好氧颗粒污泥和絮状污泥处理汽车涂装废水对比研究

汪 彪，杨丹丹

（安徽建筑大学 环境与能源工程学院，安徽 合肥 230601）

好氧颗粒污泥是生物处理系统中微生物在适当生活环境下相互聚合，形成传质条件好、生物活性高和降解性能好、耐高有机负荷同时具有硝化和反硝化且不易发生污泥膨胀的一种宏观颗粒状絮凝体，在污废水处理中具有广泛的应用前景[1-7]。絮体污泥是活性污泥的常态，污泥结构比较松散不规则，密度与水接近与好氧颗粒污泥相比在结构和微生物方面存在很大差异，由于具有高效稳定可靠的出水优点被广泛应用于市政和工业废水的处理工艺中[8-10]。汽车涂装废水中含有大量污染物，种类多，成分复杂，且每一种废水水质的成分和浓度因为所使用的的材质不同会产生很大的差异；排放无规律可循，大多数间歇集中排放，水质与水量不稳定且无规律可循[11]。

有相关研究表明，好氧颗粒污泥的处理效果比絮状污泥好也更加节约运行成本[12-13]。对纺织品废水处理好氧颗粒污泥CODcr去除率要高于絮状污泥[14]，但是对处理汽车涂装废水却很少有相关研究报道。本实验通过在SBR（sequencing batch reactor）反应器中培养驯化絮状污泥为参照对比培养驯化好氧颗粒污泥在处理汽车涂装废水的降解性能进行研究。

1 实验材料与方法

1.1 实验装置

该SBR反应器均采用PP-工程塑料制成。反应器高度55 cm，内径10 cm，有效容积为2.5 L。原水经过蠕动泵加压后通过反应器的顶部进入反应器。底部设置一组微孔曝气头用于供气，并通过气体流量计控制曝气量，电磁阀用于控制排水。整个SBR反应器运行过程中的进水、曝气、沉淀、排水的时间都由电控系统时间控制器控制，SBR整个实验装置如图1所示。

图1 实验装置示意图

1.2 试验用水

实验初期（10 d前）采用人工配水模拟废水，蔗糖提供碳源，氯化铵提供氮源，磷酸二氢钾提供磷源，同时控制C∶N∶P质量比为100∶10∶1，常量元素和微量元素成分和浓度如表1。反应器运行10 d后，基本处于稳定状态后开始在人工配水中逐步按比例添加汽车涂装废水，采用逐步提高负荷法培养好氧颗粒污泥。汽车涂装废水取自合肥市某汽车厂一级物化出水其水质指标如表2。

表1 人工配水中化合物的成分与浓度

表2 汽车涂装废水一级物化出水

1.3 接种污泥

试验中接种污泥取自合肥市某污水处理厂曝气池，接种污泥呈黑色，混合液悬浮固体（MLSS）为3.5 mg/L,污泥体积指数（SVI）值为98 mL/g，挥发性悬浮性固体（MLVSS）为2.7 mg/L。

1.4 实验培养优化方案与运行参数

在用于培养驯化絮状污泥R1反应器和培养驯化好氧颗粒污泥R2反应器，两组反应器每天工作6个周期，每个周期4 h，排水流量为2 L，排水流量比为50%，具体运行时间如表3。其他运行条件如下：进水中DO稳定在7 mg/L，调节pH在7.5左右，该反应器不设置污泥回流设置。R2反应器先于R1反应器接种污泥，在反应器中以蔗糖为碳源培养至颗粒污泥达到稳定状态，之后对絮状污泥反应器R1同样以蔗糖为碳源进行培养，在保持两组反应器进水水质相同。当两组反应器污泥成熟后，使两组反应器的污泥浓度达到统一值4.5 g/L，然后开始驯化。每3 d调整一次进水水质，通过对涂装废水不同梯度的稀释来获取，定期监测反应器运行状态和污泥的形态及时做出调整确保反应器稳定运行。不同时期稀释的倍数根据当时所取的汽车涂装废水的有机物浓度确定，进水COD的浓度由刚开始的80 mg/L逐渐提升至驯化末期的500 mg/L。

