接种污泥对好氧污泥颗粒化影响的实验研究

宋志伟, 潘月军, 程晓霞, 张登峰

(黑龙江科技学院 资源与环境工程学院,哈尔滨 150027)

接种污泥对好氧污泥颗粒化影响的实验研究

宋志伟, 潘月军, 程晓霞, 张登峰

(黑龙江科技学院 资源与环境工程学院,哈尔滨 150027)

为了加快污泥颗粒化进程,在气升式内循环序批反应器中,取普通絮状活性污泥和在絮状污泥中添加一定比例的好氧颗粒污泥分别为接种污泥,进行好氧颗粒污泥的培养,探讨其对污泥颗粒化速度及生物降解性能的影响。结果表明,接种污泥中适量添加颗粒污泥能使颗粒成熟时间由 35 d缩短为 28 d,缩短了反应器启动时间,培养的成熟颗粒污泥具有较好的沉降性能和降解性能,SV I稳定在 36 mL/g左右,沉降速度达 36.23 m/h,COD、氨氮和总磷的去除率分别达到97.86%、90.23%、89.60%。

好氧颗粒污泥;接种污泥;絮凝细菌;气升式内循环序批反应器

Abstract:This paper is an attempt to promote granulation process by cultivating the aerobic granular sludge out of two kinds of inoculation sludge in sequencing batch airlift reactor(SBAR),namely conventional activated sludge and seeding sludge with a certain proportion of aerobic granular sludge.The paper discusses the effect of inoculation sludge on granulation rate and biodegradability properties.The results show that the right addition of some granular sludge to inoculation sludge allows the mature t ime of granules to be reduced from 35 d to 28 d,thus shortening the setup time of reactor,yields a better settling and degradation performance in the mature granular sludge,and gives SV I of around 36 mL/g,settling velocity of 36.23 m/h,and the COD,NH4+-N,TP removal rate ofmature granular sludge of 97.86%,90.23%and 89.60%respectively.

Key words:aerobic granular sludge;inoculation sludge;flocculant bacterium;sequencing batch airlift reactor(SBAR)

0 引 言

在 20世纪 90年代初,好氧颗粒污泥的特性引起了国内外学者的重视,同时好氧颗粒污泥的形成机理与特性的研究取得了明显的进展[1]。好氧颗粒污泥是通过微生物的自凝聚而形成的一种特殊形式的生物膜,与传统的絮状活性污泥相比,其生物结构规则致密、耐冲击负荷、剩余污泥产量少、沉降性能良好、微生物浓度高,且具有同步硝化反硝化[2-3]、生物除磷[4]等方面的能力。

好氧颗粒污泥的形成可采用普通的絮状活性污泥为接种污泥[5-7],还可直接采用厌氧颗粒污泥进行驯化[8]。卢然超等[9]利用厌氧颗粒污泥培养出具有除磷特性的好氧颗粒污泥。Erguder等[10]以厌氧好氧混合污泥作为接种污泥培养混合颗粒污泥获得了成功,但是在 UASB反应器中厌氧颗粒的形成时间约为 2～8月[11],宋志伟等[12]以普通的絮状活性污泥为接种污泥培养出的好氧颗粒污泥,在SBAR反应器中的形成时间约为 1.5～3月[12-16]。相对较长的启动时间限制了颗粒污泥的应用。为此,很多研究者探讨缩短接种污泥启动时间的途径。如 Jiang等[17]报道,反应器在 Ca2+100 mg/L条件下运行,颗粒污泥形成时间从不加 Ca2+的 32 d缩短至16 d。廖青等[18]在 SBR中采用普通活性污泥、部分好氧颗粒污泥 (好氧颗粒污泥占投加污泥总量的15%)和部分厌氧颗粒污泥分别作为接种污泥培养好氧颗粒污泥,在反应器内预先投加部分好氧颗粒污泥的方法,使普通活性污泥在短时间内 (20 d)快速颗粒化。宋志伟等[19]在 SABR培养中认为投加10 mL/L絮凝细菌时好氧颗粒污泥的形成速度较快同时具有较好的疏水性,颗粒形成时间由未投加的42 d缩短为 35 d。

