好氧顆粒污泥的形成機(jī)理初探
摘要：以活性污泥曝氣池中的絮狀活性污泥為接種污泥，在實(shí)驗(yàn)控制的條件下，在序批式運(yùn)行的反應(yīng)器中可以快速地形成顆粒污泥，反應(yīng)器啟動(dòng)4 d就開(kāi)始形成顆粒污泥,趨于成熟后，SVI值在50~60 mL/g, 直徑在2~4 mm，MLSS達(dá)到6.8 g/L。好氧顆粒污泥具有良好的COD去除率和良好的沉降性能，并對(duì)好氧顆粒污泥的基本性質(zhì)及形成機(jī)制作了初步的 分析 。
關(guān)鍵詞：好氧顆粒污泥 顆；^(guò)程 剪切力
在生物處理系統(tǒng)中，處理效能的高低主要由微生物的特性及微生物的濃度所決定，反應(yīng)器內(nèi)生物量越大，活性越高，沉降性能越好，單位體積反應(yīng)器的處理效率會(huì)越高。對(duì)于厭氧生物處理，高效的UASB (upflow anaerobic sludge blanket) 反應(yīng)器的處理負(fù)荷可達(dá)到 40 kg / (m3·d)[1], 其主要原因就是UASB 中活性污泥以顆粒狀存在。因此，在反應(yīng)器中積累大量的活性污泥，而且沉降性能好，不需要額外的沉淀池。近幾年， 研究 已經(jīng)轉(zhuǎn)向開(kāi)發(fā)SBR(sequecing batch reactor)反應(yīng)器中的好氧顆粒污泥[2-4]。相對(duì)于常規(guī)的好氧污水處理系統(tǒng)，好氧顆粒污泥存在著如下優(yōu)點(diǎn), 規(guī)則的、密實(shí)的、堅(jiān)固的微生物結(jié)構(gòu)，良好的沉降性能，較高的微生物量，以及對(duì)有機(jī)負(fù)荷沖擊的應(yīng)變能力強(qiáng)等。Morgenroth[2] 和Peng[5]等人的 文獻(xiàn) 中提到，好氧顆粒污泥的形成的時(shí)間分別需要20和40 d左右。
目前 ，國(guó)內(nèi)外對(duì)好氧顆粒泥的研究剛剛起步，沒(méi)有足夠的文獻(xiàn)對(duì)其形成機(jī)制、進(jìn)化過(guò)程等進(jìn)行明確的闡述。本研究工作旨在通過(guò)跟蹤觀察好氧顆粒污泥的快速形成及生長(zhǎng)過(guò)程，對(duì)其形成機(jī)制進(jìn)行初步的探討。
1. 實(shí)驗(yàn)材料與 方法
1.1 實(shí)驗(yàn)裝置
實(shí)驗(yàn)所用反應(yīng)器為上流式玻璃圓柱體，內(nèi)徑為5 cm，總高度為70 cm，有效容積為1.5 L，實(shí)驗(yàn)在室溫下運(yùn)行。接種污泥取自上海市閔行污水處理廠，接種量為600 mL (污泥濃度為 1.86 g/L)活性污泥。采用體外曝氣的方式通過(guò)回流水提供溶解氧。每晝夜運(yùn)行2或3個(gè)周期，每個(gè)周期包括10 min沉淀，5 min進(jìn)水，5 min 排水，其他時(shí)間為曝氣反應(yīng)時(shí)間。
1.2 實(shí)驗(yàn)用水
采用人工合成模擬廢水(表1) 。
表1 模擬廢水的成分
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基質(zhì)名稱 濃度 /（g.L-1） |
基質(zhì)名稱 濃度 微量元素[10] /（μg.L-1） |
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C6H12O6 0.9375 NaAC 1.28 蛋白胨 0.005 NH4Cl 0.20 K2PO4.3H2O 0.08 CaCl2 0.02 FeSO4.7H2O 0.02 MgSO4.7H2O 0.03 |
H3BO3 0.05 ZnCl2 0.05 CuSO4.5H2O 0.06 MnSO4.H2O 0.05 (NH4)6Mo7O24.4H2O0.05 AlCl3.6H2O 0.091 CoCl2.6H2O 0.05 NiCl2.6H2O 0.092 |
1.3 分析項(xiàng)目和方法
(1)COD、SV、MLSS,、 SVI等均按照美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法[9]分析測(cè)定。
(2)顆粒的形成過(guò)程及微生物相變化通過(guò)數(shù)碼相機(jī)和光學(xué)顯微鏡(UNIC M250)跟蹤觀察。
(3)耗氧速率 OUR通過(guò)溶氧儀(WTW-oxi197i)測(cè)定并 計(jì)算 得到。
2. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論
2.1 概要觀察
