微生物能快速消耗利用的碳源較少，所以R1中COD濃度由 130.2 mg-L-1降至43.9 mg-L-1,待反應進入好氧段時，微生物可以利用的碳源巳所剩無幾，NO3-N在 DPAO作用下得到部分去除后，反硝化菌受到碳源限制而不再進行反硝化過程，系統(tǒng)中NO3-N濃度不斷 上升，至周期末期時NO3-N濃度為11.4