0371-60972711
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2018-01-24 09:07:41 來源： 點擊：
1 引言好氧顆粒污泥具有沉降性能好、生物量高且微生物多樣性豐富、抗沖擊負荷能力強及不易發(fā)生污泥膨脹等優(yōu)勢，近年來針對其研究和應用日益增多.好氧顆粒污泥技術在2003年首次得到實際工程應用后，至今在全球已有超過40例工程運用，中國浙江等地區(qū)也已開展規(guī)模化運行并取得較好的污染物去除效果.
好氧顆粒污泥技術的推廣主要受培養(yǎng)周期過長制約，好氧顆粒污泥的形成過程較為復雜，其主要原因在于好氧顆粒污泥的形成機理尚未得到闡明，且污泥顆粒化的影響因素較多，主次不明確.現(xiàn)階段學者研究較多的影響因素有：進水組分和濃度、剪切力、沉降時間、胞外聚合物、溶解氧、金屬離子等.成熟好氧顆粒污泥的形成受眾多影響因素的綜合作用，不同的影響因素對顆粒形成均會產(chǎn)生一定作用，但是否是污泥顆粒化的關鍵性因素仍存較大的不確定性，尚需深入研究.
關于好氧顆粒污泥培養(yǎng)過程中影響因素的分析目前大多集中在單一培養(yǎng)方式下，所得到的結(jié)論只適用于已選定的培養(yǎng)方式，不同培養(yǎng)方式下最大關聯(lián)因素不同，不具備普遍適用性，且目前研究中關于不同培養(yǎng)方式下各影響因素主次關系對比的研究較少.利用灰色關聯(lián)度分析可以將復雜的多因素進行優(yōu)化，進而簡化成一個因素的灰色關聯(lián)度.通過灰色關聯(lián)度理論可以較準確、較完整地預測絮狀污泥顆粒化過程中，不同影響因素對污泥顆粒化影響的重要程度.Zhu等利用灰色關聯(lián)度分析發(fā)現(xiàn)，在人工配水培養(yǎng)方式下有機負荷、剪切力和沉降時間是影響好氧顆粒污泥形成的關鍵性因素.Xie等通過灰色關聯(lián)度計算發(fā)現(xiàn)，好氧顆粒污泥的沉降性能、胞外聚合物含量和生物量在吸附重金屬過程中發(fā)揮重要作用.
本文分別采用人工配水培養(yǎng)、海藻酸鈉強化培養(yǎng)、農(nóng)村模擬污水培養(yǎng)的方式馴化好氧顆粒污泥，研究絮狀污泥顆粒化過程中各指標的變化規(guī)律.通過灰色關聯(lián)度分析對比3種不同培養(yǎng)方式下，培養(yǎng)過程中各影響因素的關聯(lián)度系數(shù)，篩選不同培養(yǎng)方式下最大關聯(lián)因素，這對好氧顆粒污泥快速、穩(wěn)定、高效培養(yǎng)具有重要意義.
2 實驗部分
2.1 反應器運行
使用3組相同的序批式反應器培養(yǎng)好氧顆粒污泥，R1為實驗室人工配水培養(yǎng)，R2為海藻酸鈉強化培養(yǎng)，R3為農(nóng)村模擬污水培養(yǎng).SBR反應器有效高度100 cm，直徑10 cm，有效體積4 L.運行周期4 h，包括進水60 min，沉淀時間由15 min逐漸縮短到3 min，排水5 min，其余為曝氣時間.接種污泥取自無錫市某污水處理廠生化池.
R1為實驗室人工配水培養(yǎng)，經(jīng)大量文獻查閱確定的進水COD、C/N比和C/P比均有利于好氧顆粒污泥的形成，水質(zhì)接近雨污分流后城鎮(zhèn)生活污水.污水污染物：COD 600 mg·L-1，NH4+-N 60 mg·L-1，PO43--P 16 mg·L-1.配水組分：NaAc 8560 mg·L-1，NH4Cl 2240 mg·L-1，MgSO4·7H2O 1804 mg·L-1，K2HPO4 735 mg·L-1，KCl 350 mg·L-1，KH2PO4 288 mg·L-1.
