A/O運行模式下好氧顆粒污泥培養及處理效能的研究

蘇 雷

(沈陽城市建設學院 市政與環境工程學院， 遼寧 沈陽 110168)

好氧顆粒污泥技術是近些年污水處理領域的研究熱點之一[1]。與絮狀污泥相比，顆粒化的好氧污泥具有以下優點[2-3]：提高污泥濃度和曝氣池的容積負荷，減少占地面積；生物相更加豐富，污泥齡增加，同時顆粒內外存在厭氧-缺氧-好氧環境，對N、P等污染物的去除能力提高；顆粒結構密實，沉降性好；耐沖擊負荷和毒性物質能力強。因此，好氧污泥顆粒化是活性污泥法的重大改進[4]。

目前，關于好氧顆粒污泥的培養條件、形成機理和微生物相等已有相關報道[5-7]，并取得了一定的進展，但好氧顆粒污泥技術對城市污水的處理研究還較少[8]，尚處于起步階段。Di等[4]研究好氧顆粒污泥在高有機負荷下對城市污水的處理，出水COD濃度小于50 mg/L。遲寒等[9]采用在實驗室條件下培養的好氧顆粒污泥，對實際生活污水的有機物和氨氮的處理效果做了初步研究。盧姍等[10]以厭氧/好氧交替運行方式，對好氧顆粒污泥穩定性以及去除有機物、氮和磷的效果進行了研究。任祎博等[11]分別在SBR和SBAR兩種反應器中培養好氧顆粒污泥，對比研究了顆粒污泥處理城市污水的能力。然而，好氧顆粒污泥技術的研究還不夠成熟，制約了其推廣應用。為此，筆者在SBR反應器中接種成熟顆粒污泥并以厭氧/好氧運行模式進行培養，研究好氧顆粒污泥形成過程中的性質變化及好氧顆粒污泥SBR系統處理城市污水的效果，以期為促進好氧顆粒污泥技術的工程化推廣提供參考和借鑒依據。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置與運行

試驗所用的柱狀間歇式反應器由有機玻璃圓筒制成，反應器有效高度為110 cm，有效容積為7 L，內徑為9 cm，反應器底部設有排泥口和放空口，側面設有等間距為11 cm的5個出水口。反應器內配有曝氣砂頭，供微生物呼吸作用，同時起到提供剪切力和攪拌作用，試驗裝置見圖1。

圖1 試驗裝置Fig.1 Schematic diagram of testing device

曝氣方式采用空氣壓縮機供氣，通過微電腦時控開關控制SBR反應器進水、厭氧、曝氣、沉淀、出水的時間，實現自動控制，外部設有循環熱水浴作保溫。反應器每天運行2個周期，其余時間閑置，具體運行參數根據試驗要求再做調整。

1.2 試驗用水與接種污泥

為了便于試驗操作的控制,培養階段的試驗用水為人工模擬廢水，按照營養比例C ∶N ∶P=100 ∶5 ∶1配制，并在每升配水中添加1.0 mL微量元素，用碳酸氫鈉調節pH值為7.0～8.0。微量元素成分為：FeCl3·6H2O 1.30 g/L，MnCl2·2H2O 0.12 g/L，ZnSO4·7H2O 0.12 g/L，CoCl2·6H2O 0. 15 g/L，CuSO4·5H2O 0.30 g/L，KI 0.18 g/L。

接種污泥為成熟好氧顆粒污泥和絮狀活性污泥的混合物，所占比例分別為20%和80%。成熟好氧顆粒污泥取自實驗室自行培育顆粒污泥，呈淡黃色球形或橢球形的顆粒，粒徑約為1.0 mm，MLSS為2 000 mg/L，SVI值為38.01mL/g；絮狀活性污泥取自撫順市三寶屯污水處理廠二沉池的回流污泥，MLSS為3 000 mg/L，SVI值為80 mL/g。

