好氧颗粒污泥在SBR反应器中的生长特性

唐朝春++叶鑫++刘名

摘要：在3个间歇式活性污泥处理系统（SBR反应器）R1、R2、R3（进水中C/N值分别为5、10、30）内，研究不同进水C/N值条件下硝化好氧颗粒污泥的形成过程，重点探究不同C/N值对污泥颗粒化过程中Zeta电位与胞外多聚物（EPS）的影响，以及各感应器内有机污染物的去除情况。结果表明，经过35 d培养，污泥形成颗粒，所得好氧颗粒污泥的颜色接近橙黄色。不同C/N值对所培养颗粒污泥的粒径具有影响，C/N 值越小，则大颗粒越多，沉降性能越差。C/N 值的大小影响颗粒污泥蛋白质（PN）含量与多糖（PS）含量的比值，进而影响颗粒的密实性，C/N值越小则PN/PS值越小，产生的PS越多。R1、R2、R3的氨态氮去除率分别为94.9%、72.3%、43.61%，对化学需氧量的去除率分别为96%、98%、85%，对总磷的去除率可达80%～90%。

关键词：好氧颗粒污泥；间歇式活性污泥处理系统；Zeta电位；胞外多聚物；去除率；生长特性

中图分类号： X703文献标志码： A文章编号：1002-1302（2016）05-0428-03

好氧颗粒污泥是一类微生物通过自聚集形成的微生物聚集体。与普通活性污泥相比，好氧颗粒污泥具有结构密实、抗冲击负荷强、沉降性能优良等优点，目前已成为排放污水处理的研究热点[1]。采用好氧颗粒污泥处理污废水的效果较好，是因为其内部微生物种群具有多样性，从而具有多种代谢活性。胞外多聚物（EPS）对菌群的生长与优势竞争具有重要作用[2]。好氧颗粒污泥胞外聚合物（EPS）是好氧颗粒污泥的重要成分，普遍存在于颗粒表面，并使污泥形成了规则外形，从而使微生物聚集颗粒保持稳定并进一步形成微生物聚集体[3]。Chen等在间歇式活性污泥处理系统（SBR）中采用含有500 mg/L苯酚的合成废水成功培养出好氧颗粒污泥，并通过多色荧光原位杂交技术检测刚接种的新鲜污泥与培养成熟的颗粒污泥的内部结构[4-6]。荧光染色和CLSM均表明，微生物自凝聚是颗粒污泥形成的最初步骤。聚合在一起的微生物在附着点分泌EPS，增殖使得污泥生长，最终形成颗粒污泥。通过观测SBR运行过程中不同C/N值下培育出的好氧颗粒污泥，探究C/N值为5、10、30时污泥颗粒化过程中Zeta电位的变化，以及Zeta电位与EPS的相互联系。

1材料与方法

1.1试验装置

SBR反应器的每个运行周期约为4 h，根据进出水时间、曝气时间、沉降时间均分为3个阶段：第1阶段，进出水时间 3 min、曝气时间3.6 h、沉降时间15 min；第2阶段，进出水时间3 min、曝气时间3.6 h、沉降时间9 min；第3阶段，进出水时间3 min、曝气时间3.8 h、沉降时间3 min。在整个运行过程中，SBR反应器由时间继电器自动控制，温度由温控仪、电热带共同控制在（20±1） ℃。

试验采用自制SBR生物反应器（图1），反应器总高 100 cm、内径7 cm、有效容积2 L，排水口位于距反应器底部26 cm处，排水量为1 L，排水比为50%。反应器底部设有曝气头，由空气泵供气，并采用转子流量计将曝气量控制在 0.1～0.3 m3/h （相当于表面气速2.17 cm/s）。人工模拟废水装入配水箱，由小型抽水泵抽吸并从上部进水口打入SBR反应器。排水口位于反应器中间，由电磁阀控制排水。