反應(yīng)器通過(guò)接種600 mL絮狀活性污泥啟動(dòng)，種泥的SVI值為187 mL/g。在反應(yīng)器中沉降10 min后，污泥床的體積為295 mL，經(jīng)過(guò)12 h馴化后，污泥床的體積變?yōu)?63 mL，此后，污泥床開(kāi)始增長(zhǎng)，這意味著馴化期的結(jié)束。 從第4 d開(kāi)始定期監(jiān)測(cè)每個(gè)周期COD降解情況，參見(jiàn)圖1。COD的去除基本發(fā)生在前2 h內(nèi)，在每一個(gè)循環(huán)時(shí)間內(nèi)，后半周期的微生物均處于饑餓狀態(tài)。這樣，微生物就會(huì)經(jīng)歷高基質(zhì)濃度期與饑餓期不斷交替的變化，從而引起微生物表面特性的變化，再在上升流態(tài)的水力剪切的作用下，就會(huì)逐漸形成顆粒污泥。Tay[6]等人也提出，周期性的好氧饑餓段觸發(fā)了微生物的聚集，進(jìn)一步增強(qiáng)細(xì)胞間的相互作用，從而形成較致密的微生物聚集體，這在顆；^(guò)程中是關(guān)鍵的一步。
圖1 每個(gè)周期前6 hCOD曲線
由圖1還可知，隨著顆；勰嗟闹鸩叫纬桑珻OD的降解能力和去除速度都有很大程度的提高，這與顆；勰嘈纬傻倪^(guò)程中，微生物量的逐漸增大是分不開(kāi)的。
為防止反應(yīng)器壁上過(guò)多的生物膜的生長(zhǎng)，要頻繁的清洗器壁。如果器壁上微生物的生長(zhǎng)占優(yōu)勢(shì)，就不利于顆粒污泥的形成。這是因?yàn)樾纬缮锬さ奈⑸锱c形成顆粒污泥的微生物形成競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，當(dāng)生物膜的生長(zhǎng)由于清洗器壁受限時(shí)，微生物就會(huì)主要以顆粒污泥的形式生長(zhǎng)。Morgenroth[2]等人也發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似的現(xiàn)象。
2.2顆粒化污泥快速形成過(guò)程
圖2 a–d形象地表明了在人工配制的模擬廢水系統(tǒng)中，好氧顆粒污泥的進(jìn)化過(guò)程。圖2a為取自污水廠的新鮮活性污泥,從外觀上看主要由絮狀微生物組成，在顯微鏡下觀察，可以發(fā)現(xiàn)該污泥中存在著大量的絲狀菌。啟動(dòng)1 d后，馴化期結(jié)束，污泥床開(kāi)始增長(zhǎng)。但污泥主要還是以絮狀體為主，且顏色沒(méi)有變化。圖2b為運(yùn)行4 d的顆粒污泥，污泥逐漸馴化成較不規(guī)則的顆粒狀，但顆粒比較松散，且顏色逐漸變?yōu)榈Х壬?顯微鏡下依然可以看到絲狀微生物的大量存在。圖2c為運(yùn)行10 d的照片，顆粒污泥已完全轉(zhuǎn)變?yōu)辄S色，且顆粒直徑都比較均勻。圖2 d為運(yùn)行16 d趨于成熟的顆粒污泥，在顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)絲狀微生物逐漸在減少，而顆粒污泥也逐漸由松散轉(zhuǎn)為密實(shí)，形狀為較規(guī)則的球形，顆粒污泥基本達(dá)到成熟。好氧顆粒污泥的表面和橫截面的電鏡照片(圖3)表明，好氧顆粒污泥是由多種微生物相互作用而構(gòu)成的密實(shí)的具有多孔狀的通透性結(jié)構(gòu)，而這種結(jié)構(gòu)又增強(qiáng)了基質(zhì)和氣體傳遞。
a.(接種污泥) b.(4 天)
c. (10 天) d (16 天)
圖2 不同時(shí)期顆粒污泥的照片
圖3好氧顆粒污泥的表面(左圖)和橫截面(右圖)的電鏡照片
在培養(yǎng)好氧顆粒污泥的過(guò)程中，COD負(fù)荷不斷提高，而出水COD也經(jīng)歷了由高到低，再由低到高的輕微波動(dòng)的過(guò)程。圖4給出了運(yùn)行過(guò)程中，COD 的去除情況。由圖4可知，在好氧顆粒污泥形成的過(guò)程中，進(jìn)水COD波動(dòng)較大，原因與反應(yīng)器中微生物量的變化有關(guān)。同時(shí)，較高濃度的COD可以克服傳質(zhì)阻力，有利于絮狀的和顆粒狀的污泥生長(zhǎng)。當(dāng)顆粒污泥形成后，微生物量增加，所以在較高的COD負(fù)荷下，出水水質(zhì)仍基本可以保持在30~100 mg/L之間。
啟動(dòng)期，進(jìn)水COD 濃度保持在700 mg/L，COD的去除率在91.7%~94.6% , 在較高的COD進(jìn)水濃度(1500 mg/L),去除率也在90%以上，出水COD可以穩(wěn)定在100 mg/L左右。這說(shuō)明，顆粒污泥的形成能夠使反應(yīng)器中有較高的微生物量，并具有較高的COD降解能力。
