不同曝气剪切条件下活性污泥絮体特性研究

郭昌梓， 王 凯， 苏朋娟， 刘富宇， 王 旭， 彭党聪， 金鹏康

(1.陕西科技大学 资源与环境学院， 陕西 西安 710021; 2.西安盛赛尔电子有限公司, 陕西 西安 710075； 3.西安建筑科技大学 环境与市政工程学院， 陕西 西安 710055)

0 引言

活性污泥是由初级粒子和絮体组成的二级体系.粒径在0.5～5μm的颗粒被称为初级粒子(Primary Particles)，多为游离的细菌或其它胶体物质；粒径在25～1 000μm的颗粒称为絮体(Flocs)，主要是由大量细菌与胞外聚合物质(EPS)等组成.初级粒子常常由于絮体的吸附或聚集作用而粘附于絮体的表面，因此离散在污泥中的初级粒子含量较少[1,2].目前关于污泥絮体的形成机理尚没有定论，但是普遍认为在絮体形成过程中EPS具有重要作用[3].

在污水生物处理中，微生物一般是处在不断地曝气搅拌过程中而达到代谢和降解污染物.由于曝气、机械混合以及液体流化等作用都会造成一定的水力剪切作用，而水力剪切对絮体结构的形成和细胞的固定化，具有重要影响[4,5].目前关于曝气条件对污泥絮体的形成及稳定性的影响鲜有涉及，而曝气系统是一个气、液、固三相混杂的体系，相对于普通的水力剪切更为复杂[6].在曝气过程中，气泡的剪切作用，以及因气泡而引起的水力剪切作用等都将影响絮体的形成和稳定[7].

本文针对污水生物处理中两种不同曝气方式下污泥絮体的性质进行了研究，以进一步认识不同生物处理工艺的运行特点，这为改善和提高污泥处理效果提供了理论指导.

1 材料与方法

1.1 试验装置

本试验研究中，SBR采用轮流搅拌-曝气运行方式模拟两种不同曝气方式：一种为分散瞬时曝气，本文称为“分点曝气”，另一种为分段连续曝气，本文称为“分段曝气”.

试验装置如图1所示，包括2个反应器.1#反应器为分点曝气，每个循环曝气4次，每次曝气1 min，每个循环包括4个交替缺氧-好氧区；2#反应器为分段曝气，每个循环曝气1次，连续曝气约5 min，包括1个缺氧-好氧区.正常运行时,两反应器的曝气强度为0.75 m3/h.反应器的有效容积均为15 L，运行程序由微电脑自动控制.

图1 反应器结构示意

1.2 试验用水

试验采用人工配水，水质模拟城市污水，其组成成分为： 葡萄糖(以COD计)300 mg·L-1，NH4Cl(以N计)40 mg·L-1，KH2PO4(以P计)6 mg·L-1.配水时碱度用NaHCO3调节.

微量元素溶液的投加量为1 mL·L-1(配水).微量元素溶液用蒸馏水配制，其主要组分为：CuCl2·2H2O 35 mg·L-1,NiCl2·6H2O 36 mg·L-1,MgSO4·7H2O 5 000 mg·L-1,FeCl2·4H2O 6 000 mg·L-1,CoCl2·4H2O 880 mg·L-1,ZnSO4·7H2O 100 mg·L-1,MnCl2·4H2O 500 mg·L-1.

1.3 污泥培养与驯化

本试验初始污泥取自西安市某污水处理厂曝气池中.首先将取回的污泥闷曝1周左右，消除污泥中原有菌群特征对试验的影响[8]，然后再将污泥移入两反应器中，进行培养驯化.经过3周左右的调试，使两反应器的进水流量和进气流量相同，系统运行正常并进入试验研究阶段.

1.4 分析方法

分析项目包括水质指标，如COD、NH4+-N、NO3--N、NO2--N、TN、MLSS、MLVSS等;污泥指标，如SS、VSS、SV、SVI、EPS、粒径分布、污泥比阻等，并定期进行污泥镜检.水质指标的监测方法参考文献[9]进行.

DO、pH、ORP采用相应的测定仪测定;粒径分布采用激光粒度仪(Mastersizer 2000型, 英国)测定，测量粒径范围为0.04～2 000μm;EPS采用阳离子交换树脂(Cation Exchange Resin,CER)法测定[10];污泥比阻采用布氏(Buchner)漏斗定压抽滤法[11]测定.

