好氧顆粒污泥和絮狀污泥處理汽車涂裝廢水對比研究

汪 彪，楊丹丹

（安徽建筑大學 環境與能源工程學院，安徽 合肥 230601）

好氧顆粒污泥是生物處理系統中微生物在適當生活環境下相互聚合，形成傳質條件好、生物活性高和降解性能好、耐高有機負荷同時具有硝化和反硝化且不易發生污泥膨脹的一種宏觀顆粒狀絮凝體，在污廢水處理中具有廣泛的應用前景[1-7]。絮體污泥是活性污泥的常態，污泥結構比較松散不規則，密度與水接近與好氧顆粒污泥相比在結構和微生物方面存在很大差異，由于具有高效穩定可靠的出水優點被廣泛應用于市政和工業廢水的處理工藝中[8-10]。汽車涂裝廢水中含有大量污染物，種類多，成分復雜，且每一種廢水水質的成分和濃度因為所使用的的材質不同會產生很大的差異；排放無規律可循，大多數間歇集中排放，水質與水量不穩定且無規律可循[11]。

有相關研究表明，好氧顆粒污泥的處理效果比絮狀污泥好也更加節約運行成本[12-13]。對紡織品廢水處理好氧顆粒污泥CODcr去除率要高于絮狀污泥[14]，但是對處理汽車涂裝廢水卻很少有相關研究報道。本實驗通過在SBR（sequencing batch reactor）反應器中培養馴化絮狀污泥為參照對比培養馴化好氧顆粒污泥在處理汽車涂裝廢水的降解性能進行研究。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗裝置

該SBR反應器均采用PP-工程塑料制成。反應器高度55 cm，內徑10 cm，有效容積為2.5 L。原水經過蠕動泵加壓后通過反應器的頂部進入反應器。底部設置一組微孔曝氣頭用于供氣，并通過氣體流量計控制曝氣量，電磁閥用于控制排水。整個SBR反應器運行過程中的進水、曝氣、沉淀、排水的時間都由電控系統時間控制器控制，SBR整個實驗裝置如圖1所示。

圖1 實驗裝置示意圖

1.2 試驗用水

實驗初期（10 d前）采用人工配水模擬廢水，蔗糖提供碳源，氯化銨提供氮源，磷酸二氫鉀提供磷源，同時控制C∶N∶P質量比為100∶10∶1，常量元素和微量元素成分和濃度如表1。反應器運行10 d后，基本處于穩定狀態后開始在人工配水中逐步按比例添加汽車涂裝廢水，采用逐步提高負荷法培養好氧顆粒污泥。汽車涂裝廢水取自合肥市某汽車廠一級物化出水其水質指標如表2。

表1 人工配水中化合物的成分與濃度

表2 汽車涂裝廢水一級物化出水

1.3 接種污泥

試驗中接種污泥取自合肥市某污水處理廠曝氣池，接種污泥呈黑色，混合液懸浮固體（MLSS）為3.5 mg/L,污泥體積指數（SVI）值為98 mL/g，揮發性懸浮性固體（MLVSS）為2.7 mg/L。

1.4 實驗培養優化方案與運行參數

在用于培養馴化絮狀污泥R1反應器和培養馴化好氧顆粒污泥R2反應器，兩組反應器每天工作6個周期，每個周期4 h，排水流量為2 L，排水流量比為50%，具體運行時間如表3。其他運行條件如下：進水中DO穩定在7 mg/L，調節pH在7.5左右，該反應器不設置污泥回流設置。R2反應器先于R1反應器接種污泥，在反應器中以蔗糖為碳源培養至顆粒污泥達到穩定狀態，之后對絮狀污泥反應器R1同樣以蔗糖為碳源進行培養，在保持兩組反應器進水水質相同。當兩組反應器污泥成熟后，使兩組反應器的污泥濃度達到統一值4.5 g/L，然后開始馴化。每3 d調整一次進水水質，通過對涂裝廢水不同梯度的稀釋來獲取，定期監測反應器運行狀態和污泥的形態及時做出調整確保反應器穩定運行。不同時期稀釋的倍數根據當時所取的汽車涂裝廢水的有機物濃度確定，進水COD的濃度由剛開始的80 mg/L逐漸提升至馴化末期的500 mg/L。