表3 R1和R2反应器运行时间/min

1.5 分析项目和方法

CODcr：重铬酸钾分光光度法；NH4+-N:纳氏试剂分光光度法；DO:DO检测仪；pH:pH检测仪；PO43-:钼锑抗分光光度法；MLSS和MLVSS:重量法；SVI:标准法；所有指标均采用国家标准方法[15]。

污泥中EPS提取采用热提取法[16]，取10 mL活性污泥混合液，在4 000 r/min离心5 min，弃去上清液，以硫酸盐缓冲液补足体积，在80℃水浴中提取30 min后，5 000 r/min离心30 min，取上清液经过0.22μm滤膜过滤。提取液体中蛋白质（PN）采用马斯亮蓝法测定，多糖（PS）采用苯酚硫酸法测定。

2 结果与讨论

2.1 对细胞外聚合物(EPS)含量分析对比

胞外聚合物（EPS）是微生物代谢中分泌的具有粘性的物质,主要由蛋白质（PN）和多糖（PS）组成，是活性絮体污泥、颗粒污泥、生物膜的重要组成成分，对生物聚集体的形成与结构维持具有重要作用[17-19]。由于EPS具有粘附性对污泥粘度有较大的相关性[20]，并且粘度随着EPS的含量的增加而增加污泥絮体的絮凝能力也会增强，小的絮凝体更加容易聚集成大的絮凝体[21-22]，因此对颗粒污泥形成具有增强作用[23]。有相关研究表明PN具有电负性和疏水性，能够改变污泥的表面性质，促进颗粒的形成。PS可以调节细胞的内聚力和黏附力，在污泥颗粒化过程中对维持污泥结构的完整性起着至关重要的作用[24]。PN/PS代表颗粒的稳定性，PN/PS越高，意味着颗粒沉降性和稳定性越好。但研究结果分歧明显，争议为EPS的主要成分—PS和PN，因此对EPS组分的深入研究有助于了解颗粒污泥形成机理。

从图2和图3可以明显的看出两组反应器的EPS的含量都呈现上升的趋势。主要原因是细菌在不适应的环境中分泌更多的PS和PN来保护自己。好氧颗粒污泥分泌的EPS的含量明显高于絮状污泥分泌的EPS含量，好氧颗粒污泥中EPS的总量范围在54～70 mg/g VSS（以单位质量挥发性悬浮固体（VSS）中的EPS质量记）之间，絮状污泥中EPS的总量范围在36～52 mg/g之间，也就说明了好氧颗粒污泥的抗有机负荷能力比絮状污泥抗有机负荷的能力要强。反应器R1在45 d达到最大值67 mg/g，反应器R2在40 d达到最大值53 mg/g。其中R1反应器中的EPS由培养初期的54 mg/g增加到67 mg/g，由此可见EPS有利于细胞之间的凝聚性以及维持颗粒之间的稳定性。45 d时R1反应器EPS含量开始出现下降趋势，污泥EPS的积累会影响污泥的沉降性和稳定性产生不利影响[25]，一部分蛋白质和多糖在基质饥饿期被消耗，使得EPS含量降低[26]。

图2 R1反应器胞外聚合物及其组分变化

图3 R2反应器胞外聚合物及其组分变化

10 d后随着汽车涂装废水按一定的比例添加R1和R2反应器中EPS的含量还是呈现上升的趋势，R1反应器中PN和PS相差不大，R2反应器中PN为PS的2.86倍，这也就表明了汽车涂装废水对好氧颗粒污泥和絮状污泥没有明显的抑制作用。R1反应器中PN/PS基本呈现下降趋势，R2反应器PN/PS处于先上升后下降的趋势，可能的原因是有机负荷的增加对污泥的稳定性的影响，明显好氧颗粒污泥的稳定性要比絮状污泥的稳定性要强。同时两组反应器中PN在絮状污泥和好氧颗粒污泥中占优势地位，可能主要原因是颗粒污泥形成过程中主要与蛋白质内核有关。PN中大部分由胞外酶组成，主要参与微生物的聚集体水解活动[27]，同时PN具有很多氨基官能团可中和表面负电荷促进颗粒黏附絮凝，是影响污泥絮凝的最重要的因素[28]，因此反应器R1、R2中PN的含量大致不断增加，对颗粒污泥结构的维持具有关键作用。有研究通过比较正常污泥、膨胀污泥、解体污泥中EPS的组成及其含量发现正常污泥的EPS含量最低，蛋白质占EPS的主要组分[29]。