2 结果与讨论

2.1 两种运行条件下污泥的沉降性能和絮体尺度

试验过程中对两反应器中污泥的SVI进行连续测定，以判定两种不同曝气方式下污泥的沉淀性能.图2为试验期间1#和2#反应器污泥的SVI值历时变化.从图2可以看出， 1#反应器(分点曝气)污泥的SVI值低于2#反应器(分段曝气).1#反应器SVI的最大值为148.26 mL/g，最小值为122.68 mL/g，平均SVI为133 mL/g左右；2#反应器SVI的最大值为245.63 mL/g，最小值为186.47 mL/g，平均SVI值为202 mL/g左右，比1#反应器大得多，即在同样的缺氧好氧区比例下，分点曝气系统的污泥沉降性能比分段曝气系统好.

图2 两种曝气条件下SVI的历时变化

两反应器污泥絮体的粒径分布如图3所示.1#和2#反应器平均粒径分别为74.26μm和53.46μm，中间粒径分别为92.4μm和68.56μm.所以,1#反应器污泥絮体的尺度大.1#和2#反应器中絮体的最大比例颗粒粒径分别为116.3μm和105.9μm，体积分数分别为4.8%和4.9%.从图3中2#反应器粒径分布曲线可看出,其曲线峰值的右侧陡然下降，而左侧缓慢下降，这表明2#反应器中大颗粒絮体较少，粒径趋向于小颗粒分布；而1#反应器的分布曲线峰值的右侧曲线表明1#反应器还有一些较大粒径的絮体.所以，从粒径分布来看，不仅1#反应器的絮体尺度比2#大，而且大颗粒絮体所占的比例也比2#多.

(1#)

(2#)图3 两种曝气条件下污泥絮体的粒径分布

试验期间,还定期对反应器中的污泥进行了镜检，图4和5分别为第65 d和第236 d的镜检结果.从镜检结果也可以明显看出，1#污泥絮体大且结实，2#污泥絮体较小、松散.在城市污水处理中,通常认为SVI值为100～150时，污泥的沉降性能良好；而当SVI值大于200时，污泥沉降性能差[12].但是对于实验室自配水来说，其污泥的SVI值一般比城市污水处理系统污泥的SVI值大，这是因为配水成分单一，杂质少，故沉降慢，故SVI偏大.如在分段曝气中,SVI的平均值为202 mL/g，但污泥的沉降性能也不是很差，污泥也没有膨胀.

(a)1#

(b)2#图4 1#和2#反应器第65 d镜检结果

(a)1#

(b)2#图5 1#和2#反应器第236 d镜检结果

2.2 两种运行条件下污泥絮体的稳定性研究

在污水处理中，活性污泥絮体在曝气扰动下仍能保持完整的絮体结构而不破碎，说明絮体具有一定的稳定性.在包含初级粒子与絮体的活性污泥组成中，絮体破碎或剥离主要表现在两个方面：一是絮体表面初级粒子的脱附或解离；二是絮体分解成小絮体.Parker等[13]发现，初级粒子的解离是絮体破碎的主要结果.对于活性污泥絮体，初级粒子的解离是反映污泥絮体稳定性的重要指标.

目前,关于污泥絮体稳定性的研究较少，但是曝气剪切比普通的搅拌剪切对絮体的稳定性影响更大.本试验在正常运行时,两反应器的曝气强度为0.75 m3/h.为了研究两种运行条件下污泥絮体的稳定性，取反应器一定量污泥在0.75 m3/h的曝气条件下连续运行3小时，每隔一定时间取样，测定初级粒子的含量，以此判断连续曝气对污泥絮体的影响及污泥絮体的稳定性.连续曝气条件下初级粒子的变化曲线如图6所示.在曝气过程中,初级粒子很快释放，虽然1#的初级粒子浓度上升得较慢些，但最终和2#基本相同.因此，曝气对絮体的破坏程度大.

