低有机负荷对污泥膨胀及造纸废水处理效果的影响

张安龙， 张 雪， 王 森

(陕西科技大学 轻工与能源学院 陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室， 陕西 西安 710021)

0 引言

目前，关于污泥膨胀的研究指出，污泥负荷是最重要的影响因素之一.这是因为在活性污泥法污水处理厂中，污泥负荷最容易随进水水质水量的变化而波动，导致其成为影响污泥膨胀的首要因素[1，2].

有机负荷反应了基质与微生物之间的供求关系，是影响污泥增长、污泥活性、有机物降解的重要因素之一.在污水厂运行中，低DO和低负荷(F/M)是公认地引起污泥丝状菌增殖的主要原因[3]，但在不同类型的反应器中出现污泥膨胀的原因和控制措施其实不尽然相同[4-6].本实验选用氧化沟作为反应器，通过调节有机负荷，来观察其对污泥丝状菌的影响.

1 实验部分

1.1 仪器和试剂

(1)主要仪器：氧化沟(30 L)，恒流泵(BT100-02型)，pH计(PHS-3C型)，COD快速测定仪(5B-6C型)，溶氧计(JPBJ-608型)，磁力搅拌器(C-MAGMS10-S25型)，可见分光光度计(UV7200型)，高速离心机(HC-3018R型)，多媒体电子显微镜(MOTIC型).

(2)主要试剂：浓硫酸(分析纯)，考马斯亮蓝(G250)，硫酸银(分析纯)，重铬酸钾(分析纯).

1.2 实验废水

本实验所用的废水取自陕西某造纸厂的混合废水，该厂主要利用麦草化学浆和废纸浆生产纸品，年产能为10万吨左右.废水的主要指标如表1所示.

表1 水样指标

1.3 污泥的培养与驯化

原始污泥取自西安市第五污水处理厂与造纸厂回流污泥，二者的混合液加入氧化沟，使污泥浓度MLSS在3 000 mg/L左右，并根据COD∶N∶P=350∶5∶1的比例加入氮、磷，溶氧控制在2～4 mg/L[7-9]，随时调节pH，保证pH为6.5～8.5，开始培养驯化.

在驯化初期，污泥沉降比SV30在45%左右，经过一个星期的培养驯化，SV30下降至27%，污泥沉降性能良好，絮凝体紧密，CODCr去除率达到88.31%左右，测得的污泥浓度为2 202 mg/L，镜检观察污泥絮体良好，微生物种类丰富，生命力旺盛，具体情况如图1～图3所示.

图1 大量累枝虫

图2 轮虫

图3 污泥絮

1.4 实验方法

在研究污泥负荷对污泥膨胀的影响时，需对其它能够影响污泥膨胀的因素进行严格控制，使其不能成为污泥膨胀的影响因素.为此，在实验中进行如下设定：溶解氧浓度2～4 mg/L；反应器进水中的N、P含量通过投加氯化铵和磷酸二氢钾来调节，并根据水中有机物浓度控制COD∶N∶P=350∶5∶1[10-12]；pH控制在6.5～8.5;反应器内污泥浓度控制在2 000～2 500 mg/L左右.

氧化沟运行状态与污泥活性一切良好， COD去除率达80%以上，回流比75%，蠕动泵连续运行，每小时进1.5 L原水，HRT=18小时，污泥龄15天.

在实验中，使污泥负荷从高逐渐降低，观察不同负荷下的活性污泥的变化情况[13].

2 结果与讨论

2.1 显微镜图片

从图1可以看出，累枝虫正在生长，大量的累枝虫聚集在一起.钟虫和累枝虫都属于原生动物中的纤毛纲，固着型的纤毛虫，尤其是钟虫，喜欢在寡污带中生活，钟虫类在β-中污带中也能生活，累枝虫耐污能力较强.它们是水体自净程度高、污水生物处理效果好的指示生物.

图2为轮虫.轮虫属于微型后生动物，要求较高的溶解氧量，是寡污带和污水生物处理效果好的指示生物.它们吞食游离细菌，所以可起到提高处理效果的作用.轮虫伸缩性越好，证明活性越好.较之其它污泥，该种污泥颜色偏黄且微生物含量较高.

