顆粒污泥與絮體污泥占比對番茄醬廢水降解效能的影響

王維紅，董星遼，肖 飛，包文婷

1) 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052 2) 洛陽有色金屬加工設(shè)計研究院，洛陽 471039

好氧顆粒污泥（Aerobic granular sludge, AGS）作為普通活性污泥中微生物自凝聚的一種特殊形式，具有沉降性能好，抗沖擊負(fù)荷能力和去污能力強(qiáng)等優(yōu)點[1]. 目前，對AGS的研究主要集中在2個方面：一是顆粒污泥的物理、化學(xué)和生物特性，二是影響制粒時間及穩(wěn)定特性的工藝參數(shù)和環(huán)境條件[2]. 近些年，有很多學(xué)者開始研究顆粒污泥微生物的演替作用，并取得了一定的進(jìn)展[3-4]，但在實際的好氧顆粒污泥處理系統(tǒng)中絮體污泥的存在不容忽視，顆粒污泥系統(tǒng)實際上是一個“雙泥”混合系統(tǒng)[5]，在運(yùn)行過程的延續(xù)中，顆?；^程的實質(zhì)是系統(tǒng)產(chǎn)生的絮體污泥不斷向顆粒污泥轉(zhuǎn)化，從而使顆粒污泥的粒徑不斷變大的過程[6]. 兩種污泥的質(zhì)量分?jǐn)?shù)處于動態(tài)變化中，且影響著系統(tǒng)的除污效能[7]. 研究絮體污泥與顆粒污泥的最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，可以為系統(tǒng)的運(yùn)行控制提供參考.

在顆粒污泥形成過程中，宏觀上絮體污泥始終存在并影響顆?；^程的進(jìn)行，由于顆粒污泥和絮體污泥傳質(zhì)、擴(kuò)散和微生物數(shù)量的不同，兩者存在利用營養(yǎng)物質(zhì)的競爭關(guān)系[8]. 大多數(shù)研究者在培養(yǎng)顆粒污泥時，都沒有將顆粒污泥培養(yǎng)到徹底解體，但顆粒污泥解體依然是技術(shù)應(yīng)用存在的致命問題. 隨著顆粒污泥泥齡和粒徑增加到一定程度，大顆粒污泥由于受到營養(yǎng)物質(zhì)傳質(zhì)受限而率先解體，導(dǎo)致系統(tǒng)的水質(zhì)惡化[9]. 因此，運(yùn)行中有必要將大顆粒的顆粒污泥在解體前排出系統(tǒng)，保持一定量的絮體污泥作為形成顆粒污泥的“后援”，若絮體污泥和顆粒污泥能夠達(dá)到一個動態(tài)平衡，老化的顆粒污泥排出反應(yīng)池，新生的污泥重新顆粒化，如此循環(huán)更替，那么有望實現(xiàn)顆粒污泥的長期穩(wěn)定運(yùn)行且不存在顆粒污泥解體問題[10]. 本研究以番茄醬加工廢水為培養(yǎng)基質(zhì)，以SBR（Sequencing batch reactor）反應(yīng)器的運(yùn)行模式探討顆?；^程中的顆粒污泥粒徑變化和對化學(xué)需氧量（COD）、N、P的去除能力的影響；并分析顆粒污泥和絮體污泥以不同比例共存時對番茄醬加工廢水的降解能力和混合污泥系統(tǒng)的污泥最佳比例.

1 試驗材料及方法

1.1 試驗裝置、接種污泥及試驗方法

以人工模擬番茄醬加工廢水為培養(yǎng)基質(zhì)，在SBR反應(yīng)器中運(yùn)行周期包括進(jìn)水、曝氣、沉降和出水4個階段，共240 min[11]. 前期試驗接種污泥來自番茄醬廠二沉池絮體污泥，平均粒徑小于20 μm，在SBR反應(yīng)器中培養(yǎng)好氧顆粒污泥的試驗持續(xù)進(jìn)行了180 d，直至系統(tǒng)解體[12]. 沉降時間由初始的30 min逐漸調(diào)整至5 min，相應(yīng)地逐漸增加曝氣時間.

