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)4d就開始形成顆粒污泥,趨于成熟后，SVI值在50~60mL/g,直徑在2~4mm，MLSS達(dá)到6.8g/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)鍵字：好氧顆粒污泥顆粒化過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(upflowanaerobicsludgeblanket)反應(yīng)器的處理負(fù)荷可達(dá)到40kg/(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)向開發(fā)SBR(sequecingbatchreactor)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40d左右。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)好氧顆粒泥的研究剛剛起步，沒有足夠的文獻(xiàn)對(duì)其形成機(jī)制、進(jìn)化過程等進(jìn)行明確的闡述。本研究工作旨在通過跟蹤觀察好氧顆粒污泥的快速形成及生長(zhǎng)過程，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5cm，總高度為70cm，有效容積為1.5L，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600mL(污泥濃度為1.86g/L)活性污泥。采用體外曝氣的方式通過回流水提供溶解氧。每晝夜運(yùn)行2或3個(gè)周期，每個(gè)周期包括10min沉淀，5min進(jìn)水，5min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模擬廢水的成分基質(zhì)名稱濃濃度/（g.L-1）基質(zhì)名稱濃度微量元素[110]

//（μg.L-1）C6H12O6

0..9375NaAC1.228蛋白胨00.005NH4Cl0..20K2PO4.3H2OO

0.008CaCl20..02FeSO4.7HH2O

0..02MgSO4.7HH2O

0..03H3BO30.005ZnCl200.05CuSO4.5HH2O0.006MnSO4.H22O

0..05(NH4)6Mo77O24.4H2O0.055AlCl3.6HH2O0.0991CoCl2.6HH2O0.055NiCl2.6HH2O0.09921.3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）顆粒的形成過程及微生物相變化通過數(shù)碼相機(jī)和光學(xué)顯微鏡(UNICM250)跟蹤觀察。（3）耗氧速率OUR通過溶氧儀(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)器通過接種600mL絮狀活性污泥啟動(dòng)，種泥的SVI值為187mL/g。在反應(yīng)器中沉降10min后，污泥床的體積為295mL，經(jīng)過12h馴化后，污泥床的體積變?yōu)?63mL，此后，污泥床開始增長(zhǎng)，這意味著馴化期的結(jié)束。從第4d開始定期監(jiān)測(cè)每個(gè)周期COD降解情況，參見圖1。COD的去除基本發(fā)生在前2h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?；^程中是關(guān)鍵的一步。圖1每個(gè)周期前6hCOD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，這與顆粒化污泥形成的過程中，微生物量的逐漸增大是分不開的。為防止反應(yīng)器壁上過多的生物膜的生長(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)了類似的現(xiàn)象。2.2顆?；勰嗫焖傩纬蛇^程

圖2a–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)1d后，馴化期結(jié)束，污泥床開始增長(zhǎng)。但污泥主要還是以絮狀體為主，且顏色沒有變化。圖2b為運(yùn)行4d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10d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2d為運(yùn)行16d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)的過程。圖4給出了運(yùn)行過程中，COD的去除情況。由圖4可知，在好氧顆粒污泥形成的過程中，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30~100mg/L之間。啟動(dòng)期，進(jìn)水COD濃度保持在700mg/L，COD的去除率在91.7%~94.6%,在較高的COD進(jìn)水濃度(1500mg/L),去除率也在90%以上，出水COD可以穩(wěn)定在100mg/L左右。這說明，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187mL/g,MLSS為1.86g/L。啟動(dòng)4d后，SVI值降為82mL/g,形成較為密實(shí)的微生物聚集體。運(yùn)行10d后，SVI值進(jìn)一步降為62mL/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,見圖2.c。成熟的顆粒污泥的SVI值在50~60mL/g之間。同時(shí)，在運(yùn)行過程中，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，16d后，污泥濃度達(dá)到6.8g/L，OUR值達(dá)到56.5mgO2/g(MLVSS).h。趨于成熟的顆粒污泥直徑分布于2~4mm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顆粒化污泥快速形成機(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?；^程中關(guān)鍵的一步。而KjellebergandHermansson[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?；挠行в|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?；焖傩纬芍幸财鸬搅酥匾淖饔?。3

結(jié)

論(1)本研究表明，好氧顆粒污泥能夠在4–5d快速培養(yǎng)出來，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6.8g/L，沉降性能也比普通的絮狀污泥好得多，SVI值在50~60mL/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2~4mm。(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)1

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