好氧颗粒污泥对有机物吸附性能的影响因素

宋志伟，　王　晶，　李　婷，　易宏云，　陈丹凤

(黑龙江科技大学 环境与化工学院， 哈尔滨 150022)



好氧颗粒污泥对有机物吸附性能的影响因素

宋志伟，王晶，李婷，易宏云，陈丹凤

(黑龙江科技大学 环境与化工学院， 哈尔滨 150022)

为了寻找好氧颗粒污泥系统最佳运行参数，为好氧颗粒污泥在实际废水中的应用提供理论依据，在实验室条件下，采用静态吸附方式，从环境条件、污水特性及好氧颗粒污泥特性三方面探讨了好氧颗粒污泥吸附有机污染物的影响因素及影响程度。结果表明：静态吸附时间为24 h、pH为7.0～9.0、温度为25～35 ℃、搅拌强度为150 r/min、废水质量浓度为1 500 mg/L、污泥粒径为0.3～1.0 mm、污泥质量浓度为3 000 mg/L、EPS含量>195.08 mg/gVSS时，好氧颗粒污泥对有机污染物的吸附性能最优。

好氧颗粒污泥； 有机污染物； 吸附； 影响因素

0　引　言

好氧颗粒污泥因其处理效率高、沉降性能好、抵抗有毒有害物质等诸多优点[1]，成为众多学者的研究热点。好氧颗粒污泥对污染物的降解过程主要为吸附和微生物的生物降解，研究表明，因内部具有多孔的结构[2]，好氧颗粒污泥能吸附多种重金属离子和染料等毒性物质，同时研究了吸附过程的影响因素及其影响程度[3-4]。但关于好氧颗粒污泥吸附废水中有机污染物的影响研究却鲜见报道。对好氧颗粒污泥吸附有机污染物过程的影响因素及影响程度的研究，将有助于好氧颗粒污泥系统操作参数的优化，对促进好氧颗粒污泥处理系统在实际废水中的推广应用具有重要意义。

好氧颗粒污泥对有机污染物的吸附是一个复杂的过程，影响其吸附过程的因素也很多。在好氧颗粒污泥处理废水的体系中，好氧颗粒污泥与其吸附的有机污染物共同组成一个吸附体系，好氧颗粒污泥作为吸附剂，其本身的特性如粒径、胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances，EPS)、Zeta电位等都会对吸附性能产生不同程度的影响；有机污染物作为吸附质，其浓度、组成等都会对吸附性能产生不同程度的影响；静态吸附时间、pH、温度、搅拌强度等环境因素也会影响吸附过程。笔者从环境条件、废水特性和好氧颗粒污泥特性三方面分析影响好氧颗粒污泥吸附有机物的影响因素，探讨各因素对吸附过程的影响程度。

1　实验装置与方法

1.1实验材料

实验用泥的絮状污泥，取自哈尔滨北大荒集团完达山阳光乳业公司污水处理厂接触氧化池活性污泥。污泥呈棕黄色，SVI(污泥体积指数，Sludge Volume Index)为85.95 mL/g，EPS含量为45.46 mg/gVSS。

颗粒污泥采用自制气升式内循环序批式反应器[5](Sequencing Batch Airlift Reactor，SBAR)、前期实验最佳操作条件培养好氧颗粒污泥。最佳操作条件为：温度30 ℃、曝气量为0.32 m3/h、反应器进水5 min、曝气325～340 min、沉淀2～20 min、排水5 min。成熟颗粒污泥SVI为29.73～33.56 mL/g，EPS含量为181.76～197.00 mg/gVSS，粒径分布：大于0.4 mm的颗粒比例为70.81%，其中1.0～2.0 mm的颗粒占44.90%。

