黄水为碳源的颗粒污泥除磷机理研究*

刘思琪　胡学斌　刘小英

(1.重庆大学城市建设与环境工程学院　重庆 400045；　2.武汉理工大学土木工程与建筑学院　武汉 430070；　3.陕西省地下水与生态环境工程研究中心　西安 710055)



黄水为碳源的颗粒污泥除磷机理研究*

刘思琪1胡学斌1刘小英2,3

(1.重庆大学城市建设与环境工程学院重庆 400045；2.武汉理工大学土木工程与建筑学院武汉 430070；3.陕西省地下水与生态环境工程研究中心西安 710055)

摘要颗粒污泥作为近年来备受关注的一种生物处理技术，具有结构密实、沉降性好、生物相丰富且活性高等优点。为了了解好氧颗粒污泥除磷机理，以黄水为碳源的同步脱氮除磷颗粒污泥为研究对象，研究颗粒污泥的物理特性、除磷特性，重点研究颗粒污泥中磷的形态及含量，同时研究不同方法对颗粒污泥胞外聚合物(EPS)的提取效果及其对磷去除的影响，揭示该颗粒污泥的除磷机理，为城市污水利用同步脱氮除磷颗粒污泥实现高效低耗除磷提供理论与技术支持。

关键词颗粒污泥除磷机理胞外聚合物

0引言

颗粒污泥具有沉降性能好、生物活性高、生物相丰富以及抗冲击负荷能力强等优点[1-2]。研究表明，进水碳源的不同会对颗粒污泥菌群类别和结构产生影响，从而导致颗粒污泥的形态和生化性能不同[3-5]。研究者主要针对蔗糖、乙酸钠、甲醇、葡萄糖和柠檬酸等常见的单一或混合碳源对颗粒污泥脱氮除磷性能的影响研究，鲜有基于工业废水作为碳源开展研究。我国约有1.8万家白酒企业，每生产1 000 kg大曲酒约会产生300～400 kg黄水，黄水产量巨大，对其处理将耗费大量资金，而直接排放会对环境造成污染，因此合理开发利用黄水使其变废为宝具有重大意义[6]。

本实验以黄水为碳源SBR反应器培养的同步脱氮除磷颗粒污泥为研究对象，对颗粒污泥的除磷特性、聚磷能力、磷在污泥中存在形式及存在位置以及不同提取方法对颗粒污泥胞外聚合物(EPS)[7]与磷结合效能的影响进行研究，揭示颗粒污泥的除磷机理。

1材料与方法

1.1试验装置

实验室中的SBR反应器(见图1)为双层有机玻璃材质，有效容积4 L，内层直径16 cm，高径比为1.56。在内外层之间，有一层水浴保温层，中间的水浴为循环水，由外面的水浴桶中的加热棒控制温度，这样可以保证SBR反应器中的污泥始终处于适宜的温度条件下。同时，反应器的进水、曝气、搅拌、出水均由时间控制器来控制与调整。

图1　SBR反应器示意

1.2试验水质

试验用水采用自来水人工配制，主要成分见表1。其中黄水取自武汉某酒业公司的酿造车间，黄水COD高达252 000 mg/L，含有大量蛋白质和多糖；COD/TN和COD/TP分别为90和196，说明投加黄水作碳源，在提高污水处理厂进水COD浓度的同时增加的N、P负荷可以忽略不计，从此角度来讲黄水是一种较优质的碳源。

表1　人工配水组成　mg/L

1.3分析项目与试验方法

1.3.1常规指标

1.3.2颗粒污泥除磷的反应特性

静态试验，试验装置见图2，在同步脱氮除磷颗粒污泥成熟之后，从SBR反应器中取出一定量的同步脱氮除磷颗粒污泥研究其厌氧释磷反应速率、好氧吸磷反应速率、缺氧反硝化吸磷反应速率等。将反应温度控制在23±2 ℃左右，调节反应过程中的pH值在7.0～7.5之间。

图2　静态试验装置示意

1.3.3颗粒污泥中磷的形态与含量

采用SMT法将样品中的磷分为总磷(TP)、有机磷(OP)、无机磷(IP)、与铁铝结合的磷(Fe/Al-P)和与钙结合的磷(Ca-P)，分别测定这5种磷的含量，来测得颗粒污泥中磷的形态及其含量。