图6 曝气条件下初级粒子的变化

连续曝气3 h后絮体的粒径分布如图7所示.对于1#反应器，经过曝气脱附后，平均粒径和中间粒径分别为55.0μm和66.19μm，皆小于原始絮体的粒径，其最大比例颗粒粒径为105.9μm，最大比例为4.19%，亦比原来小些，但从图7粒径分布曲线可以看出，连续曝气后仍然还存在一些大粒径的絮体;对于2#反应器，絮体脱附后平均粒径只有31.73μm，中间粒径为33.99μm，比原来小得多，最大比例絮体粒径只有41.68μm，絮体破坏程度比1#大得多.连续曝气作用不仅使初始粒子解离，而且大絮体也遭受破坏，形成小絮体，2#表现尤为明显.

从图7连续曝气条件下絮体的解离曲线还可知，虽然连续曝气后两者的初始粒子浓度基本相同，但是1#絮体的粒径仍然比2#大，且仍然存在一些大粒径絮体.因而,从曝气剪切对絮体的破坏程度来看，1#反应器絮体强度大，稳定性更好，2#反应器污泥的稳定性较差.

(a)1#

(b)2#图7 连续曝气3 h后1#和 2#污泥絮体粒径分布

在好氧生物处理中，为了达到处理效果，需要一定的溶解氧，所以必须进行一定强度的曝气.但是从曝气剪切对污泥絮体的影响来看，采用间歇曝气比连续曝气对絮体的形成和稳定更为有利.采用间歇曝气时，曝气是为了提供一定的DO，不曝气絮体可以进行絮凝，集结壮大，更有利于污泥沉降和污水的澄清，出水悬浮物(ESS)更小.从1#和2#絮体的特性来看，采用多级间歇曝气更有利于絮体的成长壮大，这也是氧化沟分点曝气的优点之一.

2.3 两种运行条件下污泥的胞外聚合物(EPS)含量分析

研究表明[14]，EPS对保持污泥絮体的结构和强度具有重要作用.但是在一定的剪切强度下，絮体表面的EPS会大量释放，从而减小外层微生物间的作用力，导致初级粒子解离.为此，本节对两种运行条件下污泥的EPS及连续曝气3 h后污泥的EPS进行了进一步分析.其测定结果如图8所示.

图8 不同污泥胞外聚合物含量

两种运行方式下污泥的EPS含量和组成皆不同.1#反应器为分点曝气，每个循环包括4个A/O分区，其EPS含量为31.21 mg/gVSS;2#反应器为分段曝气，每个循环包括1个A/O分区，其EPS含量为21.6 mg/gVSS.从EPS的组成来看，1#反应器EPS中的多糖、蛋白质和DNA分别为9.72 mg/gVSS、16.87 mg/gVSS和4.62 mg/gVSS；2#反应器EPS中的多糖、蛋白质和DNA分别为6.94 mg/gVSS、10.8 mg/gVSS和3.86 mg/gVSS，各组分皆比1#反应器小.这可能是由于在分点曝气中，细菌处于不断紊动变化的环境中，为了适应或防御外界频繁变化的环境条件，细菌会分泌较多的EPS，将自身包裹起来以保护自己，增强其絮凝性，因而形成较大的絮体，而2#反应器的运行条件相对温和，故污泥中的EPS少[15].

Mikkelsen[1]也认为,微生物在受到反复剪切的条件下会大量释放胶体与可溶性物质，对维持污泥絮体结构起着重要作用.胶体物质即为胞外聚合物(EPS)，在微生物聚集体内部起着桥接和缠结作用.Houghton等[16]研究发现，对于活性污泥，当EPS小于35 mg/gVSS时，EPS的存在有助于污泥絮凝，从而使絮体粒径增大.当絮凝达到一定程度后，在EPS大于35 mg/gVSS时，随着EPS的增加使絮体中挟持的水分增多，会削弱污泥絮体的絮凝作用，絮凝性变差，从而使絮体结构松散，易破碎.所以，污泥絮体中EPS含量过大或过小，皆不利于絮体的成长和絮凝.

本试验中两者的EPS皆不是很大，且1#反应器的EPS比2#大，有利于絮凝，故1#反应器污泥的絮凝性比2#好，絮体容易成长增大，这也应证了前面测定的1#反应器絮体尺度大的结果.

