低有機負(fù)荷率下聚磷好氧顆粒污泥的培養(yǎng)

黃 宇，趙 林,，譚 欣,，董 濤，李金娟

(1. 天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072；2. 天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300072)

好氧顆粒污泥是在微生物自凝聚作用下形成的生物聚集體，與普通絮狀活性污泥相比，好氧顆粒污泥具有結(jié)構(gòu)緊湊堅固、沉降性能好、微生物量高等優(yōu)點，已成為污水處理領(lǐng)域的研究熱點．但是，目前對于好氧顆粒污泥還只停留在實驗室研究上，這主要是由于好氧顆粒污泥的穩(wěn)定性較差，長期運行易發(fā)生顆粒解體．如何提高好氧顆粒污泥的穩(wěn)定性是該項技術(shù)能否應(yīng)用于實際的關(guān)鍵．

目前對于好氧顆粒污泥的培養(yǎng)多采用序批式反應(yīng)器(sequencing batch reactor，SBR)[1]，在高有機負(fù)荷率下，以短沉淀時間為選擇壓，篩選出沉降性能好的污泥，而沉降性能差的污泥則隨出水排出反應(yīng)器．高有機負(fù)荷率可以加速微生物的生長，從而彌補短沉淀時間引起的污泥的大量流失．這種培養(yǎng)方式雖然有利于好氧顆粒的快速形成，但是生長速率過快也是導(dǎo)致顆粒穩(wěn)定性差的重要原因．據(jù)報道，篩選緩慢生長的微生物將有助于改善好氧顆粒的穩(wěn)定性[2]．de Kreuk等[3]通過降低反應(yīng)器內(nèi)的溶解氧濃度，從而減緩體系中微生物的生長速率，使得形成好氧顆粒的沉降性能和穩(wěn)定性都得到了改善．因此，微生物的生長速率可能是影響好氧顆粒穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素．

聚磷好氧顆粒污泥是以聚磷菌(phosphate accumulating organisms，PAOs)為主體，能夠?qū)崿F(xiàn)強化生物除磷(enhanced biological phosphorus removal，EBPR)功能的一類好氧顆粒污泥．為了控制反應(yīng)器內(nèi)微生物的生長速率，從而提高穩(wěn)定性，本文考察了在低有機負(fù)荷率下培養(yǎng)聚磷好氧顆粒污泥的可行性及其關(guān)鍵培養(yǎng)技術(shù)，并對反應(yīng)器運行狀況和形成顆粒的特性進(jìn)行了評價．

1 材料與方法

1.1 試驗裝置與流程

試驗所用柱狀 SBR反應(yīng)器由有機玻璃制成，總?cè)莘e9,L，工作容積8,L，通過“SBR法污水處理自動群控系統(tǒng)”進(jìn)行自動控制，使 SBR反應(yīng)器按照強化生物除磷工藝運行，運行周期為 8,h，其中包括進(jìn)水100,s，厭氧 2,h，好氧 4,h，沉淀 1,h，其余時間為排水和閑置．反應(yīng)器內(nèi)安裝了溶解氧(dissolved oxygen，DO)和pH電極，能夠?qū)崿F(xiàn)DO和pH值的在線監(jiān)測，好氧階段控制 DO大于 2,mg/L，整個周期 pH值在7.3～7.9范圍內(nèi)變化．每周期排水 3,L，交換比為3/8．泥齡(sludge retention time，SRT)控制在 20,d．

1.2 接種污泥

反應(yīng)器接種污泥取自天津市紀(jì)莊子污水處理廠曝氣池，屬于普通絮狀污泥，污泥聚積指數(shù)(sludge volume index，SVI)為 103.35,mL/g．

1.3 進(jìn)水水質(zhì)

進(jìn)水采用人工配制的模擬廢水．乙酸鈉為主要碳源，產(chǎn)生化學(xué)需氧量(chemistry oxygen demand，COD)為 530.8,mg/L，有機負(fù)荷率控制在 0.6,kg COD/(m3·d)．KH2PO4為磷源，P/TOC 值為 20/200．丙烯基硫脲作為硝化抑制劑，用來抑制硝化細(xì)菌的生長．具體成分組成見表1．

表1 人工配水成分Tab.1 Composition of the synthetic wastewater

1.4 分析方法

總磷(total phosphorus，TP)、可溶性正磷酸鹽(soluble ortho-phosphate，SOP)、NO3-、NO2-、MLSS、SVI采用標(biāo)準(zhǔn)方法測量[4-5]．總有機碳(total organic carbon，TOC)采用 TOC-VCHP型總有機碳分析儀(日本島津)測定．