后續(xù)試驗的接種污泥為絮體污泥和顆粒污泥，均來自SBR反應(yīng)器[13]. 試驗分為A、B、C三組進(jìn)行，每組又分三批作為對照試驗，每批的三組試驗結(jié)果的平均值作為本試驗結(jié)果. 試驗采用1000 mL的錐形瓶作為反應(yīng)器模型（實驗組數(shù)較多，便于操作），執(zhí)行SBR工藝的序批運(yùn)行模式，進(jìn)水10 min、曝氣213 min、沉降15 min和出水2 min，此為一個周期，共240 min. 溶解氧（DO）由曝氣泵輸入的空氣提供，維持在約8 mg·L-1. pH值在7.3～7.8之間，溫度在15～22 ℃之間. 顆粒污泥的來源：先用清水沖洗SBR反應(yīng)器培養(yǎng)的沉淀污泥，排出上清液保留沉淀污泥，再用0.45 mm至3 mm孔徑的標(biāo)準(zhǔn)篩篩分出足夠的顆粒污泥. 取0.45 mm孔徑的標(biāo)準(zhǔn)篩篩分出絮體污泥，按照試驗設(shè)計的比例進(jìn)行混合. 試驗按照絮體污泥和顆粒污泥的不同體積占比進(jìn)行. 顆粒污泥粒徑為0.45～3 mm之間，粒徑小于0.45 mm的為絮體污泥. 污泥總體積占反應(yīng)器有效體積的30%不變，絮體污泥與顆粒污泥濕體積占比如表1所示.

1.2 試驗進(jìn)水

污水處理對象為番茄醬加工廢水，進(jìn)水水質(zhì)為人工模擬番茄醬加工廢水. 以番茄鮮果為原材料榨汁提供碳源，COD濃度為1000～1300 mg·L-1，N、P元素由NH4Cl和Na2HPO4提供，質(zhì)量濃度分別為50 mg·L-1和10 mg·L-1. pH值采用無水碳酸鈉（Na2CO3）調(diào)節(jié)，PH值在 7.3～7.8之間. 常量元素和微量元素成分和濃度參照表2[14].

表1 試驗污泥分組Table 1 Test sludge grouping%

表 2 人工合成番茄醬加工廢水的組分Table 2 Components of wastewater from tomato sauce processingmg·L-1

1.3 主要檢測儀器設(shè)備

本試驗中用到的主要設(shè)備儀器為：超純水機(jī)（FJY2002-UVF），超聲波清洗器（KQ5200DE），電子天平（Quintix224-1），紫外分光光度計（DR6000），磁力攪拌器（JB-2A），溶解氧儀（JPB-607A）等.

1.4 分析項目及測定方法

1.4.1 基礎(chǔ)檢測項目

1.4.2 檢測方法

為監(jiān)測AGS系統(tǒng)的出水水質(zhì)及處理效率，采用國家環(huán)?？偩忠?guī)定的標(biāo)準(zhǔn)檢測方法[15]檢測指標(biāo). 其中的檢測方法分別為重鉻酸鹽法，氨氮納氏試劑分光光度法和磷酸鹽離子色譜法.

2 結(jié)果及討論

2.1 顆粒污泥優(yōu)勢粒徑分布

前人對不同廢水的顆?；^程的研究已經(jīng)表明，處理不同基質(zhì)的廢水所產(chǎn)生的顆粒污泥的粒徑大小不同，且粒徑范圍也有較大差異[16].

本研究顆?；^程運(yùn)行期內(nèi)的粒徑分布如圖1所示. 研究表明：運(yùn)行40 d后，粒徑為0.5～1 mm左右的顆粒污泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過55%. 第60至150天運(yùn)行期間，顆粒大小主要集中在0.5～3 mm粒徑范圍內(nèi)，顆粒污泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)近85%，其余為絮體污泥，0.5～3 mm粒徑最終成為優(yōu)勢粒徑范圍.

