同步脱氮微氧颗粒污泥的快速培养及供氧条件的影响

刘 晓

（河北联合大学 建筑工程学院，河北 唐山063009）

颗粒污泥和微氧技术是在传统废水生物处理工艺基础上发展而来的两种新方法。颗粒污泥作为多种微生物的共生体，已经成为提高生物量、改善泥水分离效果从而实现工艺高效、稳定运行的有效手段［1］，其在污水处理当中的优良品质倍受关注。微氧（或称限氧、微需氧）是厌氧和好氧之间的过渡状态，该条件下无氧呼吸和有氧呼吸共存，具有传氧效率高、污泥产量少等特点。微氧状态下氧化和还原环境的共存能减少中间代谢产物的积累，从而获得优于单纯厌氧或好氧方法的处理效果［2－5］。多种微生物的协同作用能使脱氮这样的复杂生物转化过程在单一反应器内实现［6－7］。微氧环境往往依靠限制充氧量以及通过溶解氧向絮体或生物膜内部扩散时产生的传质梯度来营造。颗粒污泥结构致密，各种微生物在共生体中的分布位置相对稳定，是废水微氧生物处理的理想载体。本文拟就同步脱氮微氧颗粒污泥的快速培养、供氧量对处理效果和污泥沉降性能的影响等方面展开研究。

1 材料和方法

1．1 实验装置

如图1所示，膨胀颗粒污泥床（EGSB）反应器高180 cm，有效容积11 L，其中反应区高1．5 m，内径7 cm，有效容积5．8 L。采用外置曝气方式为颗粒污泥床供氧，在高位水箱中曝气并回流。通过调节水箱中的溶解氧（DO）和回流量来控制反应器的充氧量。

图1 实验装置图

1．2 接种污泥和实验用水

接种污泥取自唐山市北郊污水厂，为脱水后的剩余污泥饼。将泥饼用自来水浸泡两天，用孔径2 mm标准筛筛除大的泥块后接入反应器，接种后混合液悬浮固体（MLSS）约10 g／L。

实验用生活污水主要水质指标如下：p H值6．8～8．0，CaCO3碱度210～380 mg／L，SS 50～280 mg／L，COD110～580 mg／L，NH3－N 20～55 mg／L，总氮（TN）27～66 mg／L，总磷（TP）2～7 mg／L。

1．3 分析方法

COD，NH3－N，TN，TP均采用标准方法测定［8］；p H 值采用p H－3C酸度计测定；溶解氧采用DO200便携式溶氧仪测定；MLSS采用重量法测定；颗粒污泥形态用光学显微镜观察。颗粒污泥粒径分布采用筛分法，筛孔依次为2．5，2，1．5，1．2，1．0，0．8，0．63，0．45和0．35（单位：mm）。收集各个粒径区间的污泥后烘干，用于测定其在总干重中所占的比例，并以各个区间污泥的平均粒径及其质量百分比的加权计算污泥的平均粒径。某一粒径污泥的沉速采用该粒径区间内30个颗粒在水温20℃，水深50 cm的量筒中作自由沉降时的平均沉速。

1．4 实验方法

考虑到微氧EGSB反应器中的溶解氧很低，很难用溶氧仪精准测量，但反应器的供氧量即回流水携带进入反应区的溶解氧总量却是可控的。为此，用反应器的供氧量作为微氧环境的控制参数。整个运行过程保持HRT为6 h，反应器出水DO在0～0．5 mg／L之间。实验分为两个阶段（见表1）。第I阶段（1～70 d）为颗粒污泥培养和性能稳定阶段：保持反应器温度在20～25℃，每10 d保持相同运行参数（上升流速和供氧量），逐步提高上升流速并增加进入反应区的溶解氧量，每个参数阶段取样后在显微镜下观察污泥形态，以颗粒污泥轮廓清晰、结构紧凑、在污泥干重中占据相当比例，且同步脱氮效果稳定来界定颗粒污泥培养的成功；第II阶段：反应器在室温16～28℃下稳定运行，考察供氧条件的影响，每种供氧条件稳定运行半个月左右。

表1 运行参数调整

2 结果和讨论

2．1 微氧颗粒污泥培养过程

培养期间污泥的形成过程和性能变化如图2和表2所示，反应器运行效果见表3。在第8 d从各个取样口取样观察，污泥床中下部出现颗粒状污泥，轮廓较清晰，而污泥床上部仍为絮状污泥。随后逐步增加上升流速和进入污泥区的溶解氧量，污泥沉降性能良好，运行第16 d时颗粒污泥已经初步形成。继续培养，颗粒污泥轮廓趋于规则，结构更加紧凑。到第30 d时，粒径0．45 mm以上的颗粒占到污泥总干重的78%（见表2），反应器脱氮率达50%左右，表明培养成功。培养成功后，颗粒污泥粒径集中在0．45～2 mm，沉速在20～92 m／h。

