A/O运行模式下好氧颗粒污泥培养及处理效能的研究

苏 雷

(沈阳城市建设学院 市政与环境工程学院， 辽宁 沈阳 110168)

好氧颗粒污泥技术是近些年污水处理领域的研究热点之一[1]。与絮状污泥相比，颗粒化的好氧污泥具有以下优点[2-3]：提高污泥浓度和曝气池的容积负荷，减少占地面积；生物相更加丰富，污泥龄增加，同时颗粒内外存在厌氧-缺氧-好氧环境，对N、P等污染物的去除能力提高；颗粒结构密实，沉降性好；耐冲击负荷和毒性物质能力强。因此，好氧污泥颗粒化是活性污泥法的重大改进[4]。

目前，关于好氧颗粒污泥的培养条件、形成机理和微生物相等已有相关报道[5-7]，并取得了一定的进展，但好氧颗粒污泥技术对城市污水的处理研究还较少[8]，尚处于起步阶段。Di等[4]研究好氧颗粒污泥在高有机负荷下对城市污水的处理，出水COD浓度小于50 mg/L。迟寒等[9]采用在实验室条件下培养的好氧颗粒污泥，对实际生活污水的有机物和氨氮的处理效果做了初步研究。卢姗等[10]以厌氧/好氧交替运行方式，对好氧颗粒污泥稳定性以及去除有机物、氮和磷的效果进行了研究。任祎博等[11]分别在SBR和SBAR两种反应器中培养好氧颗粒污泥，对比研究了颗粒污泥处理城市污水的能力。然而，好氧颗粒污泥技术的研究还不够成熟，制约了其推广应用。为此，笔者在SBR反应器中接种成熟颗粒污泥并以厌氧/好氧运行模式进行培养，研究好氧颗粒污泥形成过程中的性质变化及好氧颗粒污泥SBR系统处理城市污水的效果，以期为促进好氧颗粒污泥技术的工程化推广提供参考和借鉴依据。

1 材料与方法

1.1 试验装置与运行

试验所用的柱状间歇式反应器由有机玻璃圆筒制成，反应器有效高度为110 cm，有效容积为7 L，内径为9 cm，反应器底部设有排泥口和放空口，侧面设有等间距为11 cm的5个出水口。反应器内配有曝气砂头，供微生物呼吸作用，同时起到提供剪切力和搅拌作用，试验装置见图1。

图1 试验装置Fig.1 Schematic diagram of testing device

曝气方式采用空气压缩机供气，通过微电脑时控开关控制SBR反应器进水、厌氧、曝气、沉淀、出水的时间，实现自动控制，外部设有循环热水浴作保温。反应器每天运行2个周期，其余时间闲置，具体运行参数根据试验要求再做调整。

1.2 试验用水与接种污泥

为了便于试验操作的控制,培养阶段的试验用水为人工模拟废水，按照营养比例C ∶N ∶P=100 ∶5 ∶1配制，并在每升配水中添加1.0 mL微量元素，用碳酸氢钠调节pH值为7.0～8.0。微量元素成分为：FeCl3·6H2O 1.30 g/L，MnCl2·2H2O 0.12 g/L，ZnSO4·7H2O 0.12 g/L，CoCl2·6H2O 0. 15 g/L，CuSO4·5H2O 0.30 g/L，KI 0.18 g/L。

接种污泥为成熟好氧颗粒污泥和絮状活性污泥的混合物，所占比例分别为20%和80%。成熟好氧颗粒污泥取自实验室自行培育颗粒污泥，呈淡黄色球形或椭球形的颗粒，粒径约为1.0 mm，MLSS为2 000 mg/L，SVI值为38.01mL/g；絮状活性污泥取自抚顺市三宝屯污水处理厂二沉池的回流污泥，MLSS为3 000 mg/L，SVI值为80 mL/g。

