高濃度硫酸鹽條件下的活性污泥馴化試驗研究

孔殿超，張 青，張 強，董獻彬，張 勛

(安徽環境科技集團股份有限公司，安徽 合肥 230088)

1 引言

硫酸鹽含量較高的工業廢水，在好氧條件時，高濃度的硫酸鹽可產生較大滲透壓，進而使得微生物細胞脫水死亡或受到抑制[1,2]，從而影響微生物的代謝活性；厭氧條件時，除滲透壓作用外，廢水中的硫酸鹽可在硫酸鹽還原菌(Sulfate Reducing Bacteria, SRB)作用下產生S2-、HS-或H2S[3,4]，硫離子或硫化氫具有較強生物毒性作用[5,6](尤其是呈分子態的硫化氫)，極易對生化反應體系產生不利影響[7]。因此，對于含硫酸鹽的工業廢水處理，高濃度硫酸鹽極可能是生化系統無法正常運行的關鍵所在[8]。

為去除含有較高濃度硫酸鹽廢水中的有機物及營養元素，常使用生化法進行處理[9]。生化法雖然較為經濟，但實際運行時發現高硫酸鹽生化系統常出現污泥馴化問題，即生化系統的污泥濃度僅在投泥后短暫增大，之后便不斷降低，造成生化段無法正常運行。依據前述分析，較高含量的硫酸鹽不利于生化系統的運行，應是造成上述問題的主要原因；但也有研究表明，高硫酸鹽廢水雖為高鹽廢水，但其相比氯離子對于生化系統的毒性較小，微生物的代謝不易受到硫酸鹽含量的影響，硫酸鹽不應是生化系統異常的主因。鑒于上述不同解釋，本文擬設計不同組別污泥馴化試驗，通過對普通污泥與高效耐鹽菌劑的馴化效果進行對比，重點研究硫酸鹽對生化系統污泥生長的影響，以期探明硫酸鹽含量較高廢水的生化系統難以啟動的原因，進而為同類型污水處理過程提供理論指導及借鑒。

2 材料與方法

2.1 高硫酸鹽廢水水質特征

試驗用高硫酸鹽廢水取自安徽某工業園區污水處理廠進水，其水質指標如下：pH值7.5、COD 80 mg/L、硫酸鹽濃度 7500 mg/L、懸浮物濃度(SS)130 mg/L、總磷 2.0 mg/L。

2.2 實驗材料

污泥來源：本研究選取富集培養后的市政污水廠消化污泥、工業園區污水廠生化段現有活性污泥及Me型耐鹽菌劑(購自碧沃豐生物科技(廣東)股份有限公司)進行高硫酸鹽條件下的污泥馴化試驗。

培養基藥劑：氯化銨NH4Cl：分析純，國藥集團化學試劑有限公司；磷酸氫二鉀K2HPO4：分析純，國藥集團化學試劑有限公司；葡萄糖C6H12O6：分析純，國藥集團化學試劑有限公司；其他試劑：氫氧化鈉NaOH：分析純，無錫市展望化工試劑有限公司；鹽酸HCl：分析純，上海振企化學試劑有限公司。

2.3 試驗設計

2.3.1 園區污水廠生化段啟動后的污泥鏡檢分析

針對園區生化段調試時存在的污泥濃度較難維持問題，使用顯微鏡對污泥進行鏡檢分析，以期對污泥投加后生化系統的運行狀況進行判別。

2.3.2 硫酸鹽對污泥馴化培養的影響試驗

表1 微生物馴化試驗試驗設計

2.4 測試方法

3 結果

3.1 工業園區污水廠生化段啟動后的污泥鏡檢分析

圖1(a)為該工業園區污水廠生化段啟動初期(初次投泥后，污泥濃度約為400 mg/L)的鏡檢圖，該圖可觀測到較多的活性污泥絮體；圖1(b)為投泥10 d后污泥鏡檢圖，觀察知，此鏡檢結果中僅存留少量團狀絮體，其物質主要形態已轉變為短柱狀(圖1b)，表明有大量無機晶體物質存在。分析知，由于該園區污水廠在生化段尾部工藝中采用了硫酸亞鐵及硫酸鋁進行總磷的化學控制，該過程帶入了較多的化學藥劑，且由于生化段污泥馴化效果較差，故隨著時間推進，生化系統中有機污泥絮體含量逐漸減少，而較多的含磷化學沉淀回流引起了生化段污泥的無機化轉變。整體上，該園區生化系統投泥約10 d后，生化系統已轉變為無機污泥(污泥濃度<1000 mg/L)，基本無生化功能，表明除磷藥劑的添加對生化系統產生了不利影響。

圖1 園區污水廠生化系統啟動時懸浮物鏡檢特征變化

3.2 不同馴化體系中pH值的變化

圖2為不同反應體系中溶液pH值的變化，由圖2知，E1～E7組實驗中溶液初始pH值均約為8，反應進行中7組試驗溶液pH值基本穩定，表明微生物可在較穩定的pH值環境下進行生長，而高硫酸鹽條件下微生物的代謝產物亦未對溶液pH值產生影響。