实验用水为培养好氧颗粒污泥采用模拟废水，所用药品及用量(mg/L)：葡萄糖 1 500、牛肉膏 75、蛋白胨 112.5、NH4Cl 300、FeSO4·7H2O 30、CaCl2150、K2HPO452.5、KH2PO422.5、MgSO4·7H2O 22.5，微量元素1 mL/L，其中，微量元素组成(mg/L)：H3BO4150，ZnSO4·7H2O 120，MnCl2·7H2O 120，CuSO4·5H2O 30，NiCl250，CoCl2·6H2O 210，KI 30，Na2MoO465。实验所用药品均为分析纯。

模拟废水水质(mg/L)：COD 1 450～1 550，NH+4-N 73～78，TP 5.5～6.5。

1.2实验方法

吸附实验采用静态吸附方式。取400 mg湿污泥离心洗涤，与模拟污水混合加入到250 mL锥形瓶中，定容至100 mL，将其放入恒温振荡反应器中进行吸附实验，吸附达到平衡后，静沉10 min，取上清液测定污水COD浓度。

1.2.1环境条件对有机物吸附性能的影响

分别在好氧颗粒污泥吸附有机污染物的时间为 3、6、9、12、15、18、21、24、27 h 时取样测定COD值；加HCl溶液和NaOH溶液以配制五种不同pH(6、7、8、9、10)的有机废水进行吸附实验；设置五种不同温度(20、25、30、35、40 °C)进行吸附实验；设置恒温振荡培养箱为五种不同的振荡速度(50、100、150、200、250 r/min)进行吸附实验。

1.2.2废水特性对有机物吸附性能的影响

设置0.25、0.5、1.5、2.0、3.0 g/L 五种不同质量浓度的模拟有机废水进行吸附实验；配制苯酚质量浓度为0、50、100、200、300 mg/L的有机废水进行吸附实验；分别配制Hg2+和Cu2+质量浓度为0、50、100、200、300 mg/L的有机废水进行吸附实验。

1.2.3好氧颗粒污泥特性对有机物吸附性能的影响

设置500、1 500、3 000、4 500、6 000 mg/L 五种不同质量浓度的好氧颗粒污泥进行吸附实验；在SBAR反应器运行0.5、1.0、2.0、4.0、5.0 h时取样，获得五种胞外聚合物含量不同的好氧颗粒污泥进行吸附实验；采用湿式筛分法，在磷酸缓冲液(KH2PO4：9.078 g/L；K2HPO4：9.472 g/ L)中让好氧颗粒污泥依次通过孔径为0.3、0.6、1.0、2.0 mm的标准筛，获得粒径不同的五种好氧颗粒污泥进行吸附实验。

1.3分析项目及测定方法

实验中COD、SVI、MLSS、MLVSS均采用文献[6]中标准方法测定；生物相：采用显微镜观察法；EPS的提取采用热处理方法[7]；多糖与蛋白质的测定：多糖(polysaccharide，PS)含量采用硫酸—蒽酮法[8]进行测定，蛋白质(proteins，PN)含量采用考马斯亮蓝法[8]测定。

2　结果与讨论

2.1环境条件对有机物吸附性能的影响

在废水的好氧颗粒污泥处理系统中，环境因素如静态吸附时间、pH、温度、搅拌强度等均会影响好氧颗粒污泥的吸附效率。

2.1.1静态吸附时间

吸附时间即好氧颗粒污泥与废水的接触时间，会直接影响好氧颗粒污泥对有机污染物COD的吸附效率。静态吸附时间t与好氧颗粒污泥对有机污染物COD的吸附率η的关系见图1。

图1　静态吸附时间对COD吸附率的影响

Fig. 1Effect of static adsorption time on adsorption rate of COD

由图1可见，静态吸附时间与COD 吸附率呈正相关，吸附率的增长随时间的增加呈先陡后缓的趋势， 9 h吸附率达到 59.25%，从9到27 h，吸附率仅增大21.39%，说明在9 h时初步达到了吸附平衡，随着好氧颗粒污泥对有机污染物的吸附降解，直至27 h吸附率达到最大。

