碳源种类及含量对诱发SBR反应器污泥膨胀的影响

丁梓倩，费学宁，邢燕军，焦秀梅

（1.天津城建大学环境与市政工程学院，天津 300384；2.天津城建大学理学院，天津 300384）

活性污泥膨胀现象是污水生物处理系统稳定运行面临的一大难题，污泥膨胀会造成二沉池固液分离困难、出水水质恶化，严重时导致整体生物处理系统的崩溃.污泥膨胀发生的机理和影响因素受到国内外研究人员的广泛关注，了解污泥膨胀发生和发展的规律是对其进行有效控制的重要依据.目前学者对温度[1-4]以及DO[5-6]和碳、氮、磷含量比例[7-8]等对污泥膨胀的影响做了相关研究.王慕华[9]和杨敏等[10]通过实际污水厂研究和实验室模拟相结合，研究了油酸对污泥膨胀的影响.杨雄等[11]研究了不同碳源对污泥沉降性能的影响，研究发现乙酸钠和葡萄糖易引发丝状菌的污泥膨胀，而淀粉能抑制污泥膨胀.但是，在该研究中没有考虑水质中碳源含量对污泥膨胀的影响，而这是对更深入地了解碳源变化对污泥膨胀影响值得关注的问题.

本实验分为2个阶段运行SBR反应器：第1阶段研究了生活污水和模拟配水（以吐温80和葡萄糖为碳源）对污泥膨胀的影响，采用三维荧光分析来检测生活污水中碳源有机物种类和组分比例后，结合上述文献和前期实验结果，本实验从碳源种类和含量上优化配水方案；在第2阶段中SBR1反应器为生活污水，SBR2和SBR3反应器都以葡萄糖、蛋白胨、尿素、腐植酸和十二烷基苯磺酸钠为碳源，SBR2反应器采用的碳源含量随着生活污水同步变化，为动态优化模拟配水，SBR3反应器采用的碳源含量取生活污水的平均值，为固定优化模拟配水.以生活污水和2种优化模拟配水为进水，分析反应器的沉降性能和水质指标变化，进一步深入研究碳源组分和含量对于污泥膨胀状态调控的影响.

1 材料与方法

1.1 试验装置及运行方式

试验装置采用有机玻璃制成的SBR小试装置进行试验，SBR反应器试验装置如图1所示.

图1 SBR反应器示意图

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，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.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，溶解氧控制在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℃.

1.2 试验水质及接种污泥

第1阶段实验反应器进水采用生活污水和模拟生活污水，其中SBR1反应器采用以吐温80和葡萄糖为碳源的模拟配水（见表1），SBR2反应器的进水为生活污水.第2阶段中对生活污水进行三维荧光分析后检测出类色氨酸、类蛋白质和类腐殖酸含量变化幅度较大，为了更好地模拟生活污水中的水质成分，实验反应器进水采用生活污水和优化模拟配水.SBR1反应器的进水为生活污水，SBR2和SBR3反应器的进水中以葡萄糖、蛋白胨、尿素、腐植酸和十二烷基苯磺酸钠为碳源，其中SBR2反应器采用动态优化模拟配水，碳源含量随着生活污水的COD含量而同步变化，在第1阶段中测出的生活污水COD值的平均值作为SBR3反应器的进水碳源含量，称为固定优化模拟配水.其中生活污水的NH4+-N质量浓度为30-69 mg/L，TN质量浓度为36-80 mg/L，TP质量浓度为2.5-5.2 mg/L，COD质量浓度为85-330 mg/L.模拟配水见表1、表2.接种污泥为天津市某污水处理厂二沉池污泥，将污泥限于反应器采用小试装置，控制混合液悬浮固体质量浓度为3 000 mg/L左右.第1阶段：初始种泥混合液悬浮固体质量浓度为5 062 mg/L，限于反应器采用小试装置，初始测得SBR1（模拟生活污水）和SBR2（生活污水）的混合液悬浮固体质量浓度分别为3 156 mg/L和3 313 mg/L，污泥容积指数SVI值为151 mL/g.第2阶段：3个反应器分别为SBR1反应器（生活污水）、SBR2反应器（动态优化模拟配水）和SBR3反应器（固定优化模拟配水），3个反应器初始污泥质量浓度分别为：3 289 mg/L、3 213 mg/L，3 265 mg/L，SVI为141 mL/g.