污泥含磷量的測定：取一定量污泥樣品，使其懸浮于水中，采用超聲波細(xì)胞粉碎機(JY92-Ⅱ型，寧波新芝生物科技股份有限公司)，在功率 400,W，工作時間5,s，間隙時間5,s的條件下處理20,min后，測定其中的TP含量，

顆粒粒徑分布采用激光粒度分析儀(英國馬爾文公司)測定．顆粒污泥細(xì)胞表面疏水性的測定參考Rosenberg等[6]的方法，以十六烷為疏水相，菌懸液中進(jìn)入十六烷的細(xì)胞占原菌懸液中細(xì)胞總數(shù)的百分比作為細(xì)胞表面疏水性的值，具體步驟如下：試管中先后加入 5,mL菌懸液和一定量的十六烷，30,℃恒溫水浴加熱 10,min，取出試管振蕩 120,s后，靜置 15,min使兩相分離，取出水相在400,nm處測定吸光度．與原菌懸液相比，水相中吸光度減少的百分比即為所求．

顆粒污泥的微觀形態(tài)采用FEI Quanta 200掃描電鏡(捷克 FEI公司)進(jìn)行觀察．樣品預(yù)處理步驟如下：

(1)3%戊二醛固定4,h；

(2)磷酸緩沖液漂洗3次；

(3)1%四氧化鋨固定2 h；

(4)磷酸緩沖液漂洗3次；

(5)30%～100%梯度乙醇脫水；

(6)乙酸異戊酯置換，20,min；

(7)CO2臨界點干燥(CPD-030臨界點干燥儀，Bal-Tec公司)；

(8)金離子濺射法鍍膜(SCD-005冷噴涂儀，Bal-Tec公司)；

(9)FEI Quanta 200掃描電鏡觀察．

2 結(jié)果與分析

2.1 反應(yīng)器運行性能

SBR反應(yīng)器在啟動后6個星期內(nèi)基本達(dá)到穩(wěn)定，圖 1和圖 2分別顯示了反應(yīng)器運行過程中磷的去除情況以及污泥含磷量、混合液懸浮固體濃度(mixed liquor suspended solids，MLSS)、SVI的變化趨勢．結(jié)果表明，從第27天開始，總磷的去除率一直處于90%以上，出水中總磷的最低質(zhì)量濃度可達(dá) 0.6,mg/L，說明反應(yīng)器已具有很好的生物除磷性能．在反應(yīng)器運行過程中，污泥的含磷量持續(xù)增長，從最初的 2.02%上升到 7.05%(占污泥干重)，污泥中積累了大量的磷．但其生長卻很緩慢，MLSS在24,d內(nèi)從2.419,g/L增加到 5.047,g/L，之后便不再增加甚至略有降低．圖3是反應(yīng)器運行穩(wěn)定后的1個周期內(nèi)SOP和TOC的變化曲線，可以看出，在厭氧階段，碳源被迅速吸收并在 1.5,h內(nèi)耗盡，同時伴隨著 SOP的大量釋放，厭氧階段開始時的零點是在進(jìn)水結(jié)束并達(dá)到泥水的完全混合后開始計算的，因此厭氧階段 SOP的增加正是由于PAOs厭氧代謝的結(jié)果，隨后好氧階段SOP濃度逐漸降低，直到好氧階段末趨近于 0，說明此時反應(yīng)器已具有EBPR工藝的典型特征，實現(xiàn)了對PAOs的富集．在反應(yīng)器的整個運行周期內(nèi)，均未檢出 NO3-和NO2-，證實丙烯基硫脲成功抑制了硝化細(xì)菌的活性，防止其產(chǎn)生 NO3-和 NO2-抑制 PAOs的厭氧代謝．從不斷下降的SVI值可以看出，污泥的沉降性能得到很好的改善，這與污泥含磷量的增加有關(guān)，因為胞內(nèi)聚磷含量的增加將一定程度上提高污泥的密度，但更重要的原因是，反應(yīng)器內(nèi)的污泥從最初接種時的絮狀物逐漸轉(zhuǎn)化成為顆粒污泥．

圖1 反應(yīng)器運行過程中總磷的去除情況Fig.1 TP removal performance during operation of reactor

圖2 反應(yīng)器運行過程中MLSS、污泥含磷量和SVI的變化曲線Fig.2 Variation curves of MLSS，phosphorus content in sludge and SVI during operation of the reactor

