光照对SBR 反应器中活性污泥膨胀性能的影响

朱康康 ，费学宁 ，c，焦秀梅 ，池勇志 ，李松亚

（天津城建大学 a.环境与市政工程学院；b.天津市水质科学与技术重点实验室；c.天津市化工废水源头减排与资源化工程技术中心，天津 300384）

从20 世纪初正式建立第一座活性污泥法污水处理厂已有百年历史[1]，活性污泥法因其能耗低、运营成本低、运行稳定和污水处理能力好而成为水处理的主流技术，随着不断研究，衍生出许多新型污水处理工艺[2]，比如序批式活性污泥法工艺，CAST 工艺和ICEAS工艺等[3]. 世界上大多数活性污泥法污水处理厂都伴随有污泥膨胀.污泥膨胀是指污水处理系统中由于污泥结构松散，泥水分离困难，污泥质量变轻，沉淀压缩性能差，造成活性污泥流失，导致无法维持污水处理系统正常运行的现象[4]. 活性污泥膨胀有丝状菌污泥膨胀和非丝状菌污泥膨胀两种[5]. 非丝状菌污泥膨胀是指菌胶团细菌过量生长产生大量黏性物质使污泥沉降、压缩性能变差的现象.丝状菌污泥膨胀是丝状菌过度繁殖，使污泥沉降压缩性能变坏的现象[6].污泥的丝状菌膨胀问题一直是世界性难题，大量研究表明，近90%以上污泥膨胀均属丝状菌污泥膨胀[7].为了反应器正常运行，控制污泥膨胀的发生和发展，国内外众多学者开始研究影响污泥膨胀的不同因素.

关于污泥膨胀学者已做碳源、温度、DO 等方面的研究.丁峰[8]和彭永臻教授[9]等针对碳源对污泥膨胀的影响做了很多研究，分析不同氮磷含量和碳分子大小对污泥膨胀的影响.研究表明当氮磷含量不足时容易引发污泥膨胀，碳水化合物分子越小，活性污泥对环境的变化越敏感，当运行条件不利时越容易引发污泥膨胀问题，大分子碳源吸附于絮体内部能够提高污泥的沉降性.周娜[10]采用人工配水研究温度波动对SBR污泥沉降性的影响，一旦反应器水温由25 ℃以上降低到15 ℃以下，污泥就会发生膨胀，当再升温至25℃以上时，污泥膨胀消失，污泥沉降性能恢复到良好状态.Knoop[11]等人也研究了温度对污泥膨胀的影响，研究发现温度是引发M.parvicella 污泥膨胀的主要原因，可以通过调控温度来调控M.parvicella 的生长，进而调控污泥膨胀.彭赵旭[12]针对DO 对污泥膨胀的影响做了相关研究，并提出一系列的控制策略.Hashemi[13]采用SBR 反应器研究DO 浓度对污泥膨胀的影响，研究表明在增加膨胀污泥的曝气量，使DO 超过2 mg/L，膨胀在 3～5 d 内消失，较低的 DO 质量浓度（＜2 mg/L）能够引发以微丝菌为优势菌的污泥膨胀.经过长期的研究人们对污泥膨胀发生的规律有了基本的认识.关于光照对SBR 反应器的影响学者做了相关研究，巫小丹和王振伟等[14]研究了光照对SBR 系统处理生活污水效能的影响，采用4 个反应系统在相同光照强度，分别光照 6 h、8 h、10 h，12 h，运行一段时间后，SVI 平均值分别是 86.18 mL/g、76.12 mL/g、82.05 mL/g、85.27 mL/g.增加光照强度后，实验后期反应器SVI 值常常超过100 mg/L.结果表明：光照对活性污泥的沉降性能是有一定影响的.该学者所做实验周期较短，主要针对水质处理效果的研究，对反应器菌群和沉降性能的变化研究较少，为了进一步了解污泥膨胀发生的规律，研究光照对污泥膨胀的影响是很有必要的.

