活性污泥颗粒化过程中絮体与颗粒污泥竞争作用研究

王 畅， 苏馈足， 邓绣坤， 方 晖， 徐得潜

（合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009）

0 引 言

厌氧颗粒污泥技术自20世纪80年代以来在工业废水的处理中发挥着重要的作用［1］，已成为目前中高质量浓度污水的主要处理方法。近年来好氧颗粒污泥由于具有结构紧密、沉降能力好、生物质浓度高、有机负荷率高等优点，得到越来越多研究者的关注［2－6］。颗粒污泥的形成是一个包含物理、化学和生物作用的复杂过程，而絮体污泥在颗粒污泥形成过程中始终存在并影响这一过程的进行，其中，絮体污泥和颗粒污泥的竞争作用是颗粒污泥形成的关键步骤。颗粒污泥培养初期，絮体污泥通过微生物生长和水力剪切等作用可转化为颗粒污泥，在颗粒污泥培养过程中，由于颗粒和絮体污泥传质、扩散及微生物数量的不同，两者存在对底物竞争利用［7－8］。

然而，迄今为止，尽管有模型对给定条件下SBR反应器中生物种群、出水水质等参数进行模拟和预测［7－9］，但是，这些模型都假设污泥粒径和数量均不改变，并将反应器内所有污泥都视为颗粒污泥，这与实验中污泥的实际变化规律不完全相符。因此，本文将对活性污泥颗粒化过程中好氧颗粒污泥与絮体活性污泥之间的竞争作用进行研究，以期为解释颗粒污泥的形成机制提供一条新的思路，使颗粒污泥形成过程的定量描述及人为调控颗粒的特性和形成过程成为可能。

1 材料与方法

实验采用序批式反应器（Sequencing Batch Reactor，简称SBR），反应器内径11.5cm，有效高度80cm，总体积6.0L，排水口位于反应器中部，排水比为0.5。运行周期为6h。接种污泥取自合肥市某污水处理厂回流污泥。反应器在常温下运行，温度在15～25℃之间。反应器进水采用人工合成废水，主要成分为蔗糖、磷酸二氢钠、氯化铵、常量元素和微量元素，具体配制方法见文献［10］。混合液悬浮固体（Mixed Liquid Suspended Solids，简称MLSS）质量浓度等均按标准方法测定［11］。污泥粒径分布、个数测定方法与文献［2］类似，即絮体污泥粒径采用激光粒度仪（JL－1177）测定，颗粒污泥粒径分布采用显微成像系统或体视显微镜结合数码相机sonyDSC－HX1拍照，样品照片采用Motic Advanced图像分析软件进行分析。颗粒与絮体的筛分采用湿式筛分分析法，即在磷酸盐缓冲溶液中，让污泥混合液通过0.2mm的不锈钢标准筛，然后收集截留在筛网上的颗粒以及通过的絮体，详见文献［12］。

2 结果与讨论

2.1 反应器运行情况

反应器运行分为4个阶段，各阶段进水均为4min，曝气260min，静置90min，具体参数见表1所列。1～3阶段沉淀时间依次缩短为5、2、1min，第4阶段保持沉淀时间不变，增大排水流量，将排水时间缩短为1min。

表1 反应器运行参数

污泥平均粒径变化如图1所示，从中可以看出，污泥平均粒径在反应器运行前30d内无明显变化，但从镜检可以看出，污泥较接种时更加密实，且形状较为规则。反应器运行30d后，随着沉淀时间从5min缩短为3min，细小絮体被排出反应器，且污泥密度已增加到最大值，污泥平均粒径快速增长，从最初的71μm增加至850μm，直至反应器运行75d时，颗粒污泥趋于稳定，污泥平均粒径保持基本不变，反应器呈稳定运行状态，污泥由接种时的松散絮状污泥变为形状规则、密实的颗粒污泥，如图2所示。

图1 污泥平均粒径变化

图2 絮体和颗粒污泥形态对比

2.2 污泥粒径分布变化

平均粒径是表征污泥特性的一个重要参数，而粒径分布则可更准确地表示出各粒径范围内污泥粒子所占的份数，颗粒污泥形成过程中粒径分布的变化情况如图3所示。

图3a为污泥颗粒化初始阶段采用激光粒度仪测得的粒径分布图，图3b为污泥颗粒化阶段采用图像分析法测得的粒径分布图。接种的絮体污泥，其粒径分布在20～180μm，平均粒径为71.25μm，29d时平均粒径增至93.27μm，平均粒径和粒径范围未发生明显变化。由图3b可知，反应器运行47d时，污泥的平均粒径较颗粒化初期明显增大，粒径分布在92.4～835.5μm之间，粒径分布曲线呈接近正态分布，d50达到250μm，且d50及其附近颗粒百分比显著提高至40%以上。随着平均粒径的增大，由于大颗粒的破碎絮体又重新增多，粒径分布范围达到最广，在70.6～1 120.2μm之间，粒径分布变得平缓，d50及其附近百分比略有下降至30%。在将沉淀时间减为1min后，226.6～1 385.1μm的粒径范围内粒径分布较集中，可认为已达到颗粒成熟稳定期。