1.3 分析項目和方法

2 結果與討論

2.1 好氧顆粒污泥性質變化

2.1.1顆粒污泥的外部形態變化與顯微觀測

SBR反應器以實驗室培養成熟的好氧顆粒污泥為接種污泥，為保證SBR反應器混合液濃度與穩定運行，反應器內添加部分絮狀污泥使混合液濃度為5 000 mg/L。在常溫條件下，SBR反應器采用厭氧/好氧的運行模式，每天運行2個周期，其余時間閑置，按照進水5 min、厭氧90 min、曝氣240 min、沉降3～10 min(根據試驗要求調控)和排水5 min，交換比為60%，對好氧顆粒污泥進行培養。隨著顆粒污泥不斷的形成與生長，好氧顆粒污泥的外部形態發生變化，見圖2。

圖2 好氧顆粒污泥的外部形態變化Fig.2 The external formation and evolution of aerobic granular sludge

由圖2可以看出，反應器運行15 d時，棕褐色的絮狀污泥全部變成淡黃色細砂狀的小顆粒污泥，粒徑約為0.3 mm。運行25 d左右時，小顆粒污泥進一步增長成輪廓清晰且肉眼可見的顆粒污泥，粒徑可高達1.25 mm，呈球形或橢球形。30 d時，好氧顆粒污泥生長緩慢，已趨于穩定，粒徑為0.5～1.25 mm。好氧顆粒污泥在較短的時間內形成，主要原因一方面在于接種的成熟好氧顆粒污泥，提高了反應器內污泥的沉降性能，減少了生物量的流失，進而加快了污泥顆粒化的形成；另一方面，微生物自身所具有的絮凝吸附特質，在成熟顆粒污泥的催促下加快了自凝聚過程。這與熊光城等[13]的研究結果一致。

反應器運行30 d時取樣，在顯微鏡下觀察發現顆粒污泥周圍出現累枝蟲和鐘蟲等原生動物、紅斑瓢體蟲等后生動物。通過SEM觀察，顆粒污泥表面微生物主要為球菌和桿菌，見圖3。

圖3 成熟好氧顆粒污泥表面微生物Fig.3 Microbes on the surface of mature aerobic granular sludge

2.1.2顆粒的污泥濃度與沉降性變化

好氧顆粒污泥SBR系統啟動時設定沉降時間為10 min，隨后根據試驗要求有所調整，其他條件均不變，MLSS和SVI含量變化見圖4。

圖4 MLSS和SVI含量變化Fig.4 Changing curves of MLSS and SVI of content

由圖4可以看出，反應器啟動時混合液濃度為5 000 mg/L，絮狀活性污泥在充足的營養物質下迅速繁殖，混合液濃度增加至5 685 mg/L。為了加快顆粒污泥的形成，沉降時間從10 min減少為3 min，沉降性差的絮狀污泥隨水流流出，致使反應器內混合液濃度迅速下降為3 890 mg/L，截留沉降性好的顆粒污泥有助于顆粒污泥的形成。隨著顆粒污泥的形成與生長，反應器內混合液濃度逐漸升高最后穩定在4 812～5 280 mg/L。啟動時，反應器內絮狀污泥所占的比例較大，其繁殖速度快于顆粒污泥的形成生長速度，造成反應器內污泥沉降性變差，SVI值升高，第7 d時沉降時間縮短，截留下沉降性能好的顆粒污泥和部分絮狀污泥，使得污泥的沉降性有所改善，SVI值從60.53 mL/g下降為23.21 mL/g，最后穩定在16.81～20.95 mL/g。好氧顆粒污泥SBR反應器啟動成功。

2.1.3培養階段顆粒污泥的處理效果

圖5 培養階段和TN出水濃度的變化Fig.5 Changes of COD, and TN in effluent in culture process

2.2 對有機物的去除效果

好氧顆粒污泥SBR反應器啟動成功后，為了保證系統的穩定運行，并未直接處理實際污水，而是繼續以人工模擬污水運行15 d后，向SBR反應器內先注入50%實際污水，隨后逐漸提高實際污水量所占比例。進水COD為185.19～460.31 mg/L，氨氮為20.07～43.33 mg/L，總氮為32.07～55.87 mg/L時，在厭氧/好氧運行模式下，控制反應器溫度為22～25℃，曝氣量為2 L/min，沉降時間為3 min，排水比為60%。經過60 d運行，好氧顆粒污泥SBR反應器對COD的去除效果見圖6。

