鉛離子對(duì)好氧顆粒污泥性狀及污水處理性能影響

孫 威，楊春維，湯 茜，遲 赫，孫玉偉

(吉林師范大學(xué)環(huán)境工程學(xué)院, 吉林 四平 136000)

好氧顆粒污泥是一種新型的好氧微生物固定化技術(shù)，因?yàn)槠渚哂谐两敌阅芎茫Y(jié)構(gòu)密實(shí)，微生物量大，抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)引起了眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注[1-4]。一般認(rèn)為好氧顆粒污泥粒徑在 0.5~5 mm之間，其形成與底物種類、有機(jī)負(fù)荷、水力剪切、鈣離子濃度、反應(yīng)池類型等參數(shù)有著密切的關(guān)系[5,6]。本研究采用豎式SBR反應(yīng)器培養(yǎng)出了好氧顆粒污泥，并考察了鉛離子對(duì)其性狀和性能的影響，以期為其進(jìn)一步研究應(yīng)用提供有益的幫助。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置與流程

實(shí)驗(yàn)采用自制圓柱形有機(jī)玻璃反應(yīng)器，如圖1所示。反應(yīng)器高120 cm，內(nèi)徑12 cm，有效容積10 L。原水經(jīng)恒流泵進(jìn)入，通過(guò)調(diào)節(jié)流速控制進(jìn)水時(shí)間。反應(yīng)器中部設(shè)有排水口進(jìn)行排水，排水體積為5 L。氣泵經(jīng)氣體流量計(jì)由反應(yīng)器底部曝氣，反應(yīng)每個(gè)周期分為進(jìn)水、曝氣反應(yīng)、沉降、排水、閑置 5個(gè)步驟，反應(yīng)中水溫為(18±2)℃，每個(gè)周期 5 h，期中進(jìn)水1 h，進(jìn)水同時(shí)曝氣，曝氣反應(yīng)3 h，沉降和排水0.5 h，閑置0.5 h。

圖1 SBR裝置示意圖Fig. 1 Schematic representation of SBR reactor

1.2 實(shí)驗(yàn)試劑

蛋白胨，北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司；可溶性淀粉，分析純，沈陽(yáng)化學(xué)試劑廠；蔗糖，分析純，沈陽(yáng)化學(xué)試劑廠；K2HPO4，分析純，沈陽(yáng)市東華試劑廠； Pb(NO3)2，分析純，上海飛祥化工廠；K2Cr2O7，分析純，北京化工廠生產(chǎn)；Ag2SO4，分析純，北京化工廠生產(chǎn)；H2SO4，分析純，葫蘆島市化學(xué)試劑廠生產(chǎn)； NaOH、HCl，分析純，北京化工廠生產(chǎn)。

1.3 接種污泥與底物

接種污泥采自某城市污水處理廠二沉池。實(shí)驗(yàn)用水為人工配制，主要成分為：可溶性淀粉0.150 0 g/L，蔗糖0.150 0 g/L，蛋白胨0.150 0 g/L，磷酸氫二鉀0.050 0 g/L，其COD大約為400~500 mg/L。

1.4 分析測(cè)試方法

實(shí)驗(yàn)中測(cè)定了COD（Chemical Oxygen Demand，化學(xué)需氧量）、SV（Settling Velocity，污泥沉降比，又稱30 min沉降率）、MLSS（mixed liquid suspended solids，混合液懸浮固體濃度)等指標(biāo)。

pH值使用便攜式pH計(jì)（pH330i，德國(guó)WTW）測(cè)定。

COD采用COD571-1型COD分析儀（上海雷磁）測(cè)定。計(jì)算COD去除率如下式：

式中,COD0為反應(yīng)前水樣COD值，CODt為反應(yīng)t時(shí)刻水樣COD值。本研究中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均取3個(gè)平行樣，本文中實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)均為進(jìn)行誤差分析后的最佳估計(jì)值。

污泥性狀采用相襯顯微鏡（BM-8，上海光學(xué)儀器廠）放大120倍觀察。

顆粒污泥粒徑采用讀數(shù)顯微鏡（JXD-B，上海精密儀器設(shè)備有限公司）測(cè)定。

2 顆粒污泥的培養(yǎng)

將接種污泥置入反應(yīng)器中，采用實(shí)驗(yàn)用水恢復(fù)性培養(yǎng)3天，持續(xù)曝氣，維持溶解氧（＞2 mg/L）和適宜的pH值（7±1）。每12 h停曝氣1 h，用于沉降污泥和置換實(shí)驗(yàn)用水。持續(xù)曝氣3天后污泥沉降性能良好，MLSS達(dá)到2 800 mg/L。SV達(dá)22%，鏡檢發(fā)現(xiàn)菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)密實(shí)，后生動(dòng)物以滴形蟲和游泳型纖毛蟲為主，如圖2(a)所示。