圖1 顆粒粒徑分布Fig.1 Particle size distribution of granule

2.2 顆粒污泥系統(tǒng)對有機(jī)物的降解

2.2.1 AGS系統(tǒng)對COD的降解

如圖2 所示，試驗采用逐漸提高有機(jī)負(fù)荷的培養(yǎng)方式，有利于增強(qiáng)系統(tǒng)的抗沖擊性，縮短顆粒污泥形成時間. 試驗的第Ⅰ階段，進(jìn)水COD為400 mg· L-1時，出水COD不穩(wěn)定，最大值為138 mg· L-1. 在Ⅱ階段，反應(yīng)器進(jìn)水COD質(zhì)量濃度800 mg· L-1，平均去除率達(dá)到95.53%. 尤其在Ⅲ-Ⅳ階段COD由1300 mg· L-1增加到1700 mg· L-1，COD的去除率提高到97.7%，表明經(jīng)過一段時間的適應(yīng)，污泥對COD的降解能力和抗沖擊能力顯著提高. 150 d后，繼續(xù)將COD增加到2000 mg· L-1，去除效率開始下降. 此后，即使COD降低到1400 mg·L-1，去除效率也沒有提高，平均去除率保持在90.18%左右.分析原因有：這一階段隨著粒徑大于3 mm的污泥顆粒數(shù)量的增加，顆粒面臨老化，活性及理化性能有所降低，與進(jìn)水COD濃度增高不相匹配，導(dǎo)致對COD的去除沒有明顯提高反而下降，所以將大于3 mm的顆粒污泥排出系統(tǒng).間，用雙向排泥方式將顆粒污泥控制在優(yōu)勢粒徑范圍內(nèi)，AGS系統(tǒng)能夠有效地降解

圖2 AGS系統(tǒng)對COD的去除效果Fig.2 Removal effect of AGS system on COD

圖3 AGS系統(tǒng)對—N的去除效果Fig.3 Removal effect of AGS system on—N

圖4 AGS系統(tǒng)對—P的去除效果Fig.4 Removal effect of aerobic granular sludge system on—P

2.3 不同顆粒污泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的混合污泥性能和有機(jī)物去除能力

2.3.1 不同顆粒污泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的混合污泥性能

各組污泥的評價指標(biāo)SVI5、SVI30、MLSS、MLVSS等如圖5所示. A、B、C三組不同污泥配比試驗的SVI5和SVI30值分別為：A組64.05 mL·g-1、50.87 mL·g-1；B組40.11 mL·g-1、36.39 mL·g-1；C組35.88 mL·g-1、33.19 mL·g-1.

由圖5可知，隨著顆粒污泥量的增加，其SVI5、SVI30變化呈下降趨勢，SVI30值在50.87～33.19 mL·g-1之間. 但結(jié)合圖中MLVSS/MLSS可以看出，SVI30值在35 mL·g-1左右，系統(tǒng)微生物仍然處于快速增殖期[19]. 由此可見，顆粒污泥在低SVI值情況下依然保持著高的污泥活性. 傳統(tǒng)的活性污泥SVI30值一般保持在70～100 mL·g-1，在同一污泥濃度下，當(dāng)污泥混合物中含有較多無機(jī)物時，活性較差，SVI值小于50 mL·g-1[20]. 圖中A、B、C三組不同污泥配比試驗的SVI5/SVI30分別為：1.26、1.10、1.08，各組污泥的沉淀性都要優(yōu)于普通的活性污泥，顆粒污泥占比越大，沉淀性能越好，但B組和C組沉降性已經(jīng)十分接近.

圖中A、B、C三組不同污泥配比試驗的MLSS和MLVSS值，分別為A組：5.31 g·L-1、4.69 g·L-1；B組：6.73 g·L-1、6.05 g·L-1；C組：11.15 g·L-1、10.01 g·L-1.隨著顆粒污泥量的增加，MLSS和MLVSS值的變化呈增長趨勢，且B組相對于A組的MLSS和MLVSS漲幅分別為27%和29%；而C組相對于B組的MLSS和MLVSS漲幅均高達(dá)66%，說明隨著系統(tǒng)污泥濃度的增長，污泥活性同步、快速增加，微生物生長旺盛. A、B、C三組不同污泥配比的MLVSS/MLSS值分別為0.883、0.90、0.90. B組和C組的MLVSS/MLSS值趨于一致（0.90），均高于A組. 當(dāng)系統(tǒng)所處理水質(zhì)相同時，MLVSS/MLSS的值越高，則說明污泥活性越高.

2.3.2 不同顆粒污泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的混合污泥對有機(jī)物去除

出水水質(zhì)是衡量一個系統(tǒng)運(yùn)行是否可行的重要指標(biāo). 本研究各試驗組之間的水質(zhì)處理情況如圖6.

（1）對COD的去除.