1.2接种污泥和进水水质

反应器接种污泥取自华东交通大学污水厂MBR反应器曝气池内的普通絮状污泥，接种体积为1 L，占反应器容积的1/2，接种污泥的质量浓度MLSS为2.64 g/L，SVI30=52.51 mL/g。接种污泥完全呈絮状，无颗粒污泥。进水组分见表1，以三水乙酸钠含量（1 700 mg/L）作为COD（800 mg/L），进水溶液微量元素取1 mL/L，投加111 mg/L CaCl2（即40 mg/L Ca2+）、406 mg/L MgSO4·7H2O（即40 mg/L Mg2+）。R1、R2、R3内的C ∶N ∶P值分别按照 100 ∶5 ∶1、100 ∶10 ∶1、100 ∶30 ∶1比例配制人工废水。

1.3试验设计

1.3.1污泥Zeta电位的测定分别取R1、R2、R3的SBR反应器下水位的混合液，以3 000 r/min离心5 min，弃去上清液，再加入与原溶液同体积的去离子水，混合后采用Zeta电位仪对样品进行3次Zeta电位的平行测定，测定结果取平均值[7]。

1.3.2EPS的提取与测定EPS含量采用热提取法测定[8]，多糖（PS）含量采用蒽酮-硫酸法测定[9]，蛋白质（PN）含量采用考马斯亮蓝法测定[10]。

2结果与分析

2.1好氧颗粒污泥的Zeta电位与EPS的变化

由图2可知，R1、R2、R3在整个好氧颗粒培养过程中，微生物分泌大量的胞外多聚物（EPS），成熟颗粒污泥的EPS总含量由接种时的53.27 mg/g MLSS分别增加至312.24、282.42、337.60 mg/g MLSS，各反应器内成熟好氧颗粒污泥EPS总含量的差异不大。随着营养负荷的增加，污泥胞外蛋白（PN）增长迅速，而胞外多糖（PS）含量的增幅不明显[11]。

在进水C/N值为5的条件下，形成的颗粒污泥PN含量从24.16 mg/g MLSS明显增加至223.61 mg/g MLSS，PS含量从接种污泥时的29.11 mg/g MLSS增加至88.63 mg/g MLSS。

运行35 d后，R2、R3中成熟好氧颗粒污泥的PS含量分别为56.72、51.72 mg/g MLSS，PN含量分别为225.70、285.88 mg/g MLSS，进水C/N值为10、30条件下形成的颗粒污泥PN含量均略高于C/N值为5时。PN是影响污泥絮凝最主要的因素，PN具有很多氨基官能团，可中和表面负性电荷，PN的表面电负性和高疏水性可促进颗粒黏附絮凝[12]。

在C/N值为5条件下形成的好氧颗粒污泥的PS含量明显高于C/N值为10、30时，即低C/N值条件下形成的颗粒污泥的PS含量较多。可能的原因为低C/N值条件下微生物生长过快，而细胞在对数生长期分泌的多为与细胞非紧密结合的低分子聚合物，呈疏松状态，附着于颗粒胞外EPS的外层，属于松散附着型EPS（LB-EPS）[13]。组成LB-EPS的物质中，PS的贡献往往最大，由于PS具有一定的亲水性，PS含量过多可能会对污泥的沉降与脱水性造成负面影响[14-15]，并影响该颗粒污泥的结构稳定性。可见，低C/N值会产生过多的PS，不利于好氧颗粒污泥的沉降及其结构稳定性。

在整个培养过程中，随着颗粒化程度的提高和污泥性能的改善，3个反应器中污泥表面的Zeta电位均随PN含量的升高而逐渐降低。开始接种污泥时的Zeta电位为 -28.79 mV；运行16 d后，R1、R2、R3中污泥表面的Zeta电位分别降至-20.99、-21.11、-18.24 mV；培养35 d后，分别降至-17.24、-14.31、-15.86 mV，均具有较好的凝聚特性。Zeta电位的变化过程具有相似性。

由图2可知，污泥的PN/PS值与Zeta电位均呈正相关性，即EPS中PN/PS值越大，则污泥的Zeta电位越低，越有利于污泥的凝聚。R1、R2、R3中的相关系数分别为0.6642、