2.2 污染物去除效果

2.2.1 化学需氧量（CODcr）的去除效果分析对比

两组反应器中的好氧颗粒污泥和絮状污泥对汽车涂装废水的CODcr去除情况如图4所示。

图4 CODcr的去除效果

从图4可以看出，好氧颗粒污泥对CODcr去除效果明显比絮状污泥对CODcr的去除效果要好。刚开始的时候两者的去除率都比较低只有67.4%左右，可能原因是此时两者都处于适应期，也有可能是反应器中污泥没有完全成熟。10 d开始在人工模拟的废水中逐步按比例添加涂装废水进行污泥的驯化从图4中可以看出好氧颗粒污泥在适应涂装废水能力比絮状污泥要强得多，主要原因是因为好氧颗粒污泥具有很强的耐有机负荷能力。45 d左右，两组SBR反应器进水基本上全为汽车涂装废水，两组反应器基本适应了汽车涂装废水的水质，整个反应器运行稳定并且好氧颗粒污泥去除率都比絮状污泥平均高8.5%左右。

2.2.2 对氨氮(NH4+-N)的去除效果分析对比

从图5可看出两组反应器对氨氮(NH4+-N)都有比较高的去除率，好氧颗粒污泥对氨氮的平均去除率在92.6%左右，絮状污泥对氨氮的去除率平均在91.0%左右。15 d好氧颗粒污泥和絮状污泥对氨氮的去除能力相当，去除率都在92.1%左右，随后一段时间去除率稍微降低可能是因为随着污泥负荷的增加影响了亚硝化菌落的活性，使得氨氮的氧化速率下降，从而导致氨氮的去除率降低。当进水全为汽车涂装废水时，好氧颗粒污泥和絮状污泥依然保持较高的的去除效果并且好氧颗粒污泥比絮状污泥去除率平均高1.2%左右。

图5 氨氮(NH4+-N)的去除效果

2.2.3 对PO43--P的去除效果分析对比

随着进水中汽车涂装废水占比的提高，R1和R2两组反应器对PO43--P的去除效果对比如图6所示。结果表明，两组反应器对PO43--P的去除效果无明显差异。在驯化初期，去除效果都比较低只有65.3%左右。可能一方面是两组反应器都处于汽车涂装废水的适应期，另一方面可能是污泥已经足够成熟了，生长速度缓慢，没有定期排泥导致初期除磷效果比较低。20 d后，好氧颗粒污泥表现出略微的降解优势，最后两组反应器对PO43--P的去除率稳定在72.5%左右。生物除磷的机理是利用在好氧、厌氧交替条件下培养出的聚磷微生物，在厌氧段有机物通过微生物的发酵作用产生挥发性脂肪酸（VFAs）为生物脱氮除磷提供碳源[30-31],聚磷菌（PAO）将VFAs摄入细胞，转化为内贮物并将磷以正磷酸盐的形式释放到污水中。在好氧阶段，聚磷微生物从污水中吸收过量的正磷酸盐，合成新的细胞形成富磷污泥，通过排出剩余污泥达到除磷的目的。本实验两组SBR反应器基本都处于曝气阶段，没有厌氧好氧交替的环境条件，不利于聚磷微生物的生长[32]。同时长时间的曝气会使得好氧菌和PAO产生竞争，颗粒内部优势菌落发生变化。以及排出污泥中带走了部分的PAO，使得PAO的含量将大大减少会导致PO43--P的去除率下降[33]。

图6 PO43--P的去除效果

3 小结

好氧颗粒污泥和絮状污泥在降解汽车涂装废水时，R2反应器所分泌的EPS的含量明显高于R1反应器且两者中PN占主要比重，说明颗粒污泥形成过程中主要与蛋白质内核有关，降解的性能也明显比絮状污泥降解的效果更好。汽车涂装废水对于好氧颗粒污泥和絮状污泥颗粒化进程没有明显的抑制作用,同时好氧颗粒污泥对汽车涂装废水的CODcr去除率高于絮状污泥，而对NH4+-N、PO43--P的去除效果差别不大基本保持一致。