本文采用3 个SBR 反应器，进水采用生活污水，以45 W 白炽灯作为光源，控制DO 和温度等运行条件一致，研究不同光照时间对活性污泥膨胀的影响，探索菌群、SVI 和水质指标之间的相互关系和规律，以期为实际工程中控制污泥膨胀的发生提供参考.

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 接种污泥

接种污泥为天津市西青区某污水处理厂进入二沉池的污泥，污泥取回曝气24 h 后，将污泥依次投入到序批式反应器，3 个反应器的污泥质量浓度依次是：3 500 mg/L、3 600 mg/L、3 550 mg/L，SVI 是 171 mL/g.

1.1.2 试验用水

试验用水采用该水厂的原生活污水，水质指标特性如表1 所示.

表1 生活污水组分mg/L

1.1.3 试验装置

试验装置采用3 组相同的序批式反应器，在封闭的小屋内进行试验，小试装置SBR 反应器有效容积为3.5 L，反应器两侧设有进水口、排水口、取样口和放空管等管口.反应器进水由进水桶供给，排水由排水桶收集，并定时将排水桶的水倒掉，防止水溢出发生安全事故.反应器进出水流量由蠕动泵控制，曝气方式采用曝气泵连接曝气管进行曝气，搅拌方式采用电动搅拌机方式进行混合搅拌，连接控制进出水流量的蠕动泵的开关、控制曝气泵的开关、控制电动搅拌机的开关均采用时间控制开关控制，以45 W 日光灯作为光源，悬挂在反应器正上方，反应器示意图如图1 所示.

1.2 试验方法

1.2.1 试验运行方式

反应器采用厌氧/好氧交替的方式运行，每天运行4 个周期，每个周期运行时间为6 h，进水时间为10 min，厌氧时间为90 min，好氧时间为150 min，沉淀时间为100 min，排水时间为7 min，静置时间为3 min，溶解氧控制1～1.5 mg/L，利用pH 计将反应器pH 值控制在7.0～7.8 之间，环境温度采用空调控制，控制在14～16 ℃，晚上 21：00 用遮光棉封闭反应器，早上 9：00取下，实现间歇光照条件.

图1 SBR 反应器示意图

1.2.2 分析方法

常规水质指标和SVI 采用国标法[15]进行检测，菌的种类的分析方法：对污泥分别进行革兰氏染色和奈瑟氏染色，再用正置显微镜（BX53，奥林巴斯有限公司生产）观察菌的阴阳性，对照丝状菌图谱判断菌的种类，丝状菌丰度的判定如表2 所示.

表2 丝状菌丰度评价

2 结果与讨论

本文研究了光照对污泥沉降性能的影响，在相同的控制条件下，采用不同的光照时间，检测3 个反应器的污泥SVI 值、菌群和水质指标特性变化的规律.

2.1 反应器沉降性能分析

以生活污水为进水，3 个反应器同时接种某水厂二沉池中的膨胀污泥，接种时污泥的质量浓度依次是3 500，3 600，3 550 mg/L，SVI 是 171.21 mL/g.3 个反应器的SVI 变化曲线见图2，SVI 值见表3.由图2 和表3 可知，运行30 d 后，3 个反应器SVI 值出现差距，SBR3 反应器 SVI 值相对 SBR1 和 SBR2 分别相差16.99 mL/g 和 26.46 mL/g，因为第 30 天时 M.parvicella消失，3 个反应器的优势菌N.Limicola 的丰度分别为2，2 和 1；30～70 d，3 个反应器 SVI 值变化幅度不大；反应器运行70 d 时，3 个反应器SVI 差值进一步加大，SBR3 反应器SVI 值为112.36 mL/g，污泥由膨胀状态转变为不膨胀状态，SBR3 反应器SVI 值相对SBR1和SBR2 差66.47 mL/g 和63.29 mL/g，这是由于反应器优势菌N.Limicolahe 和0092 丰度下降导致的，3 个反应器优势菌丰度分别为 5，5，3；70～100 d，3 个反应器SVI 值渐渐下降，SVI 差值变化较小，第86 天时，反应器污泥都转变为不膨胀状态，SVI 的下降是因为反应器丝状菌丰度渐渐下降，导致污泥沉降性能变好.