1.3.4EPS的提取及组成测定分析

EPS分别采用阳离子交换树脂取法(采用001×7型阳离子交换树脂)、加热提取法和超声提取法3种方法提取后取上清液测核酸、蛋白质、腐殖酸、总糖和磷。其中：核酸采用紫外分光光度法，蛋白质和腐植酸采用修正的Folin-酚法，总糖采用蒽酮比色法，磷采用国家标准方法。

2实验结果与分析

2.1颗粒污泥物理特性

如图3，颗粒污泥粒径约为0.5～1.0 mm，颗粒污泥外观呈黄褐色，为近似的球形或椭圆形，边缘较清晰，且有许多粗壮的丝状菌分布在颗粒污泥四周,在丝状菌上明显粘附有一定数量的微生物，周围的一圈蓬松状粘稠性物质可能是胞外聚合物粘附的多糖，内部有孔隙以丝状菌为骨架，孔隙内部有大量的球菌、短杆菌生长在其中。

(a)颗粒污泥显微镜照片(×40倍)

(b)颗粒污泥内部

2.2污泥对磷的去除效果

试验期间，反应器进水磷浓度基本保证在14～17 mg/L；厌氧末端的磷浓度平均为13.93 mg/L；出水的磷浓度平均为5.41 mg/L，对磷的去除率分布在36.29%～70.09%之间，平均达到53.19%。进水COD浓度基本保证在400 mg/L左右，出水COD的浓度一直保持在40 mg/L以下，出水COD含量达到了一级A标准，去除率达91.62%。

2.3颗粒污泥除磷的反应特性

(a)厌氧释磷反应速率

(b)好氧吸磷反应速率

(c)反硝化聚磷反应速率

如图4(a)所示，反应开始50 min内厌氧释磷迅速，由5.73 mg/L上升到6.28 mg/L，其中在40～50 min时候厌氧释磷的速率达到最大为1.17 mg/(g·h)(以VSS计)。随后释磷更加缓慢，150 min时释磷已基本结束，浓度为7.56 mg/L。厌氧释磷反应速率缓慢，可能是溶液中COD含量不够充足，被聚磷菌或聚糖菌等其他菌体利用，或聚磷菌只能利用黄水中部分有机物进行释磷和合成PHB而导致释磷速率十分缓慢，且效果不好，基本上无释磷现象。

如图4(b)所示，反应器磷初始含量为7.23 mg/L，与厌氧末端的磷浓度相近，曝气之后，磷的浓度开始降低，在反应进行到30～40 min时，吸磷速率达到最大为1.29 mg/(g·h)(以VSS计)。说明以黄水为单一碳源，在一定的范围内，因为黄水自身的原因导致厌氧段合成的PHB也很有限，无法满足好氧段吸磷需求，导致磷的去除率较低。虽然系统除磷能力较弱，但厌氧末端COD浓度一直在40 mg/L以下，去除能力较强，可能是COD会促进其他异养菌的生长，最终使系统中聚磷菌处于弱势；可能是微生物利用细胞内糖原作为厌氧段吸收有机物的能量来源，从而表现出较高的COD去除率。

2.4颗粒污泥中磷的形态及其含量

通过SMT法将样品进行处理后用比色法测定磷的浓度，各样品磷的浓度结果如表2所示。反应器中的颗粒污泥含有大量的无机磷，占总磷的比例为95.338%，在无机磷中含有Fe/Al-P和Ca-P，其中Ca-P含量占大部分，而有机磷含量很低所占比例为3.083%，在颗粒污泥中，磷主要以无机磷的形式存在。

表2　SMT法测定污泥中磷的含量

2.5颗粒污泥EPS的提取及含量测定

本试验采用加热法提取颗粒污泥EPS的总量明显多于超声法、阳离子交换树脂法，EPS提取总量为242.82 mg/g(以VSS计)，核酸占EPS总量的比例较小为16.60%，蛋白质含量占总量的53.25%，腐殖酸含量占总量的5.11%，糖含量占总量的25.04%，见表3。超声法提取EPS的总量比加热法少很多；阳离子交换树脂法在EPS提取总量与核酸所占比例都不如加热法。