在连续曝气3小时后，1#和2#的EPS分别为37.88 mg/gVSS和37.75 mg/gVSS，两者基本一样，且皆比初始值大.可见，在曝气剪切作用下，微生物释放的EPS较多，初级粒子与絮体间的作用力减弱，受曝气剪切作用而解离.从曝气前后EPS各组分来看，对于1#曝气前EPS中的多糖、蛋白质和DNA分别为9.72 mg/gVSS、16.87 mg/gVSS和4.62 mg/gVSS，曝气后分别为15.38 mg/gVSS、17.29 mg/gVSS和5.21 mg/gVSS，蛋白质和DNA增加不大，但是多糖增加较多，曝气后比曝气前增加了5.16 mg/gVSS；2#反应器曝气前EPS中的多糖、蛋白质和DNA分别为6.94 mg/gVSS、10.8 mg/gVSS和3.86 mg/gVSS，曝气后分别为16.31 mg/gVSS、16.08 mg/gVSS和5.36 mg/gVSS，多糖增加了9.19 mg/gVSS，其它两种物质增加较少.可见曝气作用使多糖的释放多于蛋白质，因为多糖一般处于絮体外部，容易脱离和氧化，故受曝气的影响较大.蛋白质和DNA增加较少说明曝气作用对细胞破坏很小，主要使初级粒子解离及大絮体受曝气剪切而变小.

2.4 两种运行条件下污泥的脱水性能研究

在污水处理系统中，污泥不仅要具有良好的沉降性能，还要具有较好的脱水性能.脱水性能优良，不仅减少污泥处理的费用，而且还可以使污泥的体积减少得更多，便于运输和处置.表征污泥脱水性能的指标主要有比阻(SRF)和毛细吸水时间(CST)[17].但是由于CST的测定对滤纸的质量要求较高，国产滤纸一般达不到要求[18,19].所以，本试验采用比阻表征两种运行条件下污泥的脱水性能，同时也测定了连续曝气3 h后的污泥比阻，以便于对比.其测定结果如图9所示.

图9 不同污泥的比阻

1#和2#反应器污泥比阻分别为5.21 ×1012m/kg和7.94×1012m/kg.1#污泥比阻小，脱水性能较好；两种污泥在连续曝气3 h后的污泥比阻分别为9.04×1012m/kg和13.57×1012m/kg，比初始值要大得多.这主要是由于在曝气条件下初级粒子的解离及小絮体增多，在过滤时容易阻塞絮体的空隙，使滤饼更加紧密，因而过滤困难.

在污水生物处理系统中，污泥中水分的存在形式基本上分为三种：(1)游离水或间隙水.是存在于污泥颗粒间隙中的水分，约占污泥水分的70%左右;(2)毛细水.存在于污泥颗粒间的毛细管中，或在高度密集的细小污泥颗粒间隙中，由毛细管现象而形成的，约占污泥水分的20%左右;(3)颗粒表面吸附水和内部结合水.约占污泥水分的10%左右.表面吸附水是污泥颗粒表面附着的水分，附着力较强.内部结合水是污泥颗粒内部结合的水分及生物细胞内的水分.污泥中水分的存在形式如图10所示[20].

图10 污泥中水分的存在形式

通常,污泥脱水就是要去除其中的游离水和毛细水.其中,游离水受絮体的结构影响不大，可以较容易去除，而毛细水与污泥的结构和组成紧密关联.当絮体的稳定性受到破坏，使小絮体增多，必然使毛细水增多，增加了脱水的难度.从1#和2#反应器污泥絮体大小来看，1#絮体大，大粒径絮体多，因而容易脱水，2#粒径小，毛细水含量增多，脱水困难.虽然1#EPS中多糖含量比2#大，但是对含水率并没有影响，因为1#和2#反应器EPS的组成中多糖含量并不高，且不是EPS的主要成分，两种污泥的含水率基本相同，皆为99.4%.在连续曝气3 h后，部分絮体被打碎，小絮体增多，絮体粒径变小，同时细菌释放的EPS增多，多糖含量增加，污泥中附着水的含量增多，皆对污泥脱水产生不利影响，因而连续曝气3小时后的污泥比阻比初始污泥比阻大得多.