笔者利用 SBAR反应器培养好氧颗粒污泥,以普通絮状活性污泥和添加了一定比例的好氧颗粒污泥为接种污泥,在水力停留时间为 6 h、表面气流为3.2 cm/s、有机负荷为 3.0 kg/(m3·d)的条件下[15-16],探讨污泥颗粒化速度与过程、生物降解性能及去除效果,为进一步研究好氧颗粒污泥在污水处理工程中的应用奠定基础。

1 实验材料与方法

1.1 实验装置

实验采用自制气升式内循环序批反应器 (图 1)。反应器为有机玻璃圆柱体 (有效容积 V为 4.0 L),高径比 (H/D)约为 15,其中,外管内径 8 cm,高 120 cm,内管内径 6 cm,高 90 cm,出水口距底部 50 cm。反应器进水、曝气、沉降、排水等各阶段时间根据实验需要设定,由 PLC实现自动控制。该装置采用气泵和曝气头供气。曝气头设在反应器底部,由气体转子流量计控制曝气量。反应器采用水浴加热控温。每周期的进出水由潜水泵和排水泵控制。进水量由转子流量计控制。

图 1 SBAR实验装置Fig.1 SBAR installation

1.2 运行方式

以动态连续实验为主,运行时间为 35 d,实验条件见表 1。

表 1 实验条件Table 1 Exper imental conditions

每个循环周期为 6 h[15]。时间控制为:进水时间10 min,排水 5 min,闲置时间 10 min;沉淀时间第 1周15min,第 2周 10min,第 3周后 5min;曝气时间第 1周320min,第 2周 325min,第 3周后 330min。

1.3 实验用水

实验用水采用模拟城市生活污水,组成如表 2所示。实验所用药品均为分析纯。

表 2 模拟城市生活污水成分Table 2 Constitutes of synthetic domestic wastewater

1.4 接种污泥

近年来,大量的研究表明投加絮凝剂或絮凝细菌是促使微生物固定的有效方法。宋志伟等[19]在SBAR反应器处理低浓度模拟生活污水的启动运行过程中,发现适量投加絮凝细菌能促进好氧颗粒污泥的形成,并确定絮凝细菌最佳投加量为 10 mL/L,每运行一周投加一次絮凝细菌,共投加四次;培养出的好氧污泥疏水性好,颗粒化速度快,颗粒形成时间由未投加絮凝细菌时的 42 d缩短为 35 d;SV I稳定在40mL/g左右,沉降速度达 36.23 m/h,COD、氨氮和总磷的去除率分别达到 97.14%、84.49%、87.59%。

絮凝细菌取自哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室。该絮凝细菌主要为 Devosia hwasunensisstrain HST2-16T(α-proteobacterium)和 Tetrasphaera elongate(Actinobacteria),相对分子质量 4.79×105,能够分泌较多的胞外多糖,多糖质量分数约占 85.82%。

絮凝细菌投加方式:R1反应器在投加接种污泥运行的同时加入絮凝细菌,此后每运行一周投加一次絮凝细菌,共投加 4次。

好氧颗粒污泥投加方式:R2反应器在 R1条件下同时投加 20%成熟的好氧颗粒污泥,只在启动期投加一次。

接种污泥:R1中接种原泥取自哈尔滨市文昌污水处理厂二沉池,呈絮状深灰黑色;R2中投加的成熟好氧颗粒污泥培养条件见表 1中 R3,污泥特性见表3。

表 3 接种污泥特性Table 3 Characteristics of seeding inoculum

1.5 分析项目及方法

COD、NH+4-N、TP、MLSS、SV和 SV I指标采用标准方法测定[20];颗粒污泥的粒径分布利用标准筛分法[21]测定;颗粒污泥的沉降速度测定方法参照文献[22];颗粒污泥的形态采用电子显微镜 (German,Leica DM1000)观察;Zeta电位采用微电泳仪 (China,JS94J3)测定。