表3 R1和R2反應器運行時間/min

1.5 分析項目和方法

CODcr：重鉻酸鉀分光光度法；NH4+-N:納氏試劑分光光度法；DO:DO檢測儀；pH:pH檢測儀；PO43-:鉬銻抗分光光度法；MLSS和MLVSS:重量法；SVI:標準法；所有指標均采用國家標準方法[15]。

污泥中EPS提取采用熱提取法[16]，取10 mL活性污泥混合液，在4 000 r/min離心5 min，棄去上清液，以硫酸鹽緩沖液補足體積，在80℃水浴中提取30 min后，5 000 r/min離心30 min，取上清液經過0.22μm濾膜過濾。提取液體中蛋白質（PN）采用馬斯亮藍法測定，多糖（PS）采用苯酚硫酸法測定。

2 結果與討論

2.1 對細胞外聚合物(EPS)含量分析對比

胞外聚合物（EPS）是微生物代謝中分泌的具有粘性的物質,主要由蛋白質（PN）和多糖（PS）組成，是活性絮體污泥、顆粒污泥、生物膜的重要組成成分，對生物聚集體的形成與結構維持具有重要作用[17-19]。由于EPS具有粘附性對污泥粘度有較大的相關性[20]，并且粘度隨著EPS的含量的增加而增加污泥絮體的絮凝能力也會增強，小的絮凝體更加容易聚集成大的絮凝體[21-22]，因此對顆粒污泥形成具有增強作用[23]。有相關研究表明PN具有電負性和疏水性，能夠改變污泥的表面性質，促進顆粒的形成。PS可以調節細胞的內聚力和黏附力，在污泥顆?；^程中對維持污泥結構的完整性起著至關重要的作用[24]。PN/PS代表顆粒的穩定性，PN/PS越高，意味著顆粒沉降性和穩定性越好。但研究結果分歧明顯，爭議為EPS的主要成分—PS和PN，因此對EPS組分的深入研究有助于了解顆粒污泥形成機理。

從圖2和圖3可以明顯的看出兩組反應器的EPS的含量都呈現上升的趨勢。主要原因是細菌在不適應的環境中分泌更多的PS和PN來保護自己。好氧顆粒污泥分泌的EPS的含量明顯高于絮狀污泥分泌的EPS含量，好氧顆粒污泥中EPS的總量范圍在54～70 mg/g VSS（以單位質量揮發性懸浮固體（VSS）中的EPS質量記）之間，絮狀污泥中EPS的總量范圍在36～52 mg/g之間，也就說明了好氧顆粒污泥的抗有機負荷能力比絮狀污泥抗有機負荷的能力要強。反應器R1在45 d達到最大值67 mg/g，反應器R2在40 d達到最大值53 mg/g。其中R1反應器中的EPS由培養初期的54 mg/g增加到67 mg/g，由此可見EPS有利于細胞之間的凝聚性以及維持顆粒之間的穩定性。45 d時R1反應器EPS含量開始出現下降趨勢，污泥EPS的積累會影響污泥的沉降性和穩定性產生不利影響[25]，一部分蛋白質和多糖在基質饑餓期被消耗，使得EPS含量降低[26]。

圖2 R1反應器胞外聚合物及其組分變化

圖3 R2反應器胞外聚合物及其組分變化

10 d后隨著汽車涂裝廢水按一定的比例添加R1和R2反應器中EPS的含量還是呈現上升的趨勢，R1反應器中PN和PS相差不大，R2反應器中PN為PS的2.86倍，這也就表明了汽車涂裝廢水對好氧顆粒污泥和絮狀污泥沒有明顯的抑制作用。R1反應器中PN/PS基本呈現下降趨勢，R2反應器PN/PS處于先上升后下降的趨勢，可能的原因是有機負荷的增加對污泥的穩定性的影響，明顯好氧顆粒污泥的穩定性要比絮狀污泥的穩定性要強。同時兩組反應器中PN在絮狀污泥和好氧顆粒污泥中占優勢地位，可能主要原因是顆粒污泥形成過程中主要與蛋白質內核有關。PN中大部分由胞外酶組成，主要參與微生物的聚集體水解活動[27]，同時PN具有很多氨基官能團可中和表面負電荷促進顆粒黏附絮凝，是影響污泥絮凝的最重要的因素[28]，因此反應器R1、R2中PN的含量大致不斷增加，對顆粒污泥結構的維持具有關鍵作用。有研究通過比較正常污泥、膨脹污泥、解體污泥中EPS的組成及其含量發現正常污泥的EPS含量最低，蛋白質占EPS的主要組分[29]。