圖3 SOP和TOC在一個反應(yīng)周期內(nèi)隨時間的變化Fig.3 Variations of SOP and TOC with time in one cycle

2.2 好氧顆粒污泥的形成

從第 10天開始，反應(yīng)器內(nèi)逐漸出現(xiàn)了肉眼可見的微小顆粒，運行到 1個月左右，最初接種的棕色絮狀污泥已完全轉(zhuǎn)化成黃色的顆粒狀污泥，實現(xiàn)了對聚磷好氧顆粒污泥的培養(yǎng)．成熟后顆粒的平均密度為1.048,g/cm3，細(xì)胞表面疏水性為48.4%．通過激光粒度分析儀測得顆粒污泥的粒徑分布，如圖 4所示，粒徑主要集中在1,mm左右，體積平均粒徑為940.17,μm，中值粒徑為 903.75,μm，粒徑介于 0.5～2.0,mm 之間的顆粒約占70%．

圖4 粒徑分布Fig.4 Distribution of particle size

圖 5為好氧顆粒污泥的電鏡觀察結(jié)果．如圖所示，顆粒具有非常清晰地外部輪廓，形狀較為規(guī)則，多數(shù)呈球形(圖 5(a)～(b))．顆粒的表層主要由緊密纏繞的絲狀菌組成，而透過表層的絲狀菌可以看到，顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常密實，內(nèi)表面凹凸不平，有裂縫和凹陷(圖 5(c))．從顆粒污泥的剖面來看，顆粒內(nèi)部由緊湊排列的短桿狀細(xì)菌組成(圖 5(d)～(e))，從形態(tài)上看，至少存在2種不同的桿菌(圖5(f))．

圖5 顆粒污泥的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.5 SEM images of granular sludge

3 討 論

3.1 聚磷好氧顆粒污泥的關(guān)鍵培養(yǎng)技術(shù)

目前對好氧顆粒的培養(yǎng)幾乎都是在 SBR反應(yīng)器中實現(xiàn)的[7]，SBR反應(yīng)器的主要特征是周期循環(huán)運行，每周期包括進(jìn)水、曝氣、沉淀和排水階段，根據(jù)工藝不同還可能包括厭氧和缺氧階段．沉淀時間被認(rèn)為是引起好氧顆?；闹饕x擇壓[8-9]，在較短的沉淀時間內(nèi)，沉淀性能差的污泥將隨出水排出反應(yīng)器，從而篩選出沉淀性能好的污泥保留在反應(yīng)器內(nèi)．因此，目前大多數(shù)研究都是采用短沉淀時間(2～10,min)作為培養(yǎng)好氧顆粒污泥的控制參數(shù)[10-11]．但是，采用短沉淀時間很容易造成污泥的大量流失，尤其是在反應(yīng)器啟動初期，如 Tay等[12]將沉淀時間設(shè)為 2,min，啟動后 24,h內(nèi)大部分接種污泥被排出反應(yīng)器，使得混合液揮發(fā)性懸浮固體 (mixed liquor volatile suspended solids，MLVSS)質(zhì)量濃度從 1,980,mg/L 迅速降低到 330～280,mg/L．雖然短沉淀時間有利于篩選出沉淀性能好的污泥，從而加速好氧顆粒的形成，但是由于 PAOs的生長速率相對緩慢，污泥的大量流失不利于 PAOs的富集，很難形成聚磷好氧顆粒．按照常規(guī)EBPR工藝的運行方式，采用較長的沉淀時間1 h，同樣實現(xiàn)了污泥的顆?；?，證實以短沉淀時間形成選擇壓并不是培養(yǎng)聚磷好氧顆粒的關(guān)鍵控制參數(shù)．

從圖3可以看出，在厭氧階段開始后的1.5,h左右碳源就被完全耗盡，直到好氧階段結(jié)束反應(yīng)器內(nèi)的污泥都處于底物匱乏狀態(tài)．有研究者認(rèn)為底物匱乏是導(dǎo)致細(xì)胞表面特性改變和增強細(xì)胞之間粘附作用的重要因素[13]，這將有利于細(xì)胞之間的自凝聚，從而促進(jìn)生物顆粒的形成．Liu等[14]研究了長期運行條件下，不同的底物匱乏時間(0.8,h、3.3,h、7.3,h)對好氧顆粒形成和性質(zhì)的影響，結(jié)果表明底物匱乏時間為3.3,h時，形成的顆粒密度最大，穩(wěn)定性最好．本實驗運行周期內(nèi)存在 4.5,h左右的底物匱乏期，這對于好氧顆粒的形成與穩(wěn)定性都有一定的促進(jìn)作用．但是底物匱乏并不是形成好氧顆粒的先決條件，一直處于基質(zhì)過剩的條件下同樣能夠形成顆粒污泥[15]．