2.1.2pH值

吸附体系的pH的变化可以改变底物和微生物体内酶蛋白的荷电状态，从而影响有机污染物吸附率。pH与好氧颗粒污泥对有机污染物COD的吸附率的关系见图2。

图2　pH对COD吸附率的影响

由图2可见，pH等于7时，好氧颗粒污泥对有机污染物的吸附率最高，达到85.81%；pH从6到7时，吸附率增长幅度较大；pH大于7时，吸附率降低幅度渐缓，pH为7.0～8.0时，吸附率均大于80%；可见酸性环境对好氧颗粒污泥的影响大于碱性环境。张志等[9]研究显示，pH为7.6时，好氧颗粒污泥对有机物的去除率最高；pH为8.0时，好氧颗粒污泥亚硝化性能最好，pH为8.4时，好氧颗粒污泥的硝化性能和反硝化性能达到最佳状态。因此，好氧颗粒污泥适合在中性偏碱性环境下生存。

2.1.3温度

温度会影响生物吸附剂的性质(生理代谢活动、酶活性、吸附热容等方面)和吸附质溶解度，从而影响吸附率。温度与好氧颗粒污泥对有机污染物COD吸附率的关系见图3。

图3　温度对COD吸附率的影响

由图3可见，30 ℃时好氧颗粒污泥对有机污染物的吸附率最高，可达到85.94%；其余温度下吸附率均有所降低，但在25～35 ℃时，吸附率均能保持在80%以上。实验所用颗粒污泥的培养温度是30 ℃，当温度降低时，微生物种群的活性降低，吸附率降低；温度升高时，污泥的物理吸附量降低，吸附率降低。因此，好氧颗粒污泥吸附有机污染物的最适温度为25～35 ℃。

2.1.4搅拌强度

搅拌强度会影响好氧颗粒污泥与有机污染物的接触程度，影响吸附速度。搅拌强度v与好氧颗粒污泥对有机污染物COD吸附率的关系见图4。

由图4可见，好氧颗粒污泥对有机污染物COD的吸附率随搅拌强度的增加而增大。搅拌强度从50增加到100 r/min时，吸附率增长幅度较大；大于100 r/min后，吸附率增长幅度渐缓，搅拌强度为150 r/min时，吸附率大于80%。

图4　搅拌强度对COD吸附率的影响Fig. 4　Effect of stirring intensity on adsorption rate of COD

2.2废水特性对有机物吸附性能的影响

2.2.1废水浓度

废水中有机污染物质量浓度与好氧颗粒污泥对有机污染物COD吸附率的关系见图5。

图5　废水浓度对COD吸附率的影响

Fig. 5Effect of wastewater concentration on adsorption rate of COD

由图5可见，好氧颗粒污泥对有机污染物COD的吸附率和单位吸附量w均与有机污染物COD质量浓度呈正相关。当COD质量浓度小于1.5 g/L时，随COD浓度的提高吸附率大幅增加；当COD质量浓度为1.5 g/L时，吸附率达到85.94%；COD质量浓度大于1.5 g/L时，吸附率几乎不变。好氧颗粒污泥对COD的单位吸附量随COD浓度的增加大幅增加。有机污染物作为吸附系统中的吸附质，浓度越高，越利于传质推动力的提高，有助于污染物被吸附到颗粒污泥表面；颗粒污泥表面的吸附点位数量有限，吸附能力不尽相同，当污染物浓度较低时，吸附能力强的点位优先吸附，吸附能力差的点位无法吸附污染物，而浓度较高时，吸附能力差的点位也能吸附污染物[10]。

2.2.2有机毒性物质

工业废水成分复杂，大多数工业废水都含有毒性物质，毒性物质会影响好氧颗粒污泥的性能。以苯酚为例研究毒性物质对好氧颗粒污泥吸附率的影响。苯酚浓度ρb与好氧颗粒污泥对有机污染物COD吸附率的关系见图6。