經(jīng)過(guò)恢復(fù)性培養(yǎng)的污泥已經(jīng)具有初步的處理污水能力。進(jìn)而采用SBR周期進(jìn)水方式進(jìn)一步培養(yǎng)。維持曝氣流量為0.3 m3/h，在該氣量條件下，污泥混合攪拌充分，活性污泥顆粒逐漸增大。直到第 20天，MLSS可達(dá)3 230 mg/L，SV為30%左右，鏡檢有大量鐘蟲和寡毛蟲出現(xiàn)，并有大量肉眼可見(jiàn)的顆粒污泥形成，這標(biāo)志著顆粒污泥的培養(yǎng)基本完成。污泥鏡檢如圖2（b,c,d）所示。通過(guò)讀數(shù)顯微鏡測(cè)定，顆粒污泥直徑在0.5~3 mm之間。

圖2 顆粒活性污泥培養(yǎng)過(guò)程鏡檢圖Fig.2 Microscopy figure of the aerobic granular sludge during the cultivation

顆粒污泥的形成機(jī)理復(fù)雜，目前有胞外多聚物假說(shuō)[7,8]、生物自絮凝假說(shuō)[9]和選擇壓驅(qū)動(dòng)假說(shuō)[10]。而本研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為好氧顆粒污泥的形成過(guò)程是上述假說(shuō)的綜合過(guò)程，即微生物由于其胞外多聚物具有黏性和巨大的比表面積，因此可形成較為密實(shí)的菌膠團(tuán)，在靜電斥力和水力作用下產(chǎn)生自絮凝現(xiàn)象，在一定的攪拌流速和選擇性壓力下，在細(xì)胞內(nèi)部、細(xì)胞之間以及多種屬的細(xì)菌之間、蛋白質(zhì)之間產(chǎn)生吸附作用，從而使微生物聚集形成緊密的三維立體結(jié)構(gòu)，形成顆粒污泥。

由上述分析可知，好氧顆粒污泥的形成需要以下幾個(gè)必要條件：1）活性污泥性狀良好；2）底物和培養(yǎng)條件適宜；3）要求有一定得水力或氣速條件，即可以使菌膠團(tuán)之間多次碰撞，產(chǎn)生膠聯(lián)、自絮凝現(xiàn)象；4）沉淀時(shí)間不能太長(zhǎng)，創(chuàng)造選擇性壓力排掉沉淀性能較差的微生物，實(shí)現(xiàn)優(yōu)良顆粒污泥種群的篩選。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同氣量對(duì)COD降解過(guò)程的影響

曝氣在好氧顆粒污泥系統(tǒng)中，不僅僅起到曝氣和傳質(zhì)的作用，同時(shí)對(duì)于好氧顆粒污泥的形成和穩(wěn)定也起到至關(guān)重要的作用，因此本研究也對(duì)不同氣量條件下 COD的降解情況、污泥的性狀進(jìn)行了研究。不同的曝氣量影響COD的降解率。氣量過(guò)小，會(huì)造成活性污泥的厭氧呼吸，降低微生物對(duì)有機(jī)物質(zhì)的降解和吸收，從而影響COD的降解；氣量過(guò)大，微生物迅速繁殖，可能造成污泥絲膨脹，活性污泥量減少，降低COD的降解。如圖3所示，當(dāng)進(jìn)氣量較大或者較小時(shí)，COD的去除率曲線波動(dòng)較大，COD的降解不穩(wěn)定，故在誤差允許的范圍內(nèi)，當(dāng)氣量為0.3 m3/h時(shí)，COD的降解趨勢(shì)穩(wěn)定。因此從上述結(jié)果可見(jiàn)，當(dāng)曝氣量為0.3 m3/h時(shí)，好氧顆粒活性污泥降解模擬污水的過(guò)程最為理想。

3.2 重金屬離子對(duì)顆粒污泥降解效果的影響

在工業(yè)廢水中，存在的重金屬離子有時(shí)對(duì)微生物具有抑制和毒害作用，主要表現(xiàn)在破壞細(xì)胞的正常結(jié)構(gòu)及使菌體內(nèi)的酶變質(zhì)，并失去活性。盡管活性污泥中的微生物具有被逐步馴化和適應(yīng)的能力，但如果高毒物負(fù)荷持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間，會(huì)使毒性物質(zhì)完全穿透活性污泥，使活性污泥代謝能力必然會(huì)受到較大的影響。實(shí)驗(yàn)選擇 Pb(NO3)2作為模型污染物，對(duì)其影響顆粒污泥降解模擬污水過(guò)程 COD去除率進(jìn)行考察。

