高浓度硫酸盐条件下的活性污泥驯化试验研究

孔殿超，张 青，张 强，董献彬，张 勋

(安徽环境科技集团股份有限公司，安徽 合肥 230088)

1 引言

硫酸盐含量较高的工业废水，在好氧条件时，高浓度的硫酸盐可产生较大渗透压，进而使得微生物细胞脱水死亡或受到抑制[1,2]，从而影响微生物的代谢活性；厌氧条件时，除渗透压作用外，废水中的硫酸盐可在硫酸盐还原菌(Sulfate Reducing Bacteria, SRB)作用下产生S2-、HS-或H2S[3,4]，硫离子或硫化氢具有较强生物毒性作用[5,6](尤其是呈分子态的硫化氢)，极易对生化反应体系产生不利影响[7]。因此，对于含硫酸盐的工业废水处理，高浓度硫酸盐极可能是生化系统无法正常运行的关键所在[8]。

为去除含有较高浓度硫酸盐废水中的有机物及营养元素，常使用生化法进行处理[9]。生化法虽然较为经济，但实际运行时发现高硫酸盐生化系统常出现污泥驯化问题，即生化系统的污泥浓度仅在投泥后短暂增大，之后便不断降低，造成生化段无法正常运行。依据前述分析，较高含量的硫酸盐不利于生化系统的运行，应是造成上述问题的主要原因；但也有研究表明，高硫酸盐废水虽为高盐废水，但其相比氯离子对于生化系统的毒性较小，微生物的代谢不易受到硫酸盐含量的影响，硫酸盐不应是生化系统异常的主因。鉴于上述不同解释，本文拟设计不同组别污泥驯化试验，通过对普通污泥与高效耐盐菌剂的驯化效果进行对比，重点研究硫酸盐对生化系统污泥生长的影响，以期探明硫酸盐含量较高废水的生化系统难以启动的原因，进而为同类型污水处理过程提供理论指导及借鉴。

2 材料与方法

2.1 高硫酸盐废水水质特征

试验用高硫酸盐废水取自安徽某工业园区污水处理厂进水，其水质指标如下：pH值7.5、COD 80 mg/L、硫酸盐浓度 7500 mg/L、悬浮物浓度(SS)130 mg/L、总磷 2.0 mg/L。

2.2 实验材料

污泥来源：本研究选取富集培养后的市政污水厂消化污泥、工业园区污水厂生化段现有活性污泥及Me型耐盐菌剂(购自碧沃丰生物科技(广东)股份有限公司)进行高硫酸盐条件下的污泥驯化试验。

培养基药剂：氯化铵NH4Cl：分析纯，国药集团化学试剂有限公司；磷酸氢二钾K2HPO4：分析纯，国药集团化学试剂有限公司；葡萄糖C6H12O6：分析纯，国药集团化学试剂有限公司；其他试剂：氢氧化钠NaOH：分析纯，无锡市展望化工试剂有限公司；盐酸HCl：分析纯，上海振企化学试剂有限公司。

2.3 试验设计

2.3.1 园区污水厂生化段启动后的污泥镜检分析

针对园区生化段调试时存在的污泥浓度较难维持问题，使用显微镜对污泥进行镜检分析，以期对污泥投加后生化系统的运行状况进行判别。

2.3.2 硫酸盐对污泥驯化培养的影响试验

表1 微生物驯化试验试验设计

2.4 测试方法

3 结果

3.1 工业园区污水厂生化段启动后的污泥镜检分析

图1(a)为该工业园区污水厂生化段启动初期(初次投泥后，污泥浓度约为400 mg/L)的镜检图，该图可观测到较多的活性污泥絮体；图1(b)为投泥10 d后污泥镜检图，观察知，此镜检结果中仅存留少量团状絮体，其物质主要形态已转变为短柱状(图1b)，表明有大量无机晶体物质存在。分析知，由于该园区污水厂在生化段尾部工艺中采用了硫酸亚铁及硫酸铝进行总磷的化学控制，该过程带入了较多的化学药剂，且由于生化段污泥驯化效果较差，故随着时间推进，生化系统中有机污泥絮体含量逐渐减少，而较多的含磷化学沉淀回流引起了生化段污泥的无机化转变。整体上，该园区生化系统投泥约10 d后，生化系统已转变为无机污泥(污泥浓度<1000 mg/L)，基本无生化功能，表明除磷药剂的添加对生化系统产生了不利影响。

图1 园区污水厂生化系统启动时悬浮物镜检特征变化

3.2 不同驯化体系中pH值的变化

图2为不同反应体系中溶液pH值的变化，由图2知，E1～E7组实验中溶液初始pH值均约为8，反应进行中7组试验溶液pH值基本稳定，表明微生物可在较稳定的pH值环境下进行生长，而高硫酸盐条件下微生物的代谢产物亦未对溶液pH值产生影响。