R2模擬污水污染物含量與R1相同，在R1的基礎上投加海藻酸鈉顆粒，海藻酸鈉是一種常見的天然多糖類物質(zhì)，具有較好的黏性和穩(wěn)定性.同時，海藻酸鈉也存在于細菌的胞外多糖中，可以促進活性污泥絮體的形成及加快生物膜的產(chǎn)生.顆粒制備方法如下：0.67 g·L-1 MgCl2溶于3%海藻酸鈉溶液中配制成A液，1.07 g·L-1CaCl2(過量)溶于100 g水中配制成B液.將B液放在磁力攪拌器上，用針管吸取A液，勻速滴加至B液中，低溫中速攪拌24 h，倒掉上清液即得海藻酸鈉顆粒，將所得到的海藻酸鈉顆粒分6個周期投加到R2中.
R3為模擬分散型農(nóng)村污水，各污染物含量為：COD 130~320 mg·L-1，NH4+-N 50~65 mg·L-1，PO43--P 3~14 mg·L-1.
2.2 胞外聚合物(EPS)提取
取一定量(30 mL)污泥混合液，用50 W超聲功率作用污泥懸浮液2 min，破壞單細胞和微生物菌落的絮體結(jié)構以使其形成均質(zhì)狀態(tài)(超聲強度不宜過強，否則容易導致細胞解體)，加入180 μL甲酰胺并于4 ℃條件下提取1 h，再加入1 mol·L-1 NaOH溶液12 mL于4 ℃條件下提取3 h，所得混合液置于離心管中，在4 ℃、10000 r·min-1條件下離心20 min，所得上清液用0.2 μm濾膜過濾，即得污泥EPS樣品.提取后的蛋白質(zhì)使用考馬斯亮藍法測定，多糖采用硫酸-蒽銅法測定.
2.3 灰色關聯(lián)度分析
采用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行灰色關聯(lián)度計算分析，選取進水COD、水力停留時間(HRT)、胞外聚合物含量(EPS)、污泥有機負荷(OLR)4個影響因素進行計算.灰色關聯(lián)系數(shù)和灰色關聯(lián)度由公式(1)和式(2)計算得到.
式中，ξ0i(j)和ε分別表示灰色關聯(lián)系數(shù)和灰色關聯(lián)度;△0i、△min和△max分別代表參考序列與比較序列之差的絕對值、參考序列與比較序列之差的絕對值中的最小值和最大值;ρ為分辨系數(shù)，取值范圍為0≤ρ≤1，通常取ρ=0.5;i和j分別代表參考序列數(shù)和因子數(shù).
2.4 分析方法
試驗中水質(zhì)指標COD、氨氮測定方法參照《水與廢水檢測分析方法(第四版)》測定.
3 結(jié)果與討論
3.1 人工配水培養(yǎng)好氧顆粒污泥
隨著反應器運行，R1在40 d出現(xiàn)成熟好氧顆粒污泥.培養(yǎng)出的好氧顆粒污泥為淡黃色密實球體，粒徑約4 mm.較培養(yǎng)初期，反應器中生物量濃度增幅明顯，從初始的3 g·L-1增長到8 g·L-1.污泥沉降性能較好，SVI持續(xù)降低最終穩(wěn)定在50 mL·g-1左右.
3.1.1 污染物去除
污泥顆粒化過程中COD去除效果如圖 1a所示，在反應器運行前期COD去除率較低，維持在80%左右.其原因一方面在于活性污泥被接種至新的環(huán)境，污泥微生物尚未適應而表現(xiàn)出活性迅速降低;另一方面是由于初始階段大量污泥被排出反應器，停留在反應器中的微生物量較少.隨著污泥顆粒化的推進，微生物活性逐漸恢復、生物量不斷增長，對COD的去除率逐步升高，去除率可以達到85%以上.當成熟好氧顆粒污泥形成后，COD去除率可以穩(wěn)定維持在85%左右，反應器出水COD低于50 mg·L-1，優(yōu)于中國污水處理廠出水一級A標準.
污泥顆粒化過程中NH4+-N去除效果如圖 1b所示，反應器運行初期，氨氮的去除率維持在60%左右且波動性較大.主要是由于初始階段大量污泥被排出，導致生物量減少，對微生物的硝化活性造成一定程度的影響，氨氮去除效能低.隨著生物量的增加，同時微生物逐漸適應運行環(huán)境，氨氮的去除率逐漸升高，最終可以達到90%左右.出水氨氮濃度維持在5 mg·L-1左右，基本可以達到一級A排放標準.相較于COD去除率穩(wěn)定的增長，氨氮去除率增長過程中波動性較大.主要原因在于經(jīng)過一段適應時間后，各類微生物菌群相互影響、競爭，但運行過程中的高曝氣量有利于硝化細菌的增長，使硝化細菌逐步成為反應器內(nèi)優(yōu)勢菌種，在后期運行過程中氨氮去除率維持較高水平.