在整个运行期间，3 个反应器光照时间分别是全天光照、昼夜间隙光照（白天光照12 h，晚上避光）和全天避光，SVI 平均值分别为 173.08，170.83，140.21 mL/g，由此可知：光照和避光相比，光照条件更加有利于维持污泥的膨胀，全天光照和昼夜间歇光照条件下污泥沉降性能差别不大，最佳光照时间需进一步研究.

图2 SVI 变化曲线

表3 反应器SVI 值mL/g

2.2 菌群变化分析

通过对污泥在革兰氏染色、奈瑟氏染色以及原味状态下进行观察，对丝状菌种类进行识别，记录数量变化，根据丝状菌丰度等级划分原则，绘出丝状菌丰度变化（见图 3～5）.

3 个SBR 反应器接种污泥为膨胀的活性污泥（SVI=171 mL/g），种泥中影响污泥膨胀的主要菌种是M.parvicella，其次是N.Limicola，丰度分别为3 和1.M.parvicella 一般出现在低负荷的生活污水处理厂，它是引起污泥膨胀最重要的丝状菌，一般出现在深秋、冬季、春初[16].N.Limicola 一般出现在低负荷的生活污水处理厂，现在依然不知道决定该丝状菌生长的因素，该丝状菌的存在导致污泥的气浮和浮渣层出现，对污泥膨胀有一定的影响[17].

如图 3-5，1～38 d，3 个反应器菌群的种类和丰度变化一致；1～10 d，3 个反应器污泥中菌群主要是M.parvicella 和 N.Limicola，丰度不变；第 10 天时，3 个反应器中M.parvicella 的丰度下降，N.Limicola 丰度上升，出现021N 型丝状菌，菌群总丰度变大，但反应器SVI 值下降，这是由于M.parvicella 对污泥膨胀影响较大，M.parvicella 丰度下降导致 SVI 下降；30～40 d，反应器菌群丰度一样，SBR3 反应器SVI 值渐渐小于其他两个反应器（见图2），由显微镜观察SBR1 和SBR2反应器污泥中菌群数量更多，此时丰度大小不能作为评价标准，这也是丰度评价方法的不足之处.运行至5月份时，M.parvicella 由于季节性原因，在第30 天消失，污泥中优势菌变成N.Limicola 和021N，丰度分别是2 和2.随着反应器的运行，第46 天时，021N 型丝状菌消失，总共存在36 d 左右.021N 型菌是严格好氧的，在脱氮除磷系统中，021N 型菌生长所需的底物往往会在缺氧或厌氧的条件下被菌胶团去除，因此021N型菌在脱氮除磷系统中不会成为第一优势菌，也导致该菌生长时间较短.第42 天，三个反应器同时出现0092 型丝状菌，这种丝状菌大部分都隐藏在菌胶团内部，所以对SVI 的影响很小[18].42～70 d，此时反应器优势菌N.Limicola 相对较多，其次是0092，0092 型丝状菌丰度都是 2，N.Limicola 丰度分别为 4，4，3. 由于0092 型丝状菌对SVI 影响很小，则N.Limicola 丰度大小可以近似表征污泥的沉降性能的好坏，SBR1 和SBR2 反应器SVI 值大致一样，大于SBR3 反应器（见图2）.第75 天时，SBR3 反应器提前两天出现了0041型丝状菌. 0041 型丝状菌一般出现在污泥负荷小于0.2 kgBOD5/（kgMLSS·d）的生活污水处理厂中，不会导致较高的SVI（通常稳定在120～130 mL/g），在SBR3反应器中该菌丰度很小，对反应器污泥沉降性能影响不是很大.第82 天时，SBR3 反应器中的N.Limicola 消失，SBR1 和 SBR2 菌群丰度出现差别，N.Limicola 丰度分别为2 和1，导致SBR1 反应器SVI 渐渐大于SBR2反应器.