图2 不同反应体系溶液pH值的变化

3.3 试验组别中COD的降解及污泥浓度的变化

图3、4分别描述了不同试验组别中COD降解及污泥浓度的变化趋势。图3中，反应初始条件下，未添加营养源的E3组COD浓度约为75 mg/L，其他添加营养源组的初始COD浓度约为250 mg/L。3 d时，E1～E7组中COD浓度均呈现显著下降趋势，E3组中COD的明显下降表明无外加碳源条件下微生物代谢活动仍然存在。随着时间的进行，此组中COD浓度仅可降低至约35 mg/L，之后便不再降解。对比E2与E4组试验可知，曝气条件下COD的降解速率更高，即好氧条件下微生物的代谢速率更快。除E3组外，其他六组试验在第一次补加碳源后，各反应体系中COD浓度出现先增大后降低趋势，表明各组中微生物代谢的正常进行。第二次补加碳源时间为第9 d，此时各组别COD处于持续降解过程，第14 d时，E1、E2、E4、E5、E6、E7组中COD分别可降解至30.24、30.29、60.48、28.16、47.88、17.64 mg/L，除E4外，其余各组均可获得较好COD去除效果，进一步分析知，E7组(园区生化段污泥)COD去除效果更优，此现象表明土著微生物可较厂外污泥及耐盐特效菌剂具有更好适应性，其对COD的降解可获得更好的效果。对比Me耐盐菌剂与市政消化污泥试验组的COD去除效果知，高硫酸盐浓度条件下，Me耐盐菌剂对COD的降解无显著优势。

图3 不同反应体系COD浓度的变化

图4 不同反应体系MLSS的变化

进一步对比E1与E2、E3、E5、E6、E7知，此六组COD浓度的总体变化规律相似，三次补加碳源后均可持续进行COD的降解，表明与无硫酸盐存在时相比，高浓度硫酸盐条件下微生物的代谢未受到明显抑制。

图4中，E5组污泥浓度最低，此组为Me耐盐菌剂，接种时，其为乳黄色液体，表观悬浮物质较少，其相对于接种污泥成分较单一(微生物复合菌群)，反应进行时MLSS增长也较慢，19 d时其浓度约为300 mg/L，与市政消化污泥接种组初始MLSS浓度相近。对比E1～E4、E6、E7组知，E7组中微生物代谢速率明显优于其他组别，而该组反应过程中COD浓度的降解速率亦较快，故可推测出E7组中较快的微生物生长速率使得该组中COD的降解效果较优，进而可知充足碳源条件下，生化段内土著微生物可获得较好的增殖效果；E1、E2、E6组中MLSS浓度的变化规律相近，表明高浓度硫酸盐条件对微生物的生长无显著影响。E3、E4组MLSS相近，但明显低于E1、E2、E6、E7组，分析知，此两组中，E3为无外加碳源组，较低的碳源抑制了其生长，再结合其降解效果可知，园区污水厂COD可生化性较差，若无外加碳源时，活性污泥(微生物)的生长将极难进行；E4组为无曝气试验组，此条件下反应体系溶解氧约为0 mg/L(溶氧仪测定)，故此组代谢主要为厌氧反应，结合试验中观测到废水颜色呈黑色(Fe2+与S2-生成黑色的铁硫化物)，进而可推测此组试验中MLSS浓度的增加主要是有硫酸盐还原菌(SRB)的生长引起的，这与其他好氧组别中增殖微生物的种类不同。结合图3、4可知，SRB的生长代谢速率较好氧菌群的代谢速率低，其对COD的去除效果亦较低。

综上可知，高浓度硫酸盐不会对微生物的生长及代谢产生显著影响，园区污水厂废水COD浓度较低，且生化性较差，其为寡营养源，碳源的严重不足抑制了微生物的生长，进而使得生化段污泥驯化工作无法正常开展。

3.4 不同试验体系下微生物镜检分析

图5为试验中期(10 d)不同试验体系下微生物镜检图，总体上，除Me耐盐菌剂(E5组)呈现絮状分布外，其他各组试验均呈现菌胶团状分布。厂外污泥投加组(E1～E6)中，E1、E2组微生物的形态相似；无外加碳源的E3组中微生物呈现紧密聚集状态(推测为细胞进入内源呼吸阶段，此时尚未出现死亡自溶现象)；E6组表明中同时添加Me菌剂及厂外污泥时，Me菌剂可增强污泥菌胶团粘附作用，进而有利于其聚集；E4组为厌氧状态下的微生物形态，观测知，其呈现较分散状态，形态也明显小于好氧条件。E7组为厂区内生化段接种污泥，图中可见较多棒状晶型结构，这主要是由于化学除磷药剂的投加形成的，该组中活性污泥菌胶团较厂外活性活性污泥松散。

图5 不同试验体系下微生物镜检图

4 结论

(2)Me耐盐菌剂与普通活性污泥相比，在较高浓度的硫酸盐条件下其对COD的降解速率无明显优势。

(3)生化段内活性污泥接种组中微生物的高效生长代谢现象表明园区废水中的硫酸盐不会对污泥生长产生明显抑制，而废水生化性较差，碳源严重不足才是微生物生长受到抑制的主要原因。

(4)园区生化段污泥镜检结果表明：其已转化为无机污泥，基本无生化功能，除磷药剂的添加也对生化系统造成了一定的影响。