圖5 各組污泥指標(biāo). （a） SVI；（b）MLSS、MLVSSFig.5 Sludge index of each group: (a) SVI；(b) MLSS、MLVSS

圖6 混合污泥對COD的去除Fig.6 COD removal by mixed sludge

圖6給出了顆粒污泥在25%、50%、75%不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)情況下對COD的去除能力. 在反應(yīng)30 min時對COD的去除率均可達(dá)到90%以上，240 min周期結(jié)束后，A、B、C三組出水COD分別為16.06，8.44和14.45 mg·L-1，去除率為98.63%，99.31%和98.79%. 由此可見，各配比污泥對COD的去除率均能達(dá)到98%以上，但質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的顆粒污泥對COD的去除能力更高一些. 本次試驗整體對COD的去除率都較高，可能是跟選取的粒徑尺寸有關(guān)，An等[21]報道好氧顆粒污泥粒徑在1.6 mm左右去除能力最強(qiáng)，本課題組前期也做了不同顆粒粒徑的去除能力研究，表明粒徑在1～1.6 mm時對COD的去除效果最好[22]. 另外，可以看出不同絮體配比的顆粒污泥對COD去除能力影響不大，可能是絮狀污泥和顆粒污泥中的好氧菌對COD的去除率都很高.

圖7 混合污泥對—N、—P的去除. （a）—N的去除；（b）—P的去除Fig.7 Removal of—N、—P by mixed sludge：(a) removal of—N；(b) removal of—P

圖7給出了顆粒污泥在25%、50%、75%不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下對的去除能力. 由圖7可知，三組進(jìn)水—N質(zhì)量濃度都保持在50 mg·L-1，反應(yīng)結(jié)束時，三組系統(tǒng)中剩余的質(zhì)量濃度分別為12.86，10.61，4.23 mg·L-1，對的去除率分別為76.26%，78.72%和91.33%.三組試驗對比，顆粒污泥占比少，對—N的去除能力低，無法有效去除—N. 李志華等[23]研究發(fā)現(xiàn)硝化過程中等各物質(zhì)的轉(zhuǎn)化與顆粒粒徑和數(shù)量有很大的關(guān)系，粒徑越小，數(shù)量越多，轉(zhuǎn)化的量越多. 好氧顆粒污泥由其獨特的結(jié)構(gòu)使物質(zhì)傳遞受到限制，讓好氧顆粒污泥內(nèi)外存在厭氧、缺氧、好氧分層，這種分層剛好為不同喜性的菌群（好氧菌、厭氧菌、兼性厭氧菌等）提供良好的生存環(huán)境[24]. 顆粒污泥的結(jié)構(gòu)能為硝化和反硝化反應(yīng)的脫氮反應(yīng)提供有利條件[25].

3 結(jié)論

（1）混合污泥SVI30值低于50 mL·g-1時，MLVSS/MLSS仍能達(dá)到0.90，說明系統(tǒng)的污泥活性依然很高，微生物處于生長旺盛期，AGS系統(tǒng)的微生物數(shù)量、污泥密度，出水水質(zhì)及污泥沉降性能均優(yōu)于普通的活性污泥.

（2）番茄醬加工廢水培養(yǎng)的AGS系統(tǒng)的優(yōu)勢粒徑范圍在0.45～3 mm之間. 通過調(diào)整沉淀時間，控制污泥的排出量，維持優(yōu)勢粒徑顆粒與絮體污泥穩(wěn)定共存，絮體污泥不斷顆?；梢詮浹a(bǔ)AGS老化的不足，對COD，—N，—P的平均去除率分別達(dá)到95.53%，91.87%和86.98%.

（3）顆粒污泥的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%時，對COD的去除率最高；其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%時，水質(zhì)處理的綜合效果最優(yōu)，COD的去除能力達(dá)到98%以上，對—N的去除率為78.72%，出水—P在1.0 mg·L-1左右，去除率可達(dá)到70.68%，其脫氮除磷效果較好. 但質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%的顆粒污泥，對COD的去除能力達(dá)到98%以上，對出水—N和—P的去除率均達(dá)到90%以上，說明系統(tǒng)微生物數(shù)量更高. 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%～75%的顆粒污泥，MLSS有所增加，而兩者的SVI5/SVI30值接近，MLVSS/MLSS值相等（0.9），說明污泥活性和沉降性均很好.

（4）試驗進(jìn)行至最終沉淀時間在15 min左右，控制絮體污泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～25%時，AGS與絮體污泥形成兩相共存狀態(tài)，粒徑范圍控制在0.45～3 mm，采用雙向排泥方式，將大于3 mm的顆粒和多余的絮體污泥一起排除反應(yīng)池，其有機(jī)物去除性能優(yōu)異.

考慮綜合性能，控制顆粒污泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥75%，絮體污泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～25%為宜，可實現(xiàn)顆粒污泥系統(tǒng)的穩(wěn)定良好運(yùn)行，延長系統(tǒng)運(yùn)行周期，解決污泥解體問題，此結(jié)論可用于指導(dǎo)系統(tǒng)運(yùn)行中控制因子的參數(shù)確定.