2 结果与讨论

2.1 好氧颗粒污泥的形成过程

在 R1、R2分别运行 7、21、28、35 d时取反应器内污泥于 Leica电子显微镜下观察,结果如图 2所示。

图 2 污泥形态变化Fig.2 M orphology of aerobic granules

由图 2可见,运行 7 d后,R1反应器中沉降性能差、结构松散的污泥不断被排出,污泥由深灰黑色变为浅灰色,颗粒污泥持续增多;运行 21 d后,反应器中颗粒污泥不断长大,轮廓清晰、表面光滑的浅黄色颗粒明显增多,其外围存在大量的黄褐色物质;运行28 d后,反应器中已经明显形成较大的颗粒污泥;运行 35 d后,反应器中颗粒污泥 SV I为 36.83 mL/g,最大沉降速度为 35.57 m/h,出水 COD、氨氮、TP质量浓度趋于稳定。这说明好氧颗粒污泥己基本成熟。

R2投入运行时,可观察到深灰黑色的普通活性污泥与黄色的好氧颗粒污泥均匀的混合于反应器中。反应器运行 7 d后,污泥颜色由浅灰黑色变为浅黄色,投入的好氧颗粒污泥周围缠绕着很多的丝状菌;21 d后,反应器中出现了大量椭球状的浅黄色污泥颗粒;运行 28 d后,反应器中好氧颗粒污泥已基本成熟,SV I为 35.16 mL/g,沉降速度最大值为36.23 m/h。

可见,与 R1相比,R2中颗粒污泥的沉降性能及形成速度均较好。晶核假说原理认为颗粒污泥在晶核基础上,投加的好氧颗粒污泥可作为微生物生长的载体,不断发育,最终逐步成长为成熟的颗粒污泥。通过显微镜观察,图 2显示初期分散、凝聚性差的接种污泥运行一段时间后颗粒污泥内部晶核颜色较深,刚形成的晶核和成熟的晶核基本都为球形或者椭球形,絮状污泥逐渐消失,污泥成团很好且比较密实,此结构使其具有良好的沉降性,表明颗粒化晶核形成。成熟晶核表面比刚形成的晶核表面更加光滑。由此,在 R2中投加的好氧颗粒污泥确实提供了一个有效载体,使微生物以晶核为载体聚集生长,最后形成了粒径较大的好氧颗粒污泥。

丝状菌假说原理认为小颗粒逐步形成大颗粒。Beun等[23]以普通活性污泥为接种污泥。好氧颗粒污泥反应器中含有大量真菌颗粒,这种颗粒不稳定,容易解体成碎片;随后生成的颗粒主要由细菌组成,含有部分丝状菌。从图 2e可以观察到好氧颗粒污泥表面有丝状菌交织成的网状结构。丝状菌的自缠绕构成了好氧颗粒污泥的外框架。

胞外多聚物假说原理认为颗粒污泥的聚集则是由于胞外多聚物的架桥作用。Zeta电位的变化表明,预先投加的部分好氧颗粒污泥提高了种泥内的细胞的 EPS含量,从而改善了颗粒的疏水性能,最终快速形成好氧颗粒污泥。由表 4可知,R1、R2中污泥的 Zeta电位都呈明显增加的趋势,由细胞表面疏水性假说可知,表面疏水性的增加,减小了颗粒间的静电斥力,使其更易产生碰撞接触凝聚成核。可见,投放成熟的颗粒污泥为加速颗粒的形成起到了重要的作用。

表 4 反应器中好氧颗粒污泥的 Zeta电位变化Table 4 Zeta potential change of aerobic granules in reactors