整个运行期间，反应器M.parvicella 和021N 型丝状菌总丰度一样，N.Limicola 总丰度分别为 52，48，38，0092 型丝状菌总丰度分别是 25，25，19 ，0041 型丝状菌总丰度分别是4，4，5，由此可知光照条件下0092 型丝状菌菌群丰度更大，更加有利于该菌的生长，SBR1和SBR2 反应器中一直存在N.Limicola 型丝状菌，N.Limicola 在光照条件下的生长周期更长，全天光照条件菌群丰度更大，0041 型丝状菌出现在反应器中的时间分别是第79 天、第79 天，第75 天，避光条件0041型丝状菌更早出现.

图3 SBR1 反应器典型丝状菌丰度评价

图4 SBR2 反应器典型丝状菌丰度评价

2.3 水质处理能力分析

氨氮，亚硝氮和硝氮之间转化过程分为硝化过程和反硝化过程. 图6 为反应器进出水氨氮的质量浓度，在整个运行周期，SBR1 的氨氮去除效果最差.当进水氨氮超过35 mg/L 时，SBR1 反应器氨氮去除率比较低.试验期间3 个反应器曝气量一样，用溶解氧测定仪测得SBR1 反应器的溶解氧相对较小，导致氨氮去除率较低.

图7 为反应器进出水硝态氮的质量浓度，1～30 d，由于反应器膨胀严重，导致出水效果不好，反硝化作用减弱，硝态氮积累较多；30～55 d，硝态氮积累减小，这是由于该阶段进水水质变化幅度较大，导致硝化作用减弱；60～88 d，反应器硝态氮积累不断升高，由于期间氨氮浓度降低，去除率升高，硝化作用比较好，而碳源不足导致反硝化作用较弱.

图6 反应器氨氮质量浓度

图7 反应器硝态氮质量浓度

图8 是反应器磷酸根质量浓度变化和去除率变化，3 个反应器磷酸根的去除率分别为 63.41%，57.14%，49.94%，SBR1 反应器的去除率最高，这是由于光照条件下会产生藻类物质，使磷酸根去除率上升，这和周凤鸣研究的结果一样[19].

图8 反应器总磷质量浓度和去除率

图9 是反应器一个月的总氮质量浓度变化和去除率变化，3 个反应器的总氮平均去除率分别是36.70%，41.81%，36.72%，这是因为一个月内雨期比较多，造成污水COD 降低，COD 的不足，导致总氮的去除率比较低，SBR1 总氮去除率相对最低，由于反应器曝气量相对较小一些，SBR2 的总氮去除率大于SBR3，这是由于光照会促进N 的去除.

图9 反应器总氮质量浓度和去除率

COD 的质量浓度和去除率变化如图10，3 个反应器COD 去除率都不高，分别为44.42%，54.27%和40.01%，这是因为 C ∶N 较小，导致 COD 去除率降低，光照条件的COD 去除率更高，光照产生的藻类有利于COD 的去除，SBR1 去除率小于SBR2，可能由于光照时间过长影响了藻类的正常代谢[20].

3 结 论

（1）整个运行周期，3 个反应器SVI 平均值分别为 173.08，170.83，140.21 mL/g ，避光条件下污泥的沉降性能更好.

（2）光照条件下0092 型丝状菌菌群丰度更大，更加有利于该菌的生长，SBR1 和SBR2 反应器中一直存在N.Limicola 型丝状菌，N.Limicola 在光照条件下的生长周期更长，全天光照条件菌群丰度更大，0041 型丝状菌出现在3 个反应器中的时间分别是第79 天、第79 天、第75 天，避光条件0041 型丝状菌更早出现.

（3）光照条件下，COD、磷酸根和总氮的去除率升高，本试验中磷酸根的去除率随着光照时间增加而增加，在这一光照强度下，COD 和总氮去除率最佳的光照时间还需进一步研究.