3 结论

(1)在其它运行条件相同的情况下，分点曝气污泥絮体的平均尺度比分段曝气大，两者的平均粒径分别为74.26μm和53.46μm，而且分点曝气中拥有更多的大颗粒絮体.分点曝气污泥的沉降性能比分段曝气好，两者的SVI平均值分别为133 mL/g和202 mL/g.

(2)分点曝气污泥絮体密实、强度大，而分段曝气污泥絮体松散、稳定性差、容易破碎.在连续曝气条件下，两种污泥絮体均受到剪切破碎，不仅初始粒子被剥离，而且絮体也被打碎变小，分段曝气被破碎的程度更大.

(3)分点曝气和分段曝气所形成的污泥絮体的EPS含量分别为31.21 mg/gVSS和21.6 mg/gVSS，且前者EPS中的多糖、蛋白质和DNA组分皆比后者多，两者EPS的主要组分是以蛋白质为主.两种污泥经连续曝气3 h后，EPS皆增大，且多糖含量增加较多.

(4)分点曝气和分段曝气形成的污泥比阻分别为为5.21 ×1012m/kg和7.94×1012m/kg，前者污泥的脱水性能较好.经连续曝气3 h后，两种污泥的比阻明显增大，脱水性能变差.

[1]Mikkelsen L H.The shear sensitivity of activated sludge:Relations to filterability,rheology and surface chemistry[J].Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects,2001,182(1-3):1-14.

[2]Sheng G P,Yu H Q,Li X Y.Stability of sludge flocs under shear conditions[J].Biochemical Engineering Journal,2008,38(3):302-308.

[3]王红武.细胞聚合物在废水生物处理过程中的作用研究[D].上海:华东理工大学,2004.

[4]Mikkelsen L H,Keiding K.The shear sensitivity of activated sludge: an evaluation of the possibility for a standardized floc strength test[J].Water Research,2002,36(12):2 931-2 940.

[5]赵 燕，赵保全.板框式压滤机在催化剂污水装置中的应用[J].陕西科技大学学报(自然科学版),2013,31(3):29-32.

[6]Murthy S N,Novak J T.Factors affecting floc properties during aerobic digestion:implication for dewatering[J].Water Environment Research,1999,71(2):197-202.

[7]Mikkelsen L H,Keiding K.The shear sensitivity of activated sludge:an evaluation of the possibility for a standardized floc strength test[J].Water Res.,2002,36(12):2 931-2 940.

[8]刘艳臣.Carrousel氧化沟单沟脱氮优化条件及其控制策略研究[D].北京:清华大学,2008.

[9]国家环境保护总局．水和废水监测分析方法[M].4版.北京:中国环境科学出版社,2002:243-284,368-370.

[10]龙腾锐,罗太忠.超声波-树脂法提取活性污泥胞外聚合物的研究[J].给水排水,2008,34(5):34-39.

[11]陈泽堂.水污染控制工程实验[M].北京:化学工业出版社,2009.

[12]彭党聪.水污染控制工程[M].3版.北京:冶金工业出版社,2010.

[13]Parker D S,Kaufman W J,Jenkins D.Characteristics of biological flocs in turbulent regimes[R].California:Berkeley Sanitary Engineering Research Laboratory,University of California,1970.

[14]巩文信.剪切与曝气条件下活性污泥絮体稳定性研究[D].济南:山东大学,2008.

[15]Dumaz B,Sanin F D.Effect of carbon to nitrogen ratio on the composition of microbial extracellular polyers in activated sludge[J].Water Science and Technology,2001,44(10):221-229.

[16]Houghton J I,Quarmby J,Stepenson T.Municipal wastewater sludge dewaterability and the presence of microbial extracell ularpolymer[J].Water Science and Technology,2001,44(2-3):373-379.

[17]方静雨,马增益,严建华,等.污泥脱水性能指标的比较分析[J].能源工程,2011(4):51-53.

[18]俞庭康,刘 涛,沈 洪.污泥比阻实验中几个问题的探讨[J].实验室研究与探索,2009,28(1):68-70.

[19]孙根行，路建萍，孙绪博，等.炼油厂“三泥”脱水工艺优化研究[J].陕西科技大学学报(自然科学版),2014,32(2):20-25.

[20]高廷耀,顾国维,周 琪.水污染控制工程(下册)[M].3版.北京:高等教育出版社,2007.