表1 第1阶段配水方案

表2 第2阶段配水方案

1.3 试验指标及分析方法

NH4+-N、NO3--N、NO2--N、TN、TP、COD和SVI等均按照国家环保部规定的标准方法《水质和废水监测分析方法》（第四版）进行分析测定[12]，蛋白质和类色氨酸采用Folin-酚法，总糖用蒽酮比色法，腐殖酸用紫外分光光度法，碱度用酸碱指示剂滴定法，阴离子洗涤剂用亚甲蓝分光光度法.

生活污水中含有大量荧光物质，比如蛋白质类、油脂、腐植酸类、阴离子表面活性剂[13]，传统有机物含量无法对有机物的成份进行表征，三维荧光可以检测出这些物质的荧光光谱[14]，三维荧光光谱技术能够利用荧光物质完整的荧光光谱信息计算出物质的相对含量[15].

水样在测量之前均需进行离心处理，排除固体杂质对荧光分析的结果的影响，以超纯水作为空白.利用Hitachi F-7000荧光光谱仪[16]对水样进行三维荧光光谱扫描，扫描结果利用MATLAB 2008a软件以平行因子分析法[17]进行数据处理，该法以三线性组分理论为基础，利用交替最小二乘法原理对三维荧光光谱数据矩阵进行分解计算[18].

2 结果与讨论

2.1 第1阶段试验

2.1.1 反应器沉降性能的分析

为了研究2个反应器的丝状菌丰度，对不同时期的泥样进行革兰氏镜检，2个反应器的革兰氏染色镜检图如图2所示.从图2中可看出，SBR2反应器有大量的丝状菌产生，而SBR1反应器的污泥状态良好.

图2 反应器革兰氏染色镜检图

反应器所用初始种泥混合液悬浮固体质量浓度为5 062 mg/L，限于反应器采用小试装置，控制混合液悬浮固体质量浓度为3 000 mg/L左右，初始测得SBR1和SBR2的混合液悬浮固体质量浓度分别为3 156 mg/L和3 313 mg/L，污泥容积指数SVI值分别为149.87 mL/g和150.92 mL/g.图3为反应器运行期间SVI的变化.由图3可见，0～20 d，随着反应器的运行，SBR2反应器的SVI值一直处于上升阶段，活性污泥处于污泥膨胀状态，丝状菌数量明显增多；20～46 d，SBR2反应器SVI值稳定在250 mL/g左右，此时丝状菌丰度已经达到最大值，丝状菌游离在菌胶团外，如图2b.在运行第46 d，SVI值突然下降，这是由于SBR2反应器排泥，引发活性污泥稳定系统遭到碰坏，之后SVI稳定在200 mL/g左右，SBR2趋于稳定运行.造成2个反应器SVI差异的原因可能是SBR1反应器的生长条件不适宜丝状菌生长，而丝状菌是引起污泥膨胀的主要原因.SBR1反应器在初始运行处于适应阶段，之后SVI值逐渐下降，丝状菌数量逐渐减少，最终SVI值最终稳定在60 mL/g左右，此时反应器处于稳步运行阶段，SBR1反应器丝状菌数量很少，只是偶尔有少许数量的丝状菌游离在菌胶团外，如图2a.

图3 反应器SVI值变化曲线

2.1.2 反应器水质指标特性的分析

根据所测的2个反应器的COD、氨氮、总磷的数值，对应的去除率的变化情况如图4—6所示.

由图4—6得知，从整个运行过程观察，在起始运行阶段，氨氮和总磷的去除率波动很大，这是由于活性污泥处于适应驯化阶段，反应器运行20 d以后，反应器运行状态逐步趋于稳定，反应器运行稳定后，SBR1和SBR2反应器总磷和COD的去除率均能达到90%左右，此时SBR1氨氮去除率达到85%左右，丝状菌数量减少，活性污泥处于正常絮凝状态，泥水分离正常，污泥沉降性能良好，反应器处于正常稳定运行状态.SBR2反应器在运行初，氨氮去除效果波动很大，在20 d之后SBR2反应器稳定运行，此时氨氮的去除率稳定在30%左右，这是由于SBR2反应器处于丝状菌污泥膨胀状态，丝状菌为优势菌种，丝状菌的丝能够轻易延伸到絮体外部，与硝化细菌形成竞争，致使氨氮去除率变低.