1.3 分析项目和方法

2 结果与讨论

2.1 好氧颗粒污泥性质变化

2.1.1颗粒污泥的外部形态变化与显微观测

SBR反应器以实验室培养成熟的好氧颗粒污泥为接种污泥，为保证SBR反应器混合液浓度与稳定运行，反应器内添加部分絮状污泥使混合液浓度为5 000 mg/L。在常温条件下，SBR反应器采用厌氧/好氧的运行模式，每天运行2个周期，其余时间闲置，按照进水5 min、厌氧90 min、曝气240 min、沉降3～10 min(根据试验要求调控)和排水5 min，交换比为60%，对好氧颗粒污泥进行培养。随着颗粒污泥不断的形成与生长，好氧颗粒污泥的外部形态发生变化，见图2。

图2 好氧颗粒污泥的外部形态变化Fig.2 The external formation and evolution of aerobic granular sludge

由图2可以看出，反应器运行15 d时，棕褐色的絮状污泥全部变成淡黄色细砂状的小颗粒污泥，粒径约为0.3 mm。运行25 d左右时，小颗粒污泥进一步增长成轮廓清晰且肉眼可见的颗粒污泥，粒径可高达1.25 mm，呈球形或椭球形。30 d时，好氧颗粒污泥生长缓慢，已趋于稳定，粒径为0.5～1.25 mm。好氧颗粒污泥在较短的时间内形成，主要原因一方面在于接种的成熟好氧颗粒污泥，提高了反应器内污泥的沉降性能，减少了生物量的流失，进而加快了污泥颗粒化的形成；另一方面，微生物自身所具有的絮凝吸附特质，在成熟颗粒污泥的催促下加快了自凝聚过程。这与熊光城等[13]的研究结果一致。

反应器运行30 d时取样，在显微镜下观察发现颗粒污泥周围出现累枝虫和钟虫等原生动物、红斑瓢体虫等后生动物。通过SEM观察，颗粒污泥表面微生物主要为球菌和杆菌，见图3。

图3 成熟好氧颗粒污泥表面微生物Fig.3 Microbes on the surface of mature aerobic granular sludge

2.1.2颗粒的污泥浓度与沉降性变化

好氧颗粒污泥SBR系统启动时设定沉降时间为10 min，随后根据试验要求有所调整，其他条件均不变，MLSS和SVI含量变化见图4。

图4 MLSS和SVI含量变化Fig.4 Changing curves of MLSS and SVI of content

由图4可以看出，反应器启动时混合液浓度为5 000 mg/L，絮状活性污泥在充足的营养物质下迅速繁殖，混合液浓度增加至5 685 mg/L。为了加快颗粒污泥的形成，沉降时间从10 min减少为3 min，沉降性差的絮状污泥随水流流出，致使反应器内混合液浓度迅速下降为3 890 mg/L，截留沉降性好的颗粒污泥有助于颗粒污泥的形成。随着颗粒污泥的形成与生长，反应器内混合液浓度逐渐升高最后稳定在4 812～5 280 mg/L。启动时，反应器内絮状污泥所占的比例较大，其繁殖速度快于颗粒污泥的形成生长速度，造成反应器内污泥沉降性变差，SVI值升高，第7 d时沉降时间缩短，截留下沉降性能好的颗粒污泥和部分絮状污泥，使得污泥的沉降性有所改善，SVI值从60.53 mL/g下降为23.21 mL/g，最后稳定在16.81～20.95 mL/g。好氧颗粒污泥SBR反应器启动成功。

2.1.3培养阶段颗粒污泥的处理效果

图5 培养阶段和TN出水浓度的变化Fig.5 Changes of COD, and TN in effluent in culture process

2.2 对有机物的去除效果

好氧颗粒污泥SBR反应器启动成功后，为了保证系统的稳定运行，并未直接处理实际污水，而是继续以人工模拟污水运行15 d后，向SBR反应器内先注入50%实际污水，随后逐渐提高实际污水量所占比例。进水COD为185.19～460.31 mg/L，氨氮为20.07～43.33 mg/L，总氮为32.07～55.87 mg/L时，在厌氧/好氧运行模式下，控制反应器温度为22～25℃，曝气量为2 L/min，沉降时间为3 min，排水比为60%。经过60 d运行，好氧颗粒污泥SBR反应器对COD的去除效果见图6。