好氧顆粒污泥中微生物多樣性豐富，成熟顆粒中含有大量聚磷菌，在厭氧環(huán)境下聚磷菌利用進水中碳源合成能源物質(zhì)，好氧環(huán)境下利用儲存在其細胞內(nèi)的物質(zhì)作為能源，發(fā)揮其超量吸磷的作用，實現(xiàn)對磷的高效去除.培養(yǎng)前期，反應器中絮狀污泥占較大比例，同時接種污泥在除磷藥劑的長期馴化下聚磷菌活性較弱，導致前期磷的去除效果較差(圖 1c).反應器運行至30 d后，磷的去除效能逐步提升，去除率可以達到50%以上.隨著運行過程中對反應器中SRT的嚴格控制，反應器定期排泥，磷酸鹽的去除效果得到進一步的改善，可以接近80%.可以看出，相較于絮狀污泥，成熟好氧顆粒污泥的生物除磷能力具有顯著優(yōu)勢.
3.1.2 胞外聚合物變化
胞外聚合物具有粘附性而被認為在好氧顆粒污泥的形成過程中發(fā)揮重要作用，微生物細胞EPS的累積與生物吸附和微生物聚集密切相關.如圖 2所示，在絮狀污泥顆粒化過程中，多糖(PS)含量基本保持不變，維持在6 mg·g-1(以MLSS計)左右，蛋白質(zhì)(PN)含量從38 mg·g-1增加到11.2 mg·g-1.蛋白質(zhì)的增量遠遠高于多糖的增量，蛋白質(zhì)增量占EPS增量的90%以上.表明EPS內(nèi)蛋白質(zhì)類物質(zhì)含量增加是絮狀活性污泥顆粒化的重要因素，其作為EPS內(nèi)的主要成分，有利于保持顆粒污泥的穩(wěn)定性.PN/PS比值從0.7逐漸增加到1.7，在40 d左右顆粒污泥初步形成時PN/PS比值出現(xiàn)快速增長，PN/PS比值的增加有利于顆粒污泥的穩(wěn)定性提高.
3.2 海藻酸鈉強化培養(yǎng)好氧顆粒污泥
在3.1節(jié)培養(yǎng)方式的基礎上，通過投加少量海藻酸鈉加快好氧顆粒污泥培養(yǎng).反應器運行20 d左右，出現(xiàn)成熟好氧顆粒污泥，理化特性與正常培養(yǎng)好氧顆粒污泥接近無明顯差異.
3.2.1 污染物去除效果
反應器運行初始階段，R2中COD的去除效果略低于R1，經(jīng)過一段時間后，COD去除率迅速增長到80%以上且增長穩(wěn)定(圖 3a).最終當污泥顆粒化完全后，兩者對污染物去除效果差異較小.R2對氨氮的去除率變化與R1基本相似，在反應器運行初期，氨氮的去除率出現(xiàn)降低現(xiàn)象，只能到達40%左右(圖 3b).隨著生物量的增加，同時微生物逐漸適應運行環(huán)境，氨氮的去除率逐漸升高，最終可以達到80%左右.
R2對磷酸鹽的去除變化趨勢基本與R1相似，但相較于R1，投加海藻酸鈉后各階段對磷酸鹽的去除率波動變化較小(圖 3c).主要由于投加海藻酸鈉后，反應器中有適宜微生物附著的載體，有利于菌群的富集進而緩解外界環(huán)境變化對微生物活性的沖擊，污染物去除效果穩(wěn)定.