图6　苯酚质量浓度对COD吸附率的影响

Fig. 6Effect of phenol concentration on adsorption rate of COD

由图6可见，好氧颗粒污泥对COD的吸附率与苯酚质量浓度呈负相关，苯酚浓度越高，颗粒污泥对COD的吸附率就越低。对比苯酚质量浓度为0时的COD吸附率，苯酚质量浓度为50、100、200、300 mg/L时吸附率分别下降了16.76%、19.93%、30.51%、48.79%。李萍等[11]研究表明五氯苯酚会抑制微生物活性，改变微生物种群结构，且浓度越大抑制程度越大。因此，随苯酚浓度增大，其对微生物抑制程度加剧，导致微生物失活，吸附率降低。

2.2.3重金属离子

重金属离子是许多工业有机废水的重要组成部分，不同来源的有机废水中所含的重金属离子种类、浓度都不同，以Cu2+和Hg2+为例来考察重金属离子对好氧颗粒污泥对有机污染物COD吸附率的影响，结果见图7。

图7　重金属离子质量浓度对COD吸附率的影响

Fig. 7Effect of heavy metal ion concentration on adsorption rate of COD

从图7可见，好氧颗粒污泥对有机污染物COD的吸附率与重金属离子质量浓度ρz呈负相关。在离子浓度相同时，含Hg2+废水的COD吸附率低于含Cu2+废水，说明Hg2+对好氧颗粒污泥的影响程度比Cu2+更大。这是因为重金属离子对好氧颗粒污泥上的微生物有毒性作用，同种离子毒性随浓度增加而增大，不同种类的重金属离子的毒性作用不同；其次，重金属离子可能会与有机污染物分子之间竞争吸附点位，导致吸附率降低。

2.3好氧颗粒污泥特性对有机物吸附性能的影响

2.3.1污泥浓度

不同浓度的好氧颗粒污泥对有机污染物的吸附率见图8。

图8　污泥质量浓度对COD吸附率的影响

Fig. 8Effect of sludge concentration on adsorption rate of COD

由图8可见，好氧颗粒污泥质量浓度与其对有机污染物COD的吸附率呈正相关性。污泥质量浓度ρw从0.75增加到3 g/L时，吸附率大幅增加，增加了6.85%；污泥质量浓度为3 g/L时，吸附率达75.94%；而当污泥浓度大于3 g/L时，吸附率几乎不变。好氧颗粒污泥浓度与其对污染物的单位吸附量呈负相关性，随浓度的增大，单位吸附量呈先陡后缓的下降趋势。出现这种现象的原因为：污泥浓度较低时，每个颗粒周围有相对较多的污染物分子聚集，污染物分子与污泥的质量比提高，单位吸附量较大；当污泥浓度增加后，聚集在每个颗粒周围的污染物分子就会减少，单位吸附量就会减小[10]。虽然单位吸附量随污泥浓度的增加而减少，但是好氧颗粒污泥总量在增加，因此吸附率仍然随污泥浓度的增加而提高。

2.3.2污泥胞外聚合物

好氧颗粒污泥胞外聚合物含量W对有机污染物吸附率的影响见图9。

图9　污泥胞外聚合物对COD吸附率的影响

由图9可见，EPS含量随着SBAR反应器运行时间的增加而增加，这是由于随着反应器的运行，废水中有机污染物被微生物吸附降解，微生物进入了内源呼吸期，此时微生物处于饥饿状态，将产生大量EPS。图9表明好氧颗粒污泥对有机污染物COD的吸附率与污泥EPS含量呈正相关性，当EPS含量大于195.08 mg/gVSS时，吸附率大于80%。饥饿状态下微生物表面EPS含量增加，成分也发生变化，产生大分子多糖，具有较强的吸附能力，导致吸附率增加[12]。