好氧顆粒污泥的培養(yǎng)多采用葡萄糖[16]或乙酸[17]為碳源．以葡萄糖為碳源時，形成的好氧顆粒形態(tài)不規(guī)則，顆粒表面易出現(xiàn)松散的絨毛，但是可以在較高有機負(fù)荷率下(15,kgCOD/(m3·d))維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運行；以乙酸為碳源時，顆粒具有緊湊的結(jié)構(gòu)，呈規(guī)則的球狀，但是在較高有機負(fù)荷率(9,kgCOD/(m3·d))下會造成顆粒分解使反應(yīng)器運行失敗[18]．對于 PAOs而言，揮發(fā)性脂肪酸(volatile fatty acids，VFAs)尤其是乙酸被認(rèn)為是最佳碳源，因為在厭氧條件下聚磷菌可直接吸收 VFAs形成聚羥基烷酸酯(polyhydroxy alkanoates，PHAs)，并迅速釋放出磷酸鹽．PAOs一般無法直接利用其它碳源(如葡萄糖)，必須在多種微生物共同作用下才能夠?qū)崿F(xiàn) EBPR[19]，但其除磷效果依然不如乙酸．因此，為了培養(yǎng)聚磷好氧顆粒污泥，本研究以乙酸鈉為碳源，且需要采用較低的有機負(fù)荷率．

采用較低的有機負(fù)荷率使得系統(tǒng)中微生物的生長率較低，從圖 2可以看出，污泥濃度的增長比較緩慢．Liu等[2]發(fā)現(xiàn)，高生長率將導(dǎo)致顆粒大小迅速增加，進(jìn)一步導(dǎo)致顆粒的結(jié)構(gòu)松散，密度降低，而生長率相對較低的好氧顆粒具有較強的結(jié)構(gòu)和較好的沉淀性能，降低生長率可以改善好氧顆粒的穩(wěn)定性．在聚磷好氧顆粒污泥培養(yǎng)過程中，污泥中主要包含聚磷菌、聚糖菌和普通的異養(yǎng)菌，在較高的有機負(fù)荷率下，聚糖菌和普通異養(yǎng)菌的快速生長不僅造成好氧顆粒的穩(wěn)定性下降，同時也使得聚磷菌在競爭中處于劣勢，不利于聚磷好氧顆粒的培養(yǎng)．因此，采用低有機負(fù)荷率在聚磷好氧顆粒污泥的培養(yǎng)中起到至關(guān)重要的作用，可以一定程度上降低系統(tǒng)中微生物的生長率，形成穩(wěn)定的顆粒結(jié)構(gòu)，并有利于實現(xiàn)對聚磷菌的富集．

3.2 聚磷好氧顆粒污泥的特性

隨著反應(yīng)器的運行，顆粒狀污泥逐漸取代了最初的絮狀污泥并在污泥體系中占優(yōu)勢，粒徑介于0.5～2.0,mm的顆粒約占污泥總量的70%．同時，顆粒中積累了大量的聚磷，含磷量高達(dá) 7.05%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)活性污泥的含磷量(1.5%～2.3%)，與絮狀 EBPR污泥(含磷量 3%～7%)相比也是相當(dāng)高的[20]．這說明在顆粒污泥內(nèi)已富集了大量的 PAOs，成功的培養(yǎng)出了聚磷好氧顆粒污泥．通過掃描電鏡照片(圖 5)對聚磷好氧顆粒污泥的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，可以看出，顆粒主要由3種不同形態(tài)的微生物組成，顆粒的外層是緊密纏繞著的絲狀菌，內(nèi)部是2種大小不同的短桿狀細(xì)菌緊密結(jié)合形成的聚集體．目前已報道的聚磷菌多數(shù)呈桿狀，如不動桿菌屬(Acinetobacter)、氣單胞菌屬(Aeromonas)、假單胞菌屬(Pseudomonas)，而呈絲狀的微絲菌(Microthrix parvicella)和諾卡氏菌屬(Nocardia)也能夠積累聚磷酸鹽[21-22]．