图2 微氧颗粒污泥的形成过程

表2 第I阶段污泥性能的变化

结合表1，可以看出，在驯化和适应阶段，阶段性地提高上升流速和供氧量，既可以保持适度的水力筛选，加快絮状污泥颗粒化进程，同时反应器内污泥浓度又不至于大幅下降；还可以使初期形成的厌氧聚集体逐渐被包裹成为颗粒污泥的内核，保持培养过程的稳定（因为如果始终维持恒定的充氧条件，初期形成的微生物晶核被包裹后很可能会由于氧环境的变化而解体［9］）。颗粒污泥形成后，保持稳定的水力条件，污泥粒径不断增加，外形逐渐规则，结构趋于紧凑，因而沉降性能明显提高。观察注意到，颗粒污泥的含水率比接种污泥明显降低，这一点可以解释为质子跨膜迁移引起细胞原位脱水。在高度的水力剪切作用下，细菌通过脱水作用相互粘附或凝聚，避免被冲出反应器。而颗粒污泥的形成大大缩短了微生物之间的距离，更加有利于质子的跨膜迁移和细胞脱水。

微氧颗粒污泥培养成功后，保持MLSS在8～9 g／L，反应器表现出稳定的COD去除和同步脱氮效果（见表3）。当供氧速率增加到2．8 gO2／d时，COD去除率达87%，出水低于50 mg／L。氨氮和总氮的去除率均达79%，出水总氮低于10 mg／L。在微氧环境中 O2，NOx－（NO2－和 NO3－），SO42－，CO2等多种电子受体共存，好氧、兼氧和厌氧反应同时发生。一旦形成了稳定的颗粒污泥，各种微生物在其中有序分布，紧密结合，基质和代谢产物在种间的传质距离得以缩短，因而处理效果显著。

表3 第I阶段反应器的同步脱氮效果

2．2 供氧条件的影响

图3和图4反映了供氧条件对运行效果和脱氮速率的影响。微氧反应器对COD去除效果较为稳定，相比之下，脱氮效率受供氧条件的影响更加显著，低供氧条件下不能获得理想的脱氮效果。当供氧速率为2．8～3．2 gO2／d时，反应器对COD，氨氮和总氮去除率分别为89%～91%，81%～85%和80%～81%。此时，反应器脱氮速率达1．7 g N／d，出水水质量最佳。观察发现，进一步增加供氧速率后脱氮速率增幅变缓，出水中出现少量硝氮残留，可能是供氧量的增加使全程硝化反硝化脱氮作用得到加强。

图3 供氧条件对运行效果的影响

图4 供氧条件对脱氮速率的影响

供氧量对污泥的影响见表4和图5－7。随着供氧水平的提高，颗粒污泥逐渐由带有光泽的黑色变为黑灰色或褐色，外表由光滑变得粗糙。当供氧速率低于2．3 gO2／d时，微氧颗粒污泥外形规则，表面相对致密，沉速与实验室同期培养的厌氧颗粒污泥相当，反应器中污泥的SVI保持在16～25 m L／g。随着供氧量的增加，污泥中开始出现好氧型微生物。供氧速率在2．3～3．2 gO2／d时污泥性能相对稳定，颗粒污泥结构较为密实，外层可见丝状菌，内部球菌、杆菌生长密集。当供氧速率增加到3．2 gO2／d时，颗粒污泥表面变得疏松，少数颗粒发生解体，污泥床上层由于絮体增多，SVI显著增加，颗粒污泥外层丝状菌呈现优势。

表4 不同供氧条件下污泥的性能

图5 供氧条件对污泥形态的影响

图6 供氧条件对污泥沉降性的影响

图7 不同供氧条件下的微生物相

3 结论

接种污水处理厂剩余污泥在EGSB反应器中能快速培养出同步脱氮微氧颗粒污泥。培养周期仅需1个月，所形成的微氧颗粒污泥结构紧凑，粒径集中在0．45～2 mm，沉速为20～92 m／h。微氧反应器的同步脱氮效果明显受充氧量影响。HRT为6h，供氧速率为2．8～3．2 gO2／d时，COD，NH3－N和TN的去除率分别达89%～91%，81%～85%和80%～81%，同步脱氮速率达1．7 g N／d。供氧速率达到3．2 gO2／d会使污泥沉降性能下降，并出现颗粒解体和丝状菌生长优势。

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