图3 污泥粒径分布变化

2.3 颗粒污泥与絮体污泥的竞争

在SBR反应器中培养颗粒污泥，需要控制诸多操作条件，如较高的H／D值、水流剪切力、较短的沉淀时间等，其目的是保证颗粒污泥在与絮体污泥竞争的过程中具有优势。在反应器运行初期，接种污泥中绝大部分均为絮体，在较强的水力剪切力作用下，絮体污泥在胞外聚合物等复杂作用下凝聚为细小的颗粒，但由于此时颗粒粒径与絮体接近，故难以与絮体区分。当继续增大选择压，如30d时降低沉淀时间，细小的絮体被排出，而小颗粒则不断增大，在总污泥质量浓度中所占比例增加，到第45d时，颗粒污泥与絮体污泥的竞争达到动态平衡，此时絮体与颗粒质量之比接近于1，此时将沉淀时间进一步缩短为1min，使颗粒污泥占有竞争优势，从而絮体污泥质量浓度进一步减少，直至颗粒成熟，反应器稳定运行后絮体与颗粒污泥质量浓度比值降至0.195。

颗粒与絮体污泥浓度变化，如图4所示。

图4 颗粒与絮体污泥质量浓度变化

除污泥质量浓度外，颗粒污泥形成过程中单位体积混合液中颗粒和絮体的个数也有显著变化，如图5所示。

图5 每mL混合液污泥颗粒与絮体个数变化

在颗粒化过程初期，单位体积混合液中絮体个数缓慢减少，而颗粒个数稍有增加。在将沉淀时间由5min缩短为2min后，该变化速率加大，颗粒在与絮体污泥的竞争中占有优势，故其个数不断增加。将沉淀时间进一步缩短为1min后，部分小的颗粒也被排出反应器，而保留的颗粒粒径逐渐增加，颗粒个数减少。

比较图4和图5可知，颗粒污泥质量浓度在运行初期增加缓慢，而在中后期明显增长，在反应器运行30～45d之间，颗粒个数增加较快，平均粒径增加相对不明显，而反应器运行45～65d之间，颗粒个数明显减少，但颗粒污泥质量浓度依然增加较快，其原因是单个颗粒的粒径和质量增加所致。因此，颗粒污泥质量浓度增加的主要原因在颗粒形成中期为颗粒个数增加，而在后期则主要为颗粒粒径的增加。

根据活性污泥颗粒化过程中絮体与颗粒污泥之间的竞争过程，可将该过程划分为3个阶段，即絮体优势期、竞争共存期、颗粒优势期。絮体优势期污泥平均粒径较接种污泥无明显变化，但污泥变得更加密实，污泥沉降性能变好，此时缩短沉淀时间，部分絮体被排出，已形成的小颗粒与其余絮体共存于反应器，且竞争底物，两者同时生长，称为竞争共存期，但在选择压下颗粒污泥具有明显的竞争优势，绝大部分可以保留在反应器中，因此颗粒污泥质量浓度逐渐增加，对底物的竞争优势也越加明显，而絮体污泥则因沉淀速率低被逐渐排出，从而污泥质量浓度也逐渐降低，其净增长速率也随之减少。此时进入颗粒优势期，反应器内以颗粒污泥为主，存在少量因剪切或污泥解体形成的絮体，且在每个运行周期末被排出，颗粒污泥反应器稳定运行。

3 结 论

（1）采用序批式反应器，以蔗糖合成废水为底物，沉淀时间从接种时的5min逐渐缩短至1min，污泥平均粒径从71μm增加至850μm，颗粒污泥反应器稳定运行。成熟颗粒污泥结构密实、形状规则、沉降速度快，粒径分布接近正态分布。

（2）在反应器运行初期，絮体和颗粒污泥质量浓度和个数变化不太明显，反应器内以絮体为主。而在反应器运行中期，随着沉淀时间的缩短，颗粒在与絮体的竞争中占有优势，从而大量保留在反应器中并快速增长，而絮体污泥则被排出反应器，该阶段絮体污泥质量浓度和个数均迅速降低，而颗粒污泥数量增加，使其质量浓度增长。继续缩短沉淀时间，絮体和小颗粒大量排出，颗粒在反应器中占有绝对优势，粒径和质量浓度均明显增加，但由于部分小颗粒的排出颗粒数量有所减少。

（3）根据活性污泥颗粒化过程中絮体与颗粒污泥之间的竞争过程，可将该过程划分为3个阶段，即絮体优势期、竞争共存期、颗粒优势期。

（4）颗粒污泥形成过程中絮体与颗粒污泥的竞争过程取决于反应器运行条件，如本研究中的沉淀时间，这些条件决定何种污泥在竞争中占优势，从而保留在反应器并逐渐增长。

下一步研究将针对如何将反应器运行条件与絮体颗粒竞争过程建立定量的数学描述，从而为颗粒污泥培养的优化条件提供理论指导。

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