圖3 不同曝氣流量對(duì)COD降解過(guò)程的影響Fig.3 Influence of different gas flow rates on COD

由圖4可見(jiàn)，隨著Pb2+濃度的升高，Pb2+對(duì)顆粒污泥的毒性作用增強(qiáng)，與未加入Pb2+的對(duì)照組比較，當(dāng)反應(yīng)器中Pb (NO3)2濃度分別為10, 20, 30 mg/L時(shí)，經(jīng)過(guò)曝氣反應(yīng)180 min后，顆粒污泥降解模擬污水COD去除率分別比對(duì)照組下降了 36.0%，53.1%,63.2%，Pb (NO3)2濃度為30 mg/L，反應(yīng)21 min后出水COD去除率僅為33.8%。這表明Pb2+對(duì)顆粒污泥中微生物的影響較大，使微生物對(duì)有機(jī)物質(zhì)的降解能力大大降低。重金屬離子導(dǎo)致COD去除率下降，主要原因可能基于以下兩點(diǎn)：一是重金屬離子的存在嚴(yán)重影響了污泥系統(tǒng)中原生動(dòng)物的生長(zhǎng)。重金屬離子可能對(duì)原生動(dòng)物的細(xì)胞膜和蛋白質(zhì)造成傷害，會(huì)抑制原生動(dòng)物降解細(xì)菌的部分胞外聚合物，阻礙礦物質(zhì)的循環(huán)，從而抑制細(xì)菌的生長(zhǎng)。二是重金屬離子對(duì)細(xì)菌的影響。當(dāng)重金屬離子濃度較大時(shí)，會(huì)改變細(xì)菌體內(nèi)外滲透壓的平衡，從而抑制其正常生長(zhǎng)代謝，導(dǎo)致系統(tǒng)COD去除率發(fā)生變化。

圖4 硝酸鉛對(duì)COD降解的影響Fig.4 Influence of [Pb2+] to COD degradation rates

實(shí)驗(yàn)還考察了反應(yīng) 180 min后，Pb2+不同濃度時(shí)，顆粒污泥的SVI（Sludge Volume Index，污泥體積指數(shù)）變化情況，如圖5所示。反應(yīng)系統(tǒng)中無(wú)Pb2+存在時(shí)，其SVI基本保持在150左右，而隨著Pb2+的出現(xiàn)，顆粒污泥的SVI下降為100左右，且SVI大小與 Pb2+離子濃度關(guān)系不大。但是隨著 Pb2+離子濃度增加，顆粒污泥性狀發(fā)生了明顯變化，高濃度時(shí)污泥解絮現(xiàn)象嚴(yán)重，SV有下降趨勢(shì)。但是由于Pb2+離子被菌膠團(tuán)吸附的緣故，顆粒污泥的 SVI并沒(méi)有太大變化。鏡檢結(jié)果表明，重金屬離子濃度較大的污泥系統(tǒng)中，游離菌的數(shù)目極少，菌膠團(tuán)的生長(zhǎng)受到了比較明顯的抑制，結(jié)構(gòu)松散。

圖5 Pb2+對(duì)系統(tǒng)SVI的影響Fig. 5 Influence of [Pb2+] on the SVI

圖6 Pb2+對(duì)系統(tǒng)SV的影響Fig. 6 Influence of [Pb2+] on the SV

4 結(jié) 論

（1）以污水處理廠剩余污泥作為接種污泥，通過(guò)控制豎式SBR反應(yīng)器曝氣量、沉淀時(shí)間等實(shí)現(xiàn)活性污泥的顆粒化，粒徑可達(dá)0.5~3.0 mm，顆粒污泥性狀未定，污泥濃度可達(dá)3 230 mg/L，SV可達(dá)30%，SVI為150左右，模擬污水COD去除率可達(dá)95.7%。

（2）曝氣量是豎式SBR反應(yīng)器培養(yǎng)顆粒污泥的重要參數(shù)之一，曝氣量為0.3 m3/h時(shí)，顆粒污泥降解模擬污水效果理想，性狀穩(wěn)定，氣量過(guò)大或者過(guò)小均不利于顆粒污泥的形成和穩(wěn)定。

（3）重金屬離子Pb2+對(duì)馴化的豎式SBR顆粒污泥系統(tǒng)影響較大，Pb (NO3)2濃度分別為10, 20, 30 mg/L時(shí)，經(jīng)過(guò)曝氣反應(yīng)180 min，顆粒污泥降解模擬污水COD去除率分別比未加Pb (NO3)2時(shí)下降了36.0%，53.1, 63.2%。

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