圖6 SBR反應器對COD的去除效果Fig.6 Removal rate of COD by SBR

由圖6看出，有機物的去除效果較好且出水穩定，出水COD一般為30.24～49.21 mg/L，平均去除率為86.11%。15 d時，實際污水量的添加使得反應器進水水質開始發生變化，隨著反應器內實際污水量不斷提高，去除率明顯不如模擬污水。這是因為人工合成污水是易降解的簡單有機物而且成分單一，容易被微生物吸收分解，而實際污水中的有機物成分復雜，存在不能被微生物降解的難溶物。但從整體運行看，對去除效果的影響不是很大，出水COD均小于50 mg/L，達到排放標準。顆粒污泥是由細菌、真菌以及原/后生動物多類微生物富集的聚集體，通過微生物吸食降解有機物將其轉化為自身組成成分及代謝產物，同時不同種群間相互依存，繼續降解利用微生物產生的代謝產物，穩定提高了系統出水水質。此外，底物基質通過顆粒污泥的孔道進入顆粒污泥內層繼續發生微生物新陳代謝作用。因此，顆粒污泥富有的微生物種群結構加強了系統的穩定性，增加了抗沖擊負荷和降解有機物能力。

2.3 對氨氮的去除效果

由圖7可看出，出水氨氮濃度為0.235～7.54 mg/L，平均去除率為90.38%，滿足排放要求。15 d時，實際污水的添加引起水質氨氮濃度變化明顯，當進水濃度變高時，出水也略有升高，這可能由于顆粒污泥富集的硝化菌[14]是好氧型微生物，曝氣量為2 L/min不能滿足細菌對突然增高的氨氮的降解要求。因此，在氨氮濃度過高時可適當增加曝氣量，提高對氨氮的處理效果。

圖7 SBR反應器對氨氮的去除效果Fig.7 Removal rate of ammonium nitrogen by SBR

2.4 對總氮的去除效果

由圖8可看出，出水總氮濃度穩定在3.27～11.97 mg/L，平均去除率為82.09%。好氧顆粒污泥同步硝化反硝化發生在好氧段，顆粒污泥的致密結構以及較大粒徑是氧的傳質限制因素，顆粒污泥由外向內分有好氧層、缺氧層和厭氧層。每層的優勢菌分別為硝化菌、反硝化菌和聚磷菌[15-16]，TN首先被微生物降解為氨態氮，再由外層氨氧化菌(AOB)和內層亞硝酸氧化菌(NOB)代謝作用轉化為亞硝態氮和硝態氮，然后通過缺氧層的反硝化菌發生脫氮反應，產生的氮氣通過顆粒污泥內的孔道排除體外，從而實現同一顆粒中的硝化和反硝化作用，使系統對總氮具有較好的處理效果。

圖8 SBR反應器對總氮的去除效果Fig.8 Removal rate of total nitrogen by SBR

3 結論

① 以厭氧/好氧交替運行的SBR反應器，采用接種成熟的好氧顆粒污泥，并添加部分絮狀污泥使得混合液濃度為5 000 mg/L，對顆粒污泥進行培養。運行15 d時，棕褐色的絮狀污泥全部變成呈淡黃色的細砂狀小顆粒污泥，粒徑約為0.3 mm。30 d后，小顆粒逐漸生長為成熟大顆粒，粒徑一般為0.5～1.25 mm，顆粒污泥表面出現累枝蟲、鐘蟲等原生動物和紅斑瓢體蟲等后生動物。

③ 在厭氧/好氧交替運行模式下，歷經90 d運行的好氧顆粒污泥SBR系統，當進水COD、氨氮和總氮分別為185.19～460.31、20.07～43.33和32.07～55.87 mg/L時，出水分別為30.24～49.21、0.235～7.54和3.27～11.97 mg/L，平均去除率分別為86.11%、90.38%和82.09%，出水水質均滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準。因此，好氧顆粒污泥對污染物具有很好的去除效果。