铅离子对好氧颗粒污泥性状及污水处理性能影响

孙 威，杨春维，汤 茜，迟 赫，孙玉伟

(吉林师范大学环境工程学院, 吉林 四平 136000)

好氧颗粒污泥是一种新型的好氧微生物固定化技术，因为其具有沉降性能好，结构密实，微生物量大，抗冲击负荷能力强等优点引起了众多学者的广泛关注[1-4]。一般认为好氧颗粒污泥粒径在 0.5~5 mm之间，其形成与底物种类、有机负荷、水力剪切、钙离子浓度、反应池类型等参数有着密切的关系[5,6]。本研究采用竖式SBR反应器培养出了好氧颗粒污泥，并考察了铅离子对其性状和性能的影响，以期为其进一步研究应用提供有益的帮助。

1 实验部分

1.1 实验装置与流程

实验采用自制圆柱形有机玻璃反应器，如图1所示。反应器高120 cm，内径12 cm，有效容积10 L。原水经恒流泵进入，通过调节流速控制进水时间。反应器中部设有排水口进行排水，排水体积为5 L。气泵经气体流量计由反应器底部曝气，反应每个周期分为进水、曝气反应、沉降、排水、闲置 5个步骤，反应中水温为(18±2)℃，每个周期 5 h，期中进水1 h，进水同时曝气，曝气反应3 h，沉降和排水0.5 h，闲置0.5 h。

图1 SBR装置示意图Fig. 1 Schematic representation of SBR reactor

1.2 实验试剂

蛋白胨，北京奥博星生物技术有限责任公司；可溶性淀粉，分析纯，沈阳化学试剂厂；蔗糖，分析纯，沈阳化学试剂厂；K2HPO4，分析纯，沈阳市东华试剂厂； Pb(NO3)2，分析纯，上海飞祥化工厂；K2Cr2O7，分析纯，北京化工厂生产；Ag2SO4，分析纯，北京化工厂生产；H2SO4，分析纯，葫芦岛市化学试剂厂生产； NaOH、HCl，分析纯，北京化工厂生产。

1.3 接种污泥与底物

接种污泥采自某城市污水处理厂二沉池。实验用水为人工配制，主要成分为：可溶性淀粉0.150 0 g/L，蔗糖0.150 0 g/L，蛋白胨0.150 0 g/L，磷酸氢二钾0.050 0 g/L，其COD大约为400~500 mg/L。

1.4 分析测试方法

实验中测定了COD（Chemical Oxygen Demand，化学需氧量）、SV（Settling Velocity，污泥沉降比，又称30 min沉降率）、MLSS（mixed liquid suspended solids，混合液悬浮固体浓度)等指标。

pH值使用便携式pH计（pH330i，德国WTW）测定。

COD采用COD571-1型COD分析仪（上海雷磁）测定。计算COD去除率如下式：

式中,COD0为反应前水样COD值，CODt为反应t时刻水样COD值。本研究中实验数据均取3个平行样，本文中实验结果数据均为进行误差分析后的最佳估计值。

污泥性状采用相衬显微镜（BM-8，上海光学仪器厂）放大120倍观察。

颗粒污泥粒径采用读数显微镜（JXD-B，上海精密仪器设备有限公司）测定。

2 颗粒污泥的培养

将接种污泥置入反应器中，采用实验用水恢复性培养3天，持续曝气，维持溶解氧（＞2 mg/L）和适宜的pH值（7±1）。每12 h停曝气1 h，用于沉降污泥和置换实验用水。持续曝气3天后污泥沉降性能良好，MLSS达到2 800 mg/L。SV达22%，镜检发现菌胶团结构密实，后生动物以滴形虫和游泳型纤毛虫为主，如图2(a)所示。

经过恢复性培养的污泥已经具有初步的处理污水能力。进而采用SBR周期进水方式进一步培养。维持曝气流量为0.3 m3/h，在该气量条件下，污泥混合搅拌充分，活性污泥颗粒逐渐增大。直到第 20天，MLSS可达3 230 mg/L，SV为30%左右，镜检有大量钟虫和寡毛虫出现，并有大量肉眼可见的颗粒污泥形成，这标志着颗粒污泥的培养基本完成。污泥镜检如图2（b,c,d）所示。通过读数显微镜测定，颗粒污泥直径在0.5~3 mm之间。

图2 颗粒活性污泥培养过程镜检图Fig.2 Microscopy figure of the aerobic granular sludge during the cultivation

颗粒污泥的形成机理复杂，目前有胞外多聚物假说[7,8]、生物自絮凝假说[9]和选择压驱动假说[10]。而本研究团队认为好氧颗粒污泥的形成过程是上述假说的综合过程，即微生物由于其胞外多聚物具有黏性和巨大的比表面积，因此可形成较为密实的菌胶团，在静电斥力和水力作用下产生自絮凝现象，在一定的搅拌流速和选择性压力下，在细胞内部、细胞之间以及多种属的细菌之间、蛋白质之间产生吸附作用，从而使微生物聚集形成紧密的三维立体结构，形成颗粒污泥。