普遍認(rèn)為，絲狀菌的存在對于好氧顆粒的培養(yǎng)是不利的．一些好氧顆粒污泥系統(tǒng)中，由于絲狀菌的過量生長而形成結(jié)構(gòu)松散的絨毛狀顆粒，沉淀性能變差，反應(yīng)器運行惡化[23]．因此，絲狀菌的生長一直被認(rèn)為是導(dǎo)致好氧顆粒系統(tǒng)運行不穩(wěn)定的主要原因．但也有研究者發(fā)現(xiàn)絲狀菌可以在好氧顆粒污泥中起到骨架的作用，甚至可以增強好氧顆粒的結(jié)構(gòu)[24]．

從密度、粒徑分布和SVI值等顆粒特性參數(shù)可以看出，成熟的聚磷好氧顆粒具有緊湊的結(jié)構(gòu)和很好的沉降性能．而其細(xì)胞表面疏水性卻只有 48.4%，與一般的好氧顆粒污泥(70%左右[25])相比是較低的．顆粒污泥的形成和結(jié)構(gòu)與細(xì)胞的疏水性密切相關(guān)．細(xì)胞疏水性高可以自聚集形成緊湊密實的顆粒，而且這種顆粒的外層一般是沒有絲狀菌纏繞的．

本研究中所獲得的聚磷好氧顆粒雖然沒有高度的細(xì)胞疏水性，但同樣具有緊湊密實的結(jié)構(gòu)和良好的沉降性能，表面絲狀菌的緊密纏繞對于顆粒結(jié)構(gòu)的強化起到至關(guān)重要的作用．絲狀菌與顆粒內(nèi)部的短桿菌聚集體存在著相互依存的關(guān)系，絲狀菌附著纏繞在密實的短桿菌聚集體上，避免因沉淀性能差而被沖出反應(yīng)器，也避免其被微型動物吞食；短桿菌聚集體被絲狀菌緊密纏繞，變得更加密實，增強了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性．

4 結(jié) 論

(1)SBR反應(yīng)器接種絮狀活性污泥，在低有機負(fù)荷率的條件下，按照 EBPR工藝的運行方式，成功培養(yǎng)出聚磷好氧顆粒污泥，并已穩(wěn)定運行 1年多，證實該操作模式是適合聚磷好氧顆粒污泥的培養(yǎng)的．培養(yǎng)出的顆粒污泥中富集了大量的 PAOs，含磷量高達(dá)7.05%，能夠達(dá)到非常好的除磷效果，總磷去除率高于90%，同時具有緊湊密實的結(jié)構(gòu)和良好的沉降性能，平均粒徑為 940.17,μm，平均密度為 1.048,g/cm3，SVI為22.02,mL/g．形成的聚磷好氧顆粒污泥由外層纏繞著的絲狀菌和內(nèi)部的短桿狀細(xì)菌聚集體組成，絲狀菌的緊密纏繞對于顆粒結(jié)構(gòu)的強化起到至關(guān)重要的作用．

(2)為防止啟動初期污泥的大量流失，采用較長的沉淀時間 1,h，同樣實現(xiàn)了污泥的顆粒化，證實以短沉淀時間形成選擇壓并不是培養(yǎng)聚磷好氧顆粒的關(guān)鍵控制參數(shù)．采用較低的有機負(fù)荷率，使得反應(yīng)器在一個運行周期內(nèi)存在 4.5,h左右的底物匱乏期，有利于增強細(xì)胞之間的粘附作用；并一定程度上降低了系統(tǒng)中微生物的生長率，增強了顆粒的穩(wěn)定性；還使得PAOs在與其他微生物的競爭中占優(yōu)勢，有助于PAOs的富集．因此，低有機負(fù)荷率對 PAOs的富集及其聚成顆粒都起著重要的作用，采用低有機負(fù)荷率是培養(yǎng)聚磷好氧顆粒污泥的關(guān)鍵控制參數(shù)．

(3)目前幾乎所有的生物除磷工藝都是采用絮狀活性污泥，但由于 PAOs的代謝活性容易受到很多因素的影響，因此在實際處理過程中時常會出現(xiàn)反應(yīng)器性能惡化，難以實現(xiàn)長期穩(wěn)定的運行．與之相比，聚磷好氧顆粒污泥內(nèi)能夠更大程度地富集 PAOs，具有緊湊密實的結(jié)構(gòu)和良好的沉降性能，可以減小反應(yīng)器容積，對于各種不利因素具有更強的抗沖擊負(fù)荷能力，在實際廢水生物除磷領(lǐng)域具有更加廣闊的發(fā)展前景．

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