3.2.2 胞外聚合物變化
如圖 4所示，相較于接種污泥，R2中成熟好氧顆粒污泥的EPS出現(xiàn)大幅增長，且增量主要體現(xiàn)在蛋白質(zhì)的增長上，多糖含量前期有一定程度的增高，之后略有下降.PN/PS比值也從0.7增加到3.3.對比R1和R2，R1中EPS含量增長約10 mg·g-1(以MLSS計)，R2中EPS含量增長約30 mg·g-1(以MLSS計)，表明海藻酸鈉對微生物的活性和生長具有促進作用，EPS中蛋白質(zhì)類物質(zhì)含量增加明顯，占EPS增量的80%以上.EPS內(nèi)蛋白質(zhì)類物質(zhì)含量增加是絮狀活性污泥顆粒化的重要原因，有利于保持顆粒污泥的穩(wěn)定性.此外，研究表明，PN亦可通過靜電作用降低細胞表面電荷，細胞間排斥力的減小促進了污泥小顆粒的聚集.此外，蛋白質(zhì)中氨基酸的疏水性基團在微生物凝聚中也發(fā)揮重要作用，同步促進了小顆粒的凝聚.與R1中多糖含量基本保持不變不同，R2中多糖含量前期出現(xiàn)快速增長，從5 mg·g-1(以MLSS計)增長到15 mg·g-1(以MLSS計).隨著反應器的逐步運行，多糖的含量逐步降低到初始水平.R2中出現(xiàn)多糖先大幅增加后逐漸減小的現(xiàn)象，其主要原因在于：①在反應器運行過程中，有一部分海藻酸鈉顆粒混雜在污泥中一起被作為提取EPS的樣品，造成多糖含量增加;②海藻酸鈉作為一種多糖類物質(zhì)可以被微生物利用，使得R2中多糖含量減少.
3.3 農(nóng)村污水培養(yǎng)好氧顆粒污泥
利用農(nóng)村污水對好氧顆粒污泥進行培養(yǎng)，反應器運行至第55 d時絮狀活性污泥基本實現(xiàn)顆粒化.成熟的好氧顆粒污泥呈金黃色，形狀規(guī)則表面較光滑，絕大部分顆粒粒徑在1.5~2.5 mm之間.反應器內(nèi)生物量顯著增加至5.7 g·L-1，SVI從反應器啟動階段的124.6 mL·g-1下降到41.9 mL·g-1并趨于穩(wěn)定.
3.3.1 污染物去除效果
R3運行初始階段，由于活性污泥沉降性能較差，大量活性污泥被沖出反應器，導致污泥生物量急劇下降，對污染物的去除效果較差.隨著污泥生物量的增加和沉降性能的提高，其對氨氮和COD的去除能力也逐漸增強.在好氧顆粒污泥形成后，其對氨氮的去除效能繼續(xù)升高并趨于穩(wěn)定，COD和氨氮的去除率高達93.1%和90.4%.顆粒污泥對磷酸鹽的去除能力逐步增長，在20 d左右出現(xiàn)小幅度的下降，但隨著顆粒化污泥的形成去除率不斷升高，實現(xiàn)了對磷酸鹽的較好去除，去除率穩(wěn)定在80%以上.在反應器運行后期，好氧顆粒污泥對污染物的去除能力均得到加強，表明污泥微生物在顆粒內(nèi)部微環(huán)境中逐漸完成群落演替過程，其對污染物的轉(zhuǎn)化能力顯著提高.
3.3.2 胞外聚合物變化
如圖 6所示，在初始階段微生物代謝產(chǎn)生的EPS中，多糖類物質(zhì)始終處于穩(wěn)定存在狀態(tài)，好氧顆粒污泥形成后，其EPS內(nèi)多糖類物質(zhì)含量一直保持在8~12 mg·g-1(以MLSS計)之間，而EPS內(nèi)蛋白質(zhì)類物質(zhì)含量則明顯上升，由初始階段的4.6 mg·g-1(以MLSS計)升高到顆粒污泥成熟時的29.2 mg·g-1 (以MLSS計)，蛋白質(zhì)類物質(zhì)含量提高6.3倍，同時PN/PS也由0.54升高到2.64，這表明EPS內(nèi)蛋白質(zhì)類物質(zhì)含量增加是活性污泥顆粒化的重要因素.蛋白質(zhì)類物質(zhì)作為EPS的主要成分，有利于保持顆粒污泥的穩(wěn)定性，為生活在好氧顆粒污泥內(nèi)部的微生物提供適宜的生長環(huán)境.
3.4 灰色關聯(lián)度分析
選定絮狀污泥顆粒化過程中4個因素進行計算分析，其中，X1為進水COD，X2為有機負荷(OLR)，X3為EPS含量，X4為水力停留時間(HRT)，利用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件計算3種培養(yǎng)方式下各因素的灰色關聯(lián)度系數(shù)，結(jié)果如表 1所示.