图6 SBR反应器对COD的去除效果Fig.6 Removal rate of COD by SBR

由图6看出，有机物的去除效果较好且出水稳定，出水COD一般为30.24～49.21 mg/L，平均去除率为86.11%。15 d时，实际污水量的添加使得反应器进水水质开始发生变化，随着反应器内实际污水量不断提高，去除率明显不如模拟污水。这是因为人工合成污水是易降解的简单有机物而且成分单一，容易被微生物吸收分解，而实际污水中的有机物成分复杂，存在不能被微生物降解的难溶物。但从整体运行看，对去除效果的影响不是很大，出水COD均小于50 mg/L，达到排放标准。颗粒污泥是由细菌、真菌以及原/后生动物多类微生物富集的聚集体，通过微生物吸食降解有机物将其转化为自身组成成分及代谢产物，同时不同种群间相互依存，继续降解利用微生物产生的代谢产物，稳定提高了系统出水水质。此外，底物基质通过颗粒污泥的孔道进入颗粒污泥内层继续发生微生物新陈代谢作用。因此，颗粒污泥富有的微生物种群结构加强了系统的稳定性，增加了抗冲击负荷和降解有机物能力。

2.3 对氨氮的去除效果

由图7可看出，出水氨氮浓度为0.235～7.54 mg/L，平均去除率为90.38%，满足排放要求。15 d时，实际污水的添加引起水质氨氮浓度变化明显，当进水浓度变高时，出水也略有升高，这可能由于颗粒污泥富集的硝化菌[14]是好氧型微生物，曝气量为2 L/min不能满足细菌对突然增高的氨氮的降解要求。因此，在氨氮浓度过高时可适当增加曝气量，提高对氨氮的处理效果。

图7 SBR反应器对氨氮的去除效果Fig.7 Removal rate of ammonium nitrogen by SBR

2.4 对总氮的去除效果

由图8可看出，出水总氮浓度稳定在3.27～11.97 mg/L，平均去除率为82.09%。好氧颗粒污泥同步硝化反硝化发生在好氧段，颗粒污泥的致密结构以及较大粒径是氧的传质限制因素，颗粒污泥由外向内分有好氧层、缺氧层和厌氧层。每层的优势菌分别为硝化菌、反硝化菌和聚磷菌[15-16]，TN首先被微生物降解为氨态氮，再由外层氨氧化菌(AOB)和内层亚硝酸氧化菌(NOB)代谢作用转化为亚硝态氮和硝态氮，然后通过缺氧层的反硝化菌发生脱氮反应，产生的氮气通过颗粒污泥内的孔道排除体外，从而实现同一颗粒中的硝化和反硝化作用，使系统对总氮具有较好的处理效果。

图8 SBR反应器对总氮的去除效果Fig.8 Removal rate of total nitrogen by SBR

3 结论

① 以厌氧/好氧交替运行的SBR反应器，采用接种成熟的好氧颗粒污泥，并添加部分絮状污泥使得混合液浓度为5 000 mg/L，对颗粒污泥进行培养。运行15 d时，棕褐色的絮状污泥全部变成呈淡黄色的细砂状小颗粒污泥，粒径约为0.3 mm。30 d后，小颗粒逐渐生长为成熟大颗粒，粒径一般为0.5～1.25 mm，颗粒污泥表面出现累枝虫、钟虫等原生动物和红斑瓢体虫等后生动物。

③ 在厌氧/好氧交替运行模式下，历经90 d运行的好氧颗粒污泥SBR系统，当进水COD、氨氮和总氮分别为185.19～460.31、20.07～43.33和32.07～55.87 mg/L时，出水分别为30.24～49.21、0.235～7.54和3.27～11.97 mg/L，平均去除率分别为86.11%、90.38%和82.09%，出水水质均满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准。因此，好氧颗粒污泥对污染物具有很好的去除效果。