温度对颗粒污泥处理畜禽养殖废水脱氮除磷效果的影响

胡颖，谢小东，栾大鹏

(1.福州大学 土木工程学院，福建 福州 350116；2.江苏城乡建设职业学院 公用事业学院，江苏 常州 213147；3.江苏金梓环境科技股份有限公司，江苏 常州 213000)

畜禽养殖是我国农业的重要组成部分，其在维持畜产品供给、提高生活水平等方面发挥重要作用。然而畜禽养殖过程中产生的废水含有大量的氮磷及有机质，若该类畜禽废水处理不当，会产生环境二次污染[1]。

好氧颗粒污泥因生物量高、运行费用低、抗负荷能力强等原因而备受关注[2-3]。之前研究颗粒污泥的应用多集中于模拟废水，而针对成分复杂的畜禽养殖废水的应用鲜见。此外，温度同样会影响颗粒污泥对畜禽养殖废水处理过程中颗粒污泥本身特性，脱氮除磷性能及颗粒污泥的元素构成[4]。本文以实际畜禽废水为探究对象，考察温度对颗粒污泥处理畜禽养殖废水脱氮除磷的影响。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

废水，取自某规模化养猪废水，经格栅过滤后，集中于集水井内备用，主要特征见表1；为了降低畜禽废水中的有机物含量，本研究采用厌氧预处理降低畜禽废水中可降解有机物，厌氧出水特征见表1；接种污泥，取自某市政污水处理厂的二次沉淀池，经过滤去掉大颗粒杂质后备用。接种污泥的基本特性如下：pH 6.8±0.1，总悬浮颗粒物(TSS)(3 500±160)mg/L，挥发性悬浮固体(VSS)(2 100±120)mg/L。

表1 实验所用畜禽废水的主要特征Table 1 Main characteristics of livestock wastewater used in the experiment

DRB2000 COD消解仪；T6紫外分光光度计；H205OR-1离心机；HQ30d溶解氧仪。

1.2 实验方法

实验在三个相同的序批式反应器(SBR)内进行，SBR的有效工作容积为5.0 L，SBR为玻璃树脂构成，高度为1.0 m。SBR底部设有微孔曝气头、排泥口，侧面设有进样口与取样口。通过转子流量计控制SBR内曝气量为4～5 mg/L。SBR每日运行1个周期，水力停留时间为24 h，运行模式为缓慢进水 30 min，好氧曝气22 h，沉淀出水30 min，闲置期1 h。各SBR运行分为两阶段，阶段-Ⅰ运行40周期，在该周期内进水pH调节至7.0±0.1以进行颗粒污泥驯化，而阶段-Ⅱ中进水为厌氧出水，以判断颗粒污泥对畜禽养殖废水处理性能。各SBR运行温度通过水浴循环的模式分别控制在10，20，30 ℃。

1.3 分析方法

2 结果与讨论

2.1 温度对颗粒污泥去除效率的影响

2.1.1 COD去除效率 温度对出水COD去除效率的影响见图1。

图1 温度对颗粒污泥处理畜禽废水出水COD及其去除效率的影响Fig.1 Effect of temperature on COD and removal efficiency of granular sludge treatment of livestock and poultry wastewater effluent

由图1可知，在前40 d，各温度下出水COD的浓度随时间逐渐下降，这主要是由于颗粒污泥逐渐适应过程。在40 d之后，颗粒污泥运行进入稳定时期，随运行温度升高，出水COD的浓度降低，COD去除效率升高，运行温度30 ℃时，出水COD的浓度下降至116.3～120.3 mg/L，COD去除效率升高至80.6%～81.3%。表明提高运行温度能促进颗粒污泥对畜禽养殖废水COD的去除，最佳运行温度为30 ℃。颗粒污泥系统中有机物的去除主要依赖污泥吸附和氧化分解，当运行温度较低时，微生物酶活性下降，生物膜的通透性变差，吸附在颗粒污泥表面的有机物分解机入胞速率下降，同时微生物增殖同样会受到影响[7]。当温度为30 ℃时，微生物活性较高，颗粒污泥对COD去除效率较高。

图2 温度对颗粒污泥处理去除废水过程中去除效率的影响Fig.2 Effect of temperature on the removal efficiency of in the process of wastewater removal by granular sludge treatment

2.1.3 TP去除效率 图3为温度对颗粒污泥去除TP的影响。

图3 温度对颗粒污泥处理畜禽养殖废水去除TP的影响Fig.3 The effect of temperature on the removal of TP from livestock slaughterhouse wastewater treated with granular sludge

由图3可知，在20 d时，各温度下TP的去除效率均低于80 d时TP的去除效率，产生这种现象的原因在于20 d时颗粒污泥处于适应期，微生物活性较低，对TP的去除有限。当运行稳定后，运行温度由10 ℃提高至30 ℃时，TP的去除效率由75.8%提高至81.4%，说明温度升高利于颗粒物对畜禽养殖废水中TP的去除。颗粒污泥由外向内形成了好氧、缺氧及厌氧的区域，磷酸盐在颗粒污泥的表面被聚磷微生物(PAO)超量吸收，从而实现生物除磷。