0.903 5、0.849 2，表明污泥的Zeta电位与PN/PS值密切相关，且R2中的相关度高于R1、R3，R1中的相关度最小。PN/PS值的升高有助于污泥的絮凝沉降，这可能是PN疏水区与PS亲水区共同作用的结果。提高PN/PS值有助于减弱细菌与水分子之间的结合，并促进细菌之间形成菌胶团[16-17]。

本试验R1、R2、R3中的PN/PS值分别由0.83增至 2.52、3.98、5.53。其中，R1中成熟好氧颗粒污泥的PN/PS值最小，颗粒粒径却以大的居多；R3中污泥的PN/PS值最大，小粒径颗粒多于R1、R2。低C/N值条件下，PN/PS值小则微生物代谢产生的PS较多，而具有凝胶特性的PS可促使污泥快速絮凝形成颗粒，且PS含量越多则形成的颗粒越大，松散型胞外多聚物含量越多，污泥沉降性能越差。高C/N值条件下，PN/PS值越大则PN含量越高，污泥疏水性越大，Zeta电位小，污泥之间的排斥力变小，从而促进污泥的凝聚。如果C/N值过大则PN/PS值过大，具有疏水性的PN易使反应器内产生小粒径的颗粒污泥。

2.2好氧颗粒污泥对模拟废水（COD/NH4+-N/TP）的处理情况

在好氧颗粒污泥的培养中，反应器运行过程对污染物的去除情况见图3。

初始反应器的接种污泥取自膜生物反应器，因此培养前期为污泥驯化过程。为保证污泥的正常生长，初始进水COD质量浓度为200 mg/L，随后逐渐提高反应器进水COD质量浓度，由200 mg/L递增至800 mg/L并稳定在此。培养35 d后，R1、R2反应器中COD的去除率基本维持在95%，与刚接种时污泥对COD的去除率相近；R3反应器内污泥对COD的去除率则由97.0%降至85.3%。由图3可知，不同C/N值条件下形成的颗粒污泥对总磷TP去除效果的影响差异不大，去除率可达80%～90%。C/N值越高，形成的颗粒污泥对氨态氮的去除率越低，R1、R2、R3的氨态氮去除率分别为949%、72.3%、43.61%。在C/N=5、10的反应器内，颗粒污泥对COD具有较好的去除效果，去除率分别为96%、98%；C/N=30条件下形成的颗粒污泥对COD的去除率有所降低，仅为85%（图3）。

观察培养过程中各反应器内污泥对污染物的去除趋势，COD、氨态氮、TP等污染物的去除率在初期剧烈下降，这是培养初期水力选择压的作用。沉降性能差的污泥被排出反应器，导致MLSS急剧下降，对污染物的去除率造成一定影响。随着后期污泥浓度的增加，污泥对各污染物的去除率稳步上升。培养16 d后，颗粒污泥处于稳定运行阶段，对污染物的去除能力趋于稳定（图3）。

培养后期的颗粒污泥对TP的去除效果较好，主要原因是颗粒污泥随着培养时间的延长逐渐成熟，粒径增大，内部富集越来越多的聚磷菌，且颗粒结构外部好氧、内部缺氧的氧环境有利于聚磷菌对磷过量摄取与释放，从而达到更好的除磷效果，TP的去除率也随之升高。

3结论

C/N值的大小会影响颗粒污泥的PS含量与PN/PS值。C/N值越大则PN/PS值越大，污泥的絮凝沉降性能越好；C/N值越小则PN/PS值越小，产生的PS越多，但具有凝胶特性的PS有助于污泥凝聚，且过多PS易增加松散型EPS的含量，促使大量大颗粒污泥的产生。可见，低C/N值条件可促进污泥凝聚成颗粒，却不利于颗粒污泥的沉降。

不同C/N值条件下形成的颗粒污泥对TP去除效果的影响差异不大，去除率可达80%～90%。C/N值越高，形成的颗粒污泥对氨态氮的去除率越低，R1、R2、R3的氨态氮去除率分别为94.9%、72.3%、43.61%。在C/N=5、10的反应器内，颗粒污泥对COD具有较好的去除效果，去除率分别为96%、98%；C/N=30条件下形成的颗粒污泥对COD的去除率有所降低，仅为85%。

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