2.3.3污泥粒径

不同粒径范围好氧颗粒污泥对废水中有机污染物吸附率的影响见图10。

图10　颗粒粒径对COD吸附率的影响

Fig. 10Effect of particle size on adsorption rate of COD

由图10可见，颗粒污泥粒径d为0.3～1.0 mm时，好氧颗粒污泥对有机污染物COD的吸附率较高，最高可达87.77%；而当颗粒污泥粒径小于0.3 mm或大于1.0 mm时，吸附率均有所下降。粒径过小时，可能颗粒上微孔分布较多，而微生物量较少，不利于污染物分子的吸附；而颗粒粒径过大时，比表面积小，传质阻力增大，也不利于吸附。因此，只有颗粒粒径适中(0.3～1.0 mm)时，好氧颗粒污泥吸附性能才能达到最优。

3　结　论

(1)环境条件、废水特性和好氧颗粒污泥特性对好氧颗粒污泥吸附率均有不同程度的影响。废水特性对吸附性能的影响程度最大，污泥特性次之，环境条件的影响程度最小。

(2)COD吸附率与静态吸附时间呈正相关性，27 h吸附率达到最大；酸性环境比碱性环境对COD吸附率的影响显著，pH在7.0～9.0时吸附率较高，说明中性偏碱性环境有利于好氧颗粒对有机污染物的吸附；温度对COD吸附率有影响不显著，25～35 ℃时，吸附率均能保持在80%以上；搅拌强度与COD吸附率呈正相关，当搅拌强度大于150 r/min时，吸附率大于80%。

(3)废水中有机污染物浓度与好氧颗粒污泥对其单位吸附量和吸附率呈正相关，且增长幅度呈先陡后缓的趋势；废水中有机毒性物质和重金属离子的质量浓度与COD吸附率呈负相关性，不同重金属离子对吸附率的影响不同，Hg2+比Cu2+对吸附率的影响程度更大。

(4)好氧颗粒污泥浓度与COD吸附率呈正相关性，与污泥对COD单位吸附量呈负相关性，且变化趋势随污泥质量浓度的增加呈先陡后缓的趋势；污泥胞外聚合物的含量与COD吸附率呈正相关性，当EPS含量大于195.08 mg/gVSS时，吸附率大于80%；污泥颗粒粒径过大或过小都不利于有机污染物的吸附去除，粒径在0.3～1.0 mm时，COD吸附率较高，可达87.77%。

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(编辑徐岩)

Study on influence factors of adsorption performance of organic compounds by aerobic granular sludge

SONGZhiwei,WANGJing,LITing,YIHongyun,CHENDanfeng

(School of Environmental & Chemical Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

This paper is motivated by the need for finding the optimal operation parameters of aerobic granular sludge system, a theoretical basis for application of aerobic granular sludge in wastewater treatment. The study looks at the influence factors and influence degree of adsorption properties of organic pollutants by aerobic granular sludge using static adsorption method from three aspects: the environmental conditions, wastewater characteristics and characteristics of aerobic granular sludge in laboratory. The results show that aerobic granular sludge could provide the optimal adsorption performance of organic pollutants when static adsorption time is 24 h; pH value is 7.0—9.0; temperature is 25—35 ℃; stirring intensity is 150 r/min; wastewater concentration is 1 500 mg/L; the sludge particle size is 0.3—1.0 mm; sludge concentration is 3 000 mg/L; and EPS content is more than 195.08 mg/gVSS.

aerobic granular sludge; organic pollutant; adsorbent; influence factor

2016-06-24

黑龙江省自然科学基金项目(E201461);哈尔滨市应用技术研究与开发计划项目(2015RAXXJ039)

宋志伟(1968-)，女，黑龙江省讷河人，教授，博士，研究方向：污水处理技术及工艺，E-mail：szwcyp@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.04.010

X703.1

2095-7262(2016)04-0396-06

A