2.2 温度对颗粒污泥特征的影响

2.2.1 污泥EPS特征分析 颗粒污泥特征对不同温度具有不同的响应。由图4可知，在启动阶段及稳定运行期，温度均对EPS及组分产生较大影响。在启动期(20 d)时，温度由10 ℃升高至30 ℃，EPS含量由65.6 mg/g升高至79.6 mg/g，EPS含量升高主要是由于PN含量的升高，当温度由10 ℃升高至 30 ℃ 时，PN的含量由42.3 mg/g升高至52.6 mg/g，而PS的含量在实验温度内维持在16.6～17.3 mg/g。此外，在启动期，温度升高，提高PN/PS，这促进了颗粒污泥的稳定性。在稳定运行期，温度同样影响EPS的含量及组成，当运行温度由10 ℃升高至30 ℃，EPS的含量由 69.5 mg/g 升高至 83.2 mg/g，PN含量由 46.5 mg/g 升高至59.6 mg/g，而PS的含量同样略有升高，但仍维持在18.5～18.9 mg/g。颗粒污泥由启动期转为稳定期后EPS、PN及PS的含量具有不同程度提高，且提高的主要为PN部分。研究表明，EPS中PN具有电负性及疏水性，能够在一定程度改变污泥的表面性质，促进颗粒污泥的形成，而PS具有较强的黏合性，对颗粒的黏合及聚集具有一定作用[8]。此外，在本研究中，启动期与稳定期内随温度升高，PN/PS 同样呈现上升趋势，PN/PS代表颗粒稳定性，PN/PS越高，颗粒污泥稳定性与沉降性越高。温度对微生物的新陈代谢具有重要作用，研究表明30 ℃利于微生物生长，从而加速颗粒污泥的形成。

图4 温度对颗粒污泥特征的影响Fig.4 The influence of temperature on the characteristics of granular sludge a.20 d；b.80 d

2.2.2 污泥EPS浓度及沉降性分析 颗粒污泥浓度及沉降性对颗粒污泥的应用至关重要，本文探究了温度对颗粒污泥MLSS及SVI的影响，结果见图5。

图5 温度对颗粒污泥MLSS浓度(a)及SVI(b)的影响Fig.5 Effect of temperature on the MLSS concentration (a) and SVI (b) of granular sludge

由图5a可知，各反应器内MLSS的浓度随时间先下降后逐渐升高并平稳。1～20 d内，颗粒污泥处于适应时期，部分污泥随排水被冲刷掉，导致MLSS浓度下降，而在随后的时间内，随颗粒污泥内微生物逐渐适应运行环境，污泥的浓度逐渐提高。在稳定时期，当温度为10 ℃时，MLSS的浓度高达 4 289 mg/L，而温度在20 ℃和30 ℃时，MLSS的浓度升高至4 616 mg/L和4 895 mg/L，显著高于低温运行时期。温度升高，促进了颗粒污泥中微生物的代谢，从而提高污泥浓度，利于颗粒污泥对污染物的去除。由图5b可知，各反应器内颗粒污泥的SVI随时间先下降后平稳，在稳定时期，温度同样影响颗粒污泥的SVI，当温度由10 ℃升高至30 ℃时，SVI值由64 mL/g下降至45 mL/g，虽然各温度下颗粒污泥的沉降性均较好，但温度升高，促进了污泥沉降。

2.3 温度对颗粒污泥运行时期元素构成的影响

畜禽废水中存在部分金属元素，金属元素可吸附至颗粒污泥表面，温度对颗粒污泥吸附畜禽废水中元素的影响见表2。

表2 温度影响下颗粒污泥的元素比例分布Table 2 Element ratio distribution of granular sludge under the influence of temperature

由表2可知，颗粒污泥中P的比例较大，说明本研究中颗粒污泥具有较强的除磷性能，但温度升高提高了颗粒污泥中P的百分比，这也与本研究中温度升高提高生物除磷效率相一致。Na与Mg是颗粒污泥中的关键元素，研究表明颗粒污泥中Na与Mg的存在利于颗粒污泥对污染物的吸附与去除[9]，在本研究中运行温度由10 ℃提高至30 ℃时，Na与Mg的元素分布综合由23.8%提高至29.6%。此外，Mg参与了多聚磷酸盐的合成与能量的转移，而温度升高提高了颗粒污泥中Mg的百分比。

3 结论

(2)温度提高能促进颗粒污泥内EPS含量，且主要促进PN含量，当运行温度由10 ℃升高至 30 ℃，EPS的含量由69.5 mg/g升高至83.2 mg/g，PN含量由46.5 mg/g升高至59.6 mg/g。

(3)温度提高，促进了颗粒污泥内Na和Mg的相对百分比，提高了污泥颗粒化，对污泥颗粒形成具有重要作用。