圖4 反應(yīng)器中COD 去除情況
2.3顆粒污泥的特性
實(shí)驗(yàn)中測(cè)量了種泥和不同時(shí)期顆粒污泥的特性，種泥的SVI值為 187 mL/ g , MLSS為1.86 g/ L 。啟動(dòng)4 d后，SVI值降為82 mL/ g, 形成較為密實(shí)的微生物聚集體。運(yùn)行10 d后，SVI值進(jìn)一步降為 62 mL/g, 形狀漸變?yōu)檩^規(guī)則的球形，且顆粒在反應(yīng)器中占主體, 見(jiàn)圖2.c。成熟的顆粒污泥的SVI值在50~60 mL/g之間。同時(shí)，在運(yùn)行過(guò)程中，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，污泥沉降性能逐漸變好，上升流速逐漸增大，增強(qiáng)了水力剪切力。在水剪切力的作用下，污泥逐漸馴化成較規(guī)則的球形。上升流速的增大在一定程度上又促使SVI值的降低和污泥濃度的增加。三者相互關(guān)系如圖5所示。
圖5 上升流速對(duì)SVI值及污泥濃度的 影響
Tay[7]和Liu[8]等人也證實(shí)了水力剪切力的在顆；械闹匾饔。啟動(dòng)后，反應(yīng)器中的生物量濃度也是逐漸在增加，16 d后，污泥濃度達(dá)到6.8 g/L，OUR值達(dá)到56.5 mgO2/g(MLVSS).h。趨于成熟的顆粒污泥直徑分布于2~4 mm之間。顆粒污泥良好的沉降性和致密的微生物結(jié)構(gòu)，使生物處理系統(tǒng)中有較高的微生物停留，確保了有機(jī)物的快速去除，為好氧顆粒污泥的 工業(yè) 化 應(yīng)用 提供了廣闊的前景。
2.4 顆；勰嗫焖傩纬蓹C(jī)理初探
SBR系統(tǒng)以進(jìn)水、曝氣、沉淀和排水的序批式模式運(yùn)行，這樣，好氧饑階段在SBR運(yùn)行模式中是存在的。從圖1可以看出曝氣階段的大約80%是都處在好氧饑餓段，而周期性好氧饑餓段是反應(yīng)器中微生物聚集的有效觸發(fā)，而且繼續(xù)加強(qiáng)細(xì)胞間的相互作用，從而形成較致密的微生物聚集體，
如圖2b所示，這是顆；^(guò)程中關(guān)鍵的一步。而Kjelleberg and Hermansson[11]也證明，微生物在饑餓狀態(tài)表面變得更加疏水，這恰好有助于微生物的粘附和聚集。SBR系統(tǒng)中階段性的饑餓是活性污泥顆粒化的有效觸發(fā)，然而，其他運(yùn)行條件也不能忽略，尤其是水力剪切力和反應(yīng)器中水的流動(dòng)方式。本實(shí)驗(yàn)采用在回流水中曝氣的方式來(lái)提供溶解氧，避免氣泡與活性污泥的直接接觸，在一定程度上有助于初期微生物的快速粘附與聚集，但供氧效率在一定程度上受到局限。同時(shí)，據(jù)推斷，上升的水流產(chǎn)生的剪切力在顆粒化快速形成中也起到了重要的作用。
3 結(jié) 論
(1) 本 研究 表明，好氧顆粒污泥能夠在4–5 d快速培養(yǎng)出來(lái)，且顆粒污泥的形成是從種泥到較致密的微生物聚集體，進(jìn)一步進(jìn)化為顆粒污泥，最后形成成熟的顆粒污泥的過(guò)程。
(2) 顆粒污泥的濃度比普通的絮狀污泥要高得多，本實(shí)驗(yàn)中可達(dá)到6.8 g/L，沉降性能也比普通的絮狀污泥好得多，SVI值在50~60 mL/g之間。實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)隨著上升流速的增加，SVI值呈降低趨勢(shì)，而污泥濃度則是逐漸增大的。較成熟的顆粒污泥直徑多分布于在2~4 mm。
(3) 從實(shí)驗(yàn)研究中可以初步認(rèn)為顆粒污泥的形成機(jī)制是水力條件和SBR運(yùn)行模式共同作用的結(jié)果。周期性好氧饑餓段的存在是顆；嘘P(guān)鍵的一步。選擇適當(dāng)?shù)钠貧夥绞胶头磻?yīng)器流態(tài)有助于好氧顆粒污泥的快速形成。
參考 文獻(xiàn)
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11 Kjelleberg S, Hermansson M. Starvation-induced effects on bacterial surface characteristics. Applied and Environmental Microbiology, 1984, 48: 497~503
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