由上述分析可知，好氧颗粒污泥的形成需要以下几个必要条件：1）活性污泥性状良好；2）底物和培养条件适宜；3）要求有一定得水力或气速条件，即可以使菌胶团之间多次碰撞，产生胶联、自絮凝现象；4）沉淀时间不能太长，创造选择性压力排掉沉淀性能较差的微生物，实现优良颗粒污泥种群的筛选。

3 结果与讨论

3.1 不同气量对COD降解过程的影响

曝气在好氧颗粒污泥系统中，不仅仅起到曝气和传质的作用，同时对于好氧颗粒污泥的形成和稳定也起到至关重要的作用，因此本研究也对不同气量条件下 COD的降解情况、污泥的性状进行了研究。不同的曝气量影响COD的降解率。气量过小，会造成活性污泥的厌氧呼吸，降低微生物对有机物质的降解和吸收，从而影响COD的降解；气量过大，微生物迅速繁殖，可能造成污泥丝膨胀，活性污泥量减少，降低COD的降解。如图3所示，当进气量较大或者较小时，COD的去除率曲线波动较大，COD的降解不稳定，故在误差允许的范围内，当气量为0.3 m3/h时，COD的降解趋势稳定。因此从上述结果可见，当曝气量为0.3 m3/h时，好氧颗粒活性污泥降解模拟污水的过程最为理想。

3.2 重金属离子对颗粒污泥降解效果的影响

在工业废水中，存在的重金属离子有时对微生物具有抑制和毒害作用，主要表现在破坏细胞的正常结构及使菌体内的酶变质，并失去活性。尽管活性污泥中的微生物具有被逐步驯化和适应的能力，但如果高毒物负荷持续较长时间，会使毒性物质完全穿透活性污泥，使活性污泥代谢能力必然会受到较大的影响。实验选择 Pb(NO3)2作为模型污染物，对其影响颗粒污泥降解模拟污水过程 COD去除率进行考察。

图3 不同曝气流量对COD降解过程的影响Fig.3 Influence of different gas flow rates on COD

由图4可见，随着Pb2+浓度的升高，Pb2+对颗粒污泥的毒性作用增强，与未加入Pb2+的对照组比较，当反应器中Pb (NO3)2浓度分别为10, 20, 30 mg/L时，经过曝气反应180 min后，颗粒污泥降解模拟污水COD去除率分别比对照组下降了 36.0%，53.1%,63.2%，Pb (NO3)2浓度为30 mg/L，反应21 min后出水COD去除率仅为33.8%。这表明Pb2+对颗粒污泥中微生物的影响较大，使微生物对有机物质的降解能力大大降低。重金属离子导致COD去除率下降，主要原因可能基于以下两点：一是重金属离子的存在严重影响了污泥系统中原生动物的生长。重金属离子可能对原生动物的细胞膜和蛋白质造成伤害，会抑制原生动物降解细菌的部分胞外聚合物，阻碍矿物质的循环，从而抑制细菌的生长。二是重金属离子对细菌的影响。当重金属离子浓度较大时，会改变细菌体内外渗透压的平衡，从而抑制其正常生长代谢，导致系统COD去除率发生变化。

图4 硝酸铅对COD降解的影响Fig.4 Influence of [Pb2+] to COD degradation rates

实验还考察了反应 180 min后，Pb2+不同浓度时，颗粒污泥的SVI（Sludge Volume Index，污泥体积指数）变化情况，如图5所示。反应系统中无Pb2+存在时，其SVI基本保持在150左右，而随着Pb2+的出现，颗粒污泥的SVI下降为100左右，且SVI大小与 Pb2+离子浓度关系不大。但是随着 Pb2+离子浓度增加，颗粒污泥性状发生了明显变化，高浓度时污泥解絮现象严重，SV有下降趋势。但是由于Pb2+离子被菌胶团吸附的缘故，颗粒污泥的 SVI并没有太大变化。镜检结果表明，重金属离子浓度较大的污泥系统中，游离菌的数目极少，菌胶团的生长受到了比较明显的抑制，结构松散。

图5 Pb2+对系统SVI的影响Fig. 5 Influence of [Pb2+] on the SVI

图6 Pb2+对系统SV的影响Fig. 6 Influence of [Pb2+] on the SV

4 结 论

（1）以污水处理厂剩余污泥作为接种污泥，通过控制竖式SBR反应器曝气量、沉淀时间等实现活性污泥的颗粒化，粒径可达0.5~3.0 mm，颗粒污泥性状未定，污泥浓度可达3 230 mg/L，SV可达30%，SVI为150左右，模拟污水COD去除率可达95.7%。

（2）曝气量是竖式SBR反应器培养颗粒污泥的重要参数之一，曝气量为0.3 m3/h时，颗粒污泥降解模拟污水效果理想，性状稳定，气量过大或者过小均不利于颗粒污泥的形成和稳定。

（3）重金属离子Pb2+对驯化的竖式SBR颗粒污泥系统影响较大，Pb (NO3)2浓度分别为10, 20, 30 mg/L时，经过曝气反应180 min，颗粒污泥降解模拟污水COD去除率分别比未加Pb (NO3)2时下降了36.0%，53.1, 63.2%。

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