灰色關聯(lián)系數(shù)越高，表明該因素對污泥顆粒化影響的重要程度越高.在人工配水培養(yǎng)方式下對污泥顆粒化影響因素重要程度排序為：HRT>EPS>OLR>進水COD;通過投加海藻酸鈉強化培養(yǎng)方式下好氧污泥顆粒化影響因素的重要程度為：EPS>HRT>OLR>進水COD;在實際污水培養(yǎng)好氧顆粒污泥過程中影響因素的重要程度為：EPS>HRT>OLR>進水COD.不同培養(yǎng)方式下在污泥顆粒化過程中發(fā)揮主導作用的影響因素并非唯一，其中，HRT和EPS在各種培養(yǎng)方式中均具有較高的關聯(lián)度系數(shù).在人工配水培養(yǎng)方式下，HRT的關聯(lián)度系數(shù)最高，在培養(yǎng)過程中HRT逐步改變所形成的選擇壓可以有效篩選污泥，將沉降性能好、聚合程度高的污泥截留在反應器內(nèi).在海藻酸鈉強化培養(yǎng)和農(nóng)村模擬污水培養(yǎng)方式中，EPS的關聯(lián)系數(shù)均為最高，EPS作為污泥微生物生長過程中分泌的產(chǎn)物對微生物的粘附、凝聚具有重要作用.有研究表明，通過調(diào)控HRT和OLR可以影響EPS的分泌，同時進水水質(zhì)的不同對EPS也有一定影響，因此，EPS作為顆粒化過程中的重要因素也是由于HRT、OLR和COD共同作用的結(jié)果.僅次于EPS，OLR也是污泥顆粒化的重要因素，OLR的高低直接影響著培養(yǎng)過程中微生物生長底物的充足與匱乏.Wang等在研究中發(fā)現(xiàn)，如果設定較長時間的污泥饑餓期，會使顆粒污泥逐漸失穩(wěn)進而解體;而間歇設定較短的饑餓期，會促進活性污泥的顆粒化并使顆粒污泥趨于穩(wěn)定.雖然設置饑餓期不是培養(yǎng)好氧顆粒污泥的先決條件，但適當調(diào)控反應器運行，保持底物充足/底物匱乏狀態(tài)，對培養(yǎng)好氧顆粒污泥可以發(fā)揮促進作用.在眾多因素中進水COD與顆粒化過程關聯(lián)度最低，不同的碳源種類、不同的COD，均可以成功培養(yǎng)出好氧顆粒污泥.此外，研究中還發(fā)現(xiàn)，除X3外，R1和R2的X1、X2和X4結(jié)果均相同，表明海藻酸鈉的投加發(fā)揮了載體作用，微生物附著在其上后有利于適應新環(huán)境以實現(xiàn)快速增長，進而使EPS含量增加，加快了污泥顆粒化進程.
4 結(jié)論
1) 人工配水條件下40 d培養(yǎng)出顆粒污泥，海藻酸鈉強化培養(yǎng)方式下運行20 d出現(xiàn)顆粒污泥，利用農(nóng)村模擬污水55 d培養(yǎng)出顆粒污泥.3種條件下培養(yǎng)出的顆粒污泥均具有密實的結(jié)構和較好的沉降性能，對污染物均可以實現(xiàn)較好的去除.
2) EPS在顆粒化過程中增加明顯，R1、R2和R3的增量分別到達10、30和30 mg·g-1(以MLSS計)，蛋白質(zhì)在EPS增量中占主要比例，是顆粒化進程的重要因素.多糖含量變化較小，PN/PS比值從0.7分別增加到1.7、3.3和2.6，形成的顆粒污泥的穩(wěn)定性較高.。
3) 不同培養(yǎng)方式下對顆粒化過程起主導作用的影響因素并非唯一，其中，HRT和EPS在各種培養(yǎng)方式中均具有較高的關聯(lián)度系數(shù).在人工配水培養(yǎng)方式下，HRT的關聯(lián)度系數(shù)最高，海藻酸鈉強化培養(yǎng)和農(nóng)村污水培養(yǎng)方式下均為EPS的關聯(lián)系數(shù)最高，但EPS的分泌受HRT、OLR等外界因素影響.因此，在顆粒化培養(yǎng)過程中應不斷調(diào)整HRT和OLR以適應顆粒化進程需求.
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