圖2 不同反應體系溶液pH值的變化

3.3 試驗組別中COD的降解及污泥濃度的變化

圖3、4分別描述了不同試驗組別中COD降解及污泥濃度的變化趨勢。圖3中，反應初始條件下，未添加營養源的E3組COD濃度約為75 mg/L，其他添加營養源組的初始COD濃度約為250 mg/L。3 d時，E1～E7組中COD濃度均呈現顯著下降趨勢，E3組中COD的明顯下降表明無外加碳源條件下微生物代謝活動仍然存在。隨著時間的進行，此組中COD濃度僅可降低至約35 mg/L，之后便不再降解。對比E2與E4組試驗可知，曝氣條件下COD的降解速率更高，即好氧條件下微生物的代謝速率更快。除E3組外，其他六組試驗在第一次補加碳源后，各反應體系中COD濃度出現先增大后降低趨勢，表明各組中微生物代謝的正常進行。第二次補加碳源時間為第9 d，此時各組別COD處于持續降解過程，第14 d時，E1、E2、E4、E5、E6、E7組中COD分別可降解至30.24、30.29、60.48、28.16、47.88、17.64 mg/L，除E4外，其余各組均可獲得較好COD去除效果，進一步分析知，E7組(園區生化段污泥)COD去除效果更優，此現象表明土著微生物可較廠外污泥及耐鹽特效菌劑具有更好適應性，其對COD的降解可獲得更好的效果。對比Me耐鹽菌劑與市政消化污泥試驗組的COD去除效果知，高硫酸鹽濃度條件下，Me耐鹽菌劑對COD的降解無顯著優勢。

圖3 不同反應體系COD濃度的變化

圖4 不同反應體系MLSS的變化

進一步對比E1與E2、E3、E5、E6、E7知，此六組COD濃度的總體變化規律相似，三次補加碳源后均可持續進行COD的降解，表明與無硫酸鹽存在時相比，高濃度硫酸鹽條件下微生物的代謝未受到明顯抑制。

圖4中，E5組污泥濃度最低，此組為Me耐鹽菌劑，接種時，其為乳黃色液體，表觀懸浮物質較少，其相對于接種污泥成分較單一(微生物復合菌群)，反應進行時MLSS增長也較慢，19 d時其濃度約為300 mg/L，與市政消化污泥接種組初始MLSS濃度相近。對比E1～E4、E6、E7組知，E7組中微生物代謝速率明顯優于其他組別，而該組反應過程中COD濃度的降解速率亦較快，故可推測出E7組中較快的微生物生長速率使得該組中COD的降解效果較優，進而可知充足碳源條件下，生化段內土著微生物可獲得較好的增殖效果；E1、E2、E6組中MLSS濃度的變化規律相近，表明高濃度硫酸鹽條件對微生物的生長無顯著影響。E3、E4組MLSS相近，但明顯低于E1、E2、E6、E7組，分析知，此兩組中，E3為無外加碳源組，較低的碳源抑制了其生長，再結合其降解效果可知，園區污水廠COD可生化性較差，若無外加碳源時，活性污泥(微生物)的生長將極難進行；E4組為無曝氣試驗組，此條件下反應體系溶解氧約為0 mg/L(溶氧儀測定)，故此組代謝主要為厭氧反應，結合試驗中觀測到廢水顏色呈黑色(Fe2+與S2-生成黑色的鐵硫化物)，進而可推測此組試驗中MLSS濃度的增加主要是有硫酸鹽還原菌(SRB)的生長引起的，這與其他好氧組別中增殖微生物的種類不同。結合圖3、4可知，SRB的生長代謝速率較好氧菌群的代謝速率低，其對COD的去除效果亦較低。

綜上可知，高濃度硫酸鹽不會對微生物的生長及代謝產生顯著影響，園區污水廠廢水COD濃度較低，且生化性較差，其為寡營養源，碳源的嚴重不足抑制了微生物的生長，進而使得生化段污泥馴化工作無法正常開展。

3.4 不同試驗體系下微生物鏡檢分析

圖5為試驗中期(10 d)不同試驗體系下微生物鏡檢圖，總體上，除Me耐鹽菌劑(E5組)呈現絮狀分布外，其他各組試驗均呈現菌膠團狀分布。廠外污泥投加組(E1～E6)中，E1、E2組微生物的形態相似；無外加碳源的E3組中微生物呈現緊密聚集狀態(推測為細胞進入內源呼吸階段，此時尚未出現死亡自溶現象)；E6組表明中同時添加Me菌劑及廠外污泥時，Me菌劑可增強污泥菌膠團粘附作用，進而有利于其聚集；E4組為厭氧狀態下的微生物形態，觀測知，其呈現較分散狀態，形態也明顯小于好氧條件。E7組為廠區內生化段接種污泥，圖中可見較多棒狀晶型結構，這主要是由于化學除磷藥劑的投加形成的，該組中活性污泥菌膠團較廠外活性活性污泥松散。

圖5 不同試驗體系下微生物鏡檢圖

4 結論

(2)Me耐鹽菌劑與普通活性污泥相比，在較高濃度的硫酸鹽條件下其對COD的降解速率無明顯優勢。

(3)生化段內活性污泥接種組中微生物的高效生長代謝現象表明園區廢水中的硫酸鹽不會對污泥生長產生明顯抑制，而廢水生化性較差，碳源嚴重不足才是微生物生長受到抑制的主要原因。

(4)園區生化段污泥鏡檢結果表明：其已轉化為無機污泥，基本無生化功能，除磷藥劑的添加也對生化系統造成了一定的影響。