2.2 污染物去除效果

2.2.1 化學需氧量（CODcr）的去除效果分析對比

兩組反應器中的好氧顆粒污泥和絮狀污泥對汽車涂裝廢水的CODcr去除情況如圖4所示。

圖4 CODcr的去除效果

從圖4可以看出，好氧顆粒污泥對CODcr去除效果明顯比絮狀污泥對CODcr的去除效果要好。剛開始的時候兩者的去除率都比較低只有67.4%左右，可能原因是此時兩者都處于適應期，也有可能是反應器中污泥沒有完全成熟。10 d開始在人工模擬的廢水中逐步按比例添加涂裝廢水進行污泥的馴化從圖4中可以看出好氧顆粒污泥在適應涂裝廢水能力比絮狀污泥要強得多，主要原因是因為好氧顆粒污泥具有很強的耐有機負荷能力。45 d左右，兩組SBR反應器進水基本上全為汽車涂裝廢水，兩組反應器基本適應了汽車涂裝廢水的水質，整個反應器運行穩定并且好氧顆粒污泥去除率都比絮狀污泥平均高8.5%左右。

2.2.2 對氨氮(NH4+-N)的去除效果分析對比

從圖5可看出兩組反應器對氨氮(NH4+-N)都有比較高的去除率，好氧顆粒污泥對氨氮的平均去除率在92.6%左右，絮狀污泥對氨氮的去除率平均在91.0%左右。15 d好氧顆粒污泥和絮狀污泥對氨氮的去除能力相當，去除率都在92.1%左右，隨后一段時間去除率稍微降低可能是因為隨著污泥負荷的增加影響了亞硝化菌落的活性，使得氨氮的氧化速率下降，從而導致氨氮的去除率降低。當進水全為汽車涂裝廢水時，好氧顆粒污泥和絮狀污泥依然保持較高的的去除效果并且好氧顆粒污泥比絮狀污泥去除率平均高1.2%左右。

圖5 氨氮(NH4+-N)的去除效果

2.2.3 對PO43--P的去除效果分析對比

隨著進水中汽車涂裝廢水占比的提高，R1和R2兩組反應器對PO43--P的去除效果對比如圖6所示。結果表明，兩組反應器對PO43--P的去除效果無明顯差異。在馴化初期，去除效果都比較低只有65.3%左右?？赡芤环矫媸莾山M反應器都處于汽車涂裝廢水的適應期，另一方面可能是污泥已經足夠成熟了，生長速度緩慢，沒有定期排泥導致初期除磷效果比較低。20 d后，好氧顆粒污泥表現出略微的降解優勢，最后兩組反應器對PO43--P的去除率穩定在72.5%左右。生物除磷的機理是利用在好氧、厭氧交替條件下培養出的聚磷微生物，在厭氧段有機物通過微生物的發酵作用產生揮發性脂肪酸（VFAs）為生物脫氮除磷提供碳源[30-31],聚磷菌（PAO）將VFAs攝入細胞，轉化為內貯物并將磷以正磷酸鹽的形式釋放到污水中。在好氧階段，聚磷微生物從污水中吸收過量的正磷酸鹽，合成新的細胞形成富磷污泥，通過排出剩余污泥達到除磷的目的。本實驗兩組SBR反應器基本都處于曝氣階段，沒有厭氧好氧交替的環境條件，不利于聚磷微生物的生長[32]。同時長時間的曝氣會使得好氧菌和PAO產生競爭，顆粒內部優勢菌落發生變化。以及排出污泥中帶走了部分的PAO，使得PAO的含量將大大減少會導致PO43--P的去除率下降[33]。

圖6 PO43--P的去除效果

3 小結

好氧顆粒污泥和絮狀污泥在降解汽車涂裝廢水時，R2反應器所分泌的EPS的含量明顯高于R1反應器且兩者中PN占主要比重，說明顆粒污泥形成過程中主要與蛋白質內核有關，降解的性能也明顯比絮狀污泥降解的效果更好。汽車涂裝廢水對于好氧顆粒污泥和絮狀污泥顆?；M程沒有明顯的抑制作用,同時好氧顆粒污泥對汽車涂裝廢水的CODcr去除率高于絮狀污泥，而對NH4+-N、PO43--P的去除效果差別不大基本保持一致。