2.2 好氧颗粒污泥的粒径分布

每 7 d通过标准筛分法对 R1、R2反应器内污泥颗粒粒度进行分析。反应器运行 14、28 d粒度分析结果如图 3所示。

图 3 好氧颗粒污泥粒径分布Fig.3 Size distribution of aerobic granular sludge in reactors

从图 3a可见,运行 14 d后 R1反应器内 d<0.2 mm的污泥占总污泥量的百分比约为 73%,其最大粒径达到 1.5 mm;R2反应器内 d<0.2 mm的污泥占总污泥量的百分比小于 58%,d≥0.2 mm的颗粒污泥数量明显高于 R1,可见 R2反应器内污泥的成粒效果好于 R1。由图 3b可见,运行 28 d后,R1、R2中 d≥0.2 mm的颗粒分别提高至 45%、53%,R2反应器中粒径在 0.2～0.8 mm的颗粒的百分含量仍高于 R1。这说明 R2中污泥的颗粒化效果较好,投入成熟好氧颗粒污泥对污泥的颗粒化起到了积极作用。

2.3 好氧颗粒污泥的降解效果

反应器运行过程中,每 7 d对 R1、R2进出水进行一次检测,反应器进水 COD、氨氮和总磷质量浓度分别控制在 1 500、85、10 mg/L左右,运行期间COD、氨氮、总磷的去除效果如图 4所示。

由图 4a所示,反应器 R1、R2运行 7 d后,COD去除效果均较为稳定并成上升趋势,但是 R2中COD去除效率高于 R1。这是因为含有颗粒污泥的接种污泥单位体积内微生物致密,含量相对较高,利于去除废水中的 COD。运行 35 d后,R2中 COD去除率比 R1稍高,分别超过 95.62%和 97.86%。

由图 4b所示,反应器 R1、R2运行 7 d后,氨氮的去除率均呈上升趋势,反应器 R2内的去除效率较好,已达到 72.32%。随着反应器的继续运行,氨氮的去除率仍呈上升趋势,运行 35 d后,反应器 R1、R2中氨氮的去除率分别达到 88.32%、90.23%。可见,污泥培养过程中 R2对氨氮的去除效果较好。其原因是较大颗粒外部的溶解氧在进入颗粒内部时受传质阻力影响,在颗粒内部形成缺氧好氧交替的环境,提高了氨氮的去除效果。

图 4 好氧颗粒污泥的 COD、氨氮、总磷的去除效果Fig.4 Removal rate of COD,NH+4-N and TP in reactors

由图 4c示,反应器 R1、R2对总磷的去除效果始终较为稳定,运行 35 d后分别达到 86.15%、89.63%。随着颗粒的不断长大,颗粒内部形成厌氧缺氧环境,从而提供了更好的除磷环境,TP的去除率也随之提高。同时,适量投加絮凝细菌可以提高颗粒污泥对总磷的去除效果,这是絮凝细菌对颗粒污泥的微生物群落产生了较大的影响,促进了聚磷菌的生长繁殖。

3 结 论

(1)以添加了 20%的好氧颗粒污泥的絮状污泥为接种污泥,培养的成熟颗粒污泥具有较好的沉降性能和降解性能,SV I稳定在 36 mL/g左右,沉降速度达 36.23 m/h,颗粒形成时间由未投加好氧颗粒污泥时的 35 d缩短为 28 d。投加一定比例的成熟好氧颗粒污泥加速了污泥颗粒化的进程。

(2)投加部分好氧颗粒污泥缩短了反应器启动时间,污泥的粒径相对较大。运行 28 d后,R2中d>0.2mm的颗粒分别达到 53%,明显高于 R1中的45%。

(3)R2中成熟颗粒污泥对 COD、氨氮以及总磷的去除效率分别达到 97.86%、90.23%、89.60%,比 R1的 95.62%、88.32%、86.15%略有提高。

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(编辑 晁晓筠)

Exper imental study on influence of inoculation sludge on granulation of aerobic granular sludge

SONG Zh iwei, PAN Yuejun, CHENG X iaoxia, ZHANG Dengfeng
(College of Resource&Environment Engineering,Heilongjiang Institute of Science&Technology,Harbin 150027,China)

X703.1

A

1671-0118(2011)01-0006-05

2010-12-22

黑龙江省教育厅骨干教师支持计划项目(1155G4P)

宋志伟 (1968-),女,黑龙江省哈尔滨人,教授,博士,研究方向:污水治理技术及工艺,E-mail:szwcyp@tom.com。