图3为活性污泥性状良好时的污泥絮体[14～16].

2.2 降低有机负荷对水质指标的影响

2.2.1 降低有机负荷对SV30和SVI的影响

由图4可知，随着COD负荷的降低，SV30成上升趋势；而SVI值则随着负荷的降低呈规律性变化.随着负荷的降低,SVI值缓慢升高,当负荷降低到一定程度后，即第4天开始，SVI迅速升高，污泥发生膨胀.

图4 降低有机负荷对SV30和SVI的影响

2.2.2 降低有机负荷对COD去除率的影响

COD负荷的降低是人为控制的.活性污泥来自造纸厂的回流污泥，显微镜观察发现其微生物的种类和数量较少，再采取第五污水处理厂的污泥，两者混合在一起驯化，控制污泥的浓度在2 000 mg/L左右.显微镜观察发现大量的微型后生动物，污泥活性较高，COD的去除率在90%左右，这个时候COD负荷在0.26 kg COD·(kg MLSS·d)-1.

反应器不同，COD负荷的取值范围不同.查阅文献可知，氧化沟的COD负荷一般在0.1～0.05 kg COD/kg MLSS·d之间，而本实验的反应器却在0.26 kg COD·(kg MLSS·d)-1时，COD的去除率高，污泥活性好.

在这个基础上，开始降低COD负荷.COD负荷的影响因素是进水COD和污泥浓度，考虑到取水困难的问题，所以选择降低COD值，在原水的基础上，通过计算确定COD的值，然后再确定稀释倍数.

从图5可以看出， COD负荷整体呈下降的趋势，因污泥浓度很难控制一个准确的数值，所以COD负荷在开始的时候没有呈现下降的趋势.COD的去除率在有机负荷降低的初期并没有明显的变化，是因为微生物对于新的环境需要一个适应的过程；从第三天往后，COD去除率开始有下降的趋势，这是因为保持污泥浓度在一定范围的同时，意味着微生物量控制在一定的范围.这个时候，进水COD降低，微生物的食物减少，势必让一部分微生物进入衰退期，其数量开始下降，原因是进水中的营养物质已经不足以维持其中的微生物继续生存，并由于营养物质的减少和自身副产物的增加而不断消亡.

丝状菌对于这样的生存环境，有着自身的优势.环境越恶劣，它较其它微生物越有优势，它的菌丝可以伸出菌胶团的外部，较大的比表面积，更容易吸收营养物质，这样的环境促进了丝状菌的生长.对于该造纸厂的废水而言，当COD负荷降低到0.03 kg COD·(kg MLSS·d)-1、SV30为67%、SVI为325 mL·g-1时，丝状菌开始大量生长，此时的COD去除率只有42.67%.

图5 降低有机负荷对COD去除率的影响

2.2.3 降低有机负荷对总蛋白和SOUR的影响

从图6中可以看出，总蛋白的波动比较大，但整体趋势是下降到第6天后又上升.总蛋白和微生物的量有关，而微生物的量又和污泥的多少有关，且和测定总蛋白的方法有关.因为系统是连续运行的半自动化，所以对于污泥浓度MLSS的控制没有那么精准，在第五天到第六天时，总蛋白最少，因为此时的污泥浓度是这个时期最小的，而第3天往后，微生物的活性正在降低，丝状菌开始生长，第6天开始，补充污泥到定量，加之丝状菌开始大量繁殖，故微生物的总蛋白又呈上升趋势.

比好氧速率受微生物的量和污泥浓度的影响，SOUR整体呈下降趋势.MLSS在运行开始后的每天都有略微减少，到第5天和第6天减少得最多，所以此时SOUR下降到0.564 5和0.577 5；从第3天开始，丝状菌呈增长趋势，微型后生动物(线虫、轮虫、钟虫、累枝虫、浮游甲壳虫)开始减少，取而代之的是丝状菌.SOUR测试结果表明，物种丰富、处理效果好时，此时的比好氧速率远大于丝状菌大量繁殖时的比好氧速率.可见，微生物浓度是影响比好氧速率的关键.