表3　EPS测量结果

胞内胞外磷的测量结果如表4所示，超声法对胞内胞外磷的测量效果较好，在本实验SBR反应器中颗粒污泥中的磷有约50%分布于胞外物质中，约40%被细胞吸收到内部。

表4　胞内胞外磷测量结果

试验结果说明活性污泥处理系统中EPS通过高价阳离子氧化物或氢氧化物结合磷酸盐，是实现生物除磷的重要途径之一，颗粒污泥除磷不仅仅是依靠胞内物质对磷的吸附，同时胞外物质在磷的吸附与去除中也起到了很重要的作用。在生物除磷系统中，胞外物质结合磷的能力大于细菌细胞，是生物絮体中的磷储存库，对生物除磷起着重要作用。

3结论

(1)通过静态实验可以得到，颗粒污泥的最大厌氧释磷速率、最大好氧吸磷速率和缺氧反硝化聚磷速率分别为1.17、1.29、1.41 mg/(g·h)(以VSS计)。说明本实验中以黄水为单一碳源培养的颗粒污泥具有较弱的的生物除磷能力。

(2)颗粒污泥中的磷主要是以无机磷的形式存在，并且与钙元素结合的磷占大部分，该颗粒污泥主要通过化学途径除磷。

(3)通过加热法、超声法、阳离子交换树脂法对颗粒污泥进行EPS提取比较，得知加热法对EPS提取效果较好。

(4)活性污泥处理系统中EPS通过高价阳离子氧化物或氢氧化物结合磷酸盐，是实现生物除磷的重要途径之一，颗粒污泥除磷不仅仅是依靠胞内物质对磷的吸附，同时胞外物质在磷的吸附与去除中也起到了很重要的作用，在生物除磷系统中，胞外物质结合磷的能力大于细菌细胞，是生物絮体中的磷储存库，对生物除磷起着重要作用。

参考文献

[1]Kim I S. Characterization of aerobic granules[J].Bioresource Technology, 2008,99:18-25.

[2]刘丽,任婷婷,徐得潜，等.高强度好氧颗粒污泥的培养及特性研究[J].中国环境科学,2008，28(4):360-364.

[3]王迪,杨凤林,周军,等. 碳源对好氧颗粒污泥物理性状及除磷性能的影响[J].中国给水排水,2007,23(5):85-89.

[4]别红梅,王锋,金锡标,等.碳源对反硝化颗粒污泥稳定性的影响[J].工业水处理,2011,30(11):34-36.

[5]涂响,苏本生,孔云华,等.城市污水培养好氧颗粒污泥的中试研究[J].环境科学,2010(9):2118-2123.

[6]周新虎,陈翔,王永伟,等.黄水生物转化技术研究[J].酿酒技术,2011,209(11):6-9.

[7]Adav S S, Lee D J. Extraction of extracellular polymeric substances from aerobic granule with compact interior structure[J]. Journal of Hazardous Materials, 2008,154:1120-1126.

*基金项目：国家自然科学基金(21407114)，旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室资助项目。

作者简介刘思琪，女，硕士，主要研究方向为废水处理理论与技术。

(收稿日期：2015-05-20)

Phosphorus Removal Mechanism of Granular Sludge with Yellow Water as Carbon Source Study

LIU Siqi1HU Xuebin1LIU Xiaoying2,3

(1.SchoolofUrbanConstructionandEnvironmentalEngineering,ChongqingUniversityChongqing400045)

AbstractGranular sludge, as a biological treatment technology concerned in recent years, has compact structure, good settling ability and perfect biological activity. In order to understand the mechanism of phosphorus removal of aerobic granular sludge which is fed by the yellow water, the physical characteristics and the phosphorus removal characteristic of granular sludge are seriously studied, especially the shape and content of phosphorus in granular sludge. Meanwhile the different extraction methods and the effects on the phosphorus removal of extracellular polymeric substances (EPS) are also studied. The phosphorus removal mechanisms of granular sludge are described, which provides theoretical and technical support for the realization of high efficiency and low consumption phosphorus removal in urban sewage using granular sludge for simultaneous removal of nitrogen and phosphorus.

Key Wordsgranular sludgephosphorus removal mechanismextracellular polymeric substances