图6 降低有机负荷对总蛋白和SOUR的影响

2.3 控制污泥膨胀方法

2.3.1 提高有机负荷方式

为观察提高有机负荷后对之前引起的丝状膨胀的治理效果，现单纯提高有机负荷，运行反应器，观察微生物的生长情况及去除率的影响,情况如图7～图8所示.

从图7中可以看出，从提高有机负荷开始，污泥SV30持续下降，到第5天，SV30下降变缓，运行到第7天时，SV30为22%,可见对于因有机负荷过低而引发的污泥丝状膨胀，通过单纯地调节有机负荷也是有效果的，污泥丝状膨胀得到了治理；SVI、SV30和污泥浓度MLSS有关，控制污泥浓度在一定范围内，波动较小，所以SV30的下降直接影响到SVI，亦呈下降趋势，到第5天开始，SVI进入正常范围内，到第7天时,由之前的325 mL·g-1降至109 mL·g-1,污泥膨胀得到控制.

从图8中可以看出，随着有机负荷的提高，第五天，当有机负荷为0.18 kg COD·(kgMLSS·d)-1时，COD去除率达到了80.66%，到第7天时，COD去除率由42.67%上升到90.03%.这说明该微生物群同样适用于这样的情况：当基质浓度增大，菌胶团的生长速度远大于丝状菌，丝状菌膨胀得到了抑制.

从图9中可以看出，总蛋白的生长呈上升趋势.当增加有机负荷时，能促使微生物生长，微生物开始生长，总蛋白就会增加；比好氧速率SOUR在开始的4天，可以看到其变化比较小.微生物在初期生长的时候，活性没那么高，处于适应期，因为环境改变，在原有微生物的基础上不能适应就会死亡，适应之后，就是微生物成对数增长的阶段，这时的比好氧速率SOUR快速增长，微生物活性高.当单纯只提高有机负荷时，丝状膨胀得到控制共用时7天.

图8 提高有机负荷对去除率的影响

图9 提高有机负荷对总蛋白和SOUR的影响

2.3.2 提高有机负荷同时改变运行方式

制定的方案和之前仅提高有机负荷时的数据相同，但增大回流比为100%.调整回流比，将影响着好氧微生物的生存条件，从而影响对有机物的去除率.一般来说，污泥膨胀时加大回流比，适当缩短厌氧反应时间，有利于好氧生物的生长繁殖，改善污泥沉降性能.同时，排泥量增加为之前的1.5倍.

从图10～图11中可以看出，在前3天，SV30和SVI下降较快，到第5及第6天时，趋于平稳.可见，增大排泥量和回流量，在前3天可以迅速抑制污泥丝状膨胀.从第5天开始，微生物生长趋于稳定.当第6天时，SV30为20%、SVI从325 mL·g-1降至99 mL·g-1，COD的去除率从42.67%上升至91.56%，相比只单纯提高有机负荷时，这种协同方式可以较快抑制丝状膨胀.

图10 同时改变有机负荷和运行方式 对SV30和SVI的影响

图11 同时改变有机负荷和运行方式 对COD去除率的影响

从图12可以看出，在改变有机负荷的同时增大排泥量和回流量，对总蛋白和SOUR会有较大影响.这是因为增大排泥量，减少了微生物的量，从第3天开始微生物的量有所回升，并逐渐增大，总蛋白的量增多，证明微生物的量变大.比好氧速率SOUR的增大，说明微生物活性高.

图12 同时改变有机负荷和运行方式 对总蛋白和SOUR的影响

3 结论

(1)活性污泥在低有机负荷下易发生膨胀.低负荷下，DO成为微生物增殖的限制因素，空气量和MLSS浓度基本不变时，有机负荷降低必然引起DO的过量.充足的氧气有利于微生物生长，但是进水的基质浓度过低，会导致微生物加速进入衰亡期，进行内源呼吸，这时可通过减少空气量或减小MLSS浓度(即减小SOUR)来提高DO浓度，使污泥的膨胀得到控制与恢复.

(2)综合比较，改变有机负荷的同时，增大排泥量为原来的1.5倍，回流量变为100%，和仅提高有机负荷相比，能更快地抑制污泥的丝状膨胀.

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