图4 反应器COD去除率

图5 反应器氨氮去除率

图6 反应器总磷去除率

以上分析表明，第1阶段SBR1反应器以吐温80和葡萄糖为碳源的模拟配水相比于以生活污水为进水的SBR2反应器，并未达到污泥膨胀状态.

2.2 第2阶段试验

2.2.1 反应器沉降性能的分析

根据所测的3个反应器的SVI值，对应的趋势图如7所示.

3个反应器分别为SBR1反应器（生活污水），SBR2（动态优化模拟配水）和SBR3（固定优化模拟配水），反应器初始污泥质量浓度分别为：3 289 mg/L、3 213 mg/L和3 265 mg/L，SVI为141 mL/g.如图7所示，SBR1反应器在运行2 d之后污泥开始膨胀，SVI由141 mL/g变为158 mL/g，之后一段时间一直保持污泥膨胀状态，活性污泥发生了丝状菌污泥膨胀，运行至第30 d左右时，反应器SVI值处于下降阶段，污水井处的各类营养物质浓度降低，致使反应器活性污泥处于饥饿状态，SVI值随着水质浓度恢复正常，逐渐升高，又恢复至污泥丝状膨胀状态.

图7 反应器SVI值变化曲线

SBR2和SBR3这2个反应器在运行至第18 d时SVI开始出现差距，此时SBR2反应器SVI为160 mL/g，发生污泥膨胀，SBR3反应器SVI为122 mL/g，未发生污泥膨胀.SBR2污泥膨胀一直维持至30 d左右，SBR3在反应器运行42 d之后发生膨胀，维持天数只有8 d左右.在SBR2反应器污泥膨胀期间，进水中的蛋白质和类色氨酸物质渐渐升高，活性污泥对蛋白质和类色氨酸的吸收随着污泥膨胀的而增加，Dunkel等[20]研究进水中LCFA含量对微丝菌生长的影响，结果表明微丝菌丰度和总LCFA含量之间呈显著相关性.这是由于当反应器处于膨胀状态，丝状菌生长的影响随着碳链的不饱和程度的增加而增加，说明蛋白质含量的增加对SBR2和SBR3反应器膨胀状态变化有一定的贡献行为.反应器总共运行84 d，SBR2反应器膨胀天数24 d，SBR3膨胀8 d.图8所示为3个反应器革兰氏染色镜检图.从图8可以看出，SBR2反应器丝状菌较多，发生丝状膨胀，SBR3反应器丝状菌很少.综合SVI值和镜检结果，碳源含量随着生活污水的COD值变化的SBR2反应器比碳源含量取生活污水平均值的SBR3反应器更早的发生污泥膨胀，且维持时间更长.这说明动态优化模拟配水方案相对固定优化模拟配水方案更加有利于丝状菌的生长，使污泥更加容易发生膨胀.综上结果，由蛋白质、类色氨酸，腐殖酸和阴离子表面活性剂组成的碳源对污泥膨胀的影响不仅和组分有关，它们之间的比例和含量也发挥着重要的作用.

图8 3个反应器革兰氏染色镜检图

2.2.2 反应器水质指标的分析

通过检测3个反应器的氨氮和COD的指标，对氨氮和COD去除率的趋势如图9、图10所示.

通过对图9 SBR1、SBR2和SBR3 3个反应器对比分析，SBR1、SBR2和SBR3的氨氮去除率基本都能达到90%以上，SBR1和SBR2在基本稳定时会出现突然波谷，这是由于反应器进水突然发生变化，即进水氨氮质量浓度突然由稳定时的40～50 mg/L变为80～100 mg/L，进水氨氮突然增大所导致.由图10可见，三个反应器COD的去除率均能达到80%左右，出水COD浓度均能达到国家污水排放标准（GB8978—1996）一级B标准.2阶段实验结果表明，2种配水方案氨氮和COD去除率都比较高，可以达到国家污水排放标准（GB8978-1996）一级B标准.

图9 反应器氨氮去除率

图10 反应器COD去除率

整个实验结果表明，优化配水方案更有利于污泥膨胀，其中动态模拟配水的反应器膨胀起始时间最早且膨胀持续时间更长.

3 结论

（1）2个阶段运行结果表明，反应器在14～16℃运行条件下，以生活污水为碳源容易引发污泥膨胀.

（2）在第1阶段中，对比以生活污水为进水的反应器，以吐温80和葡萄糖为碳源的进水并未使反应器发生污泥膨胀.

（3）在第2阶段中，通过对比2种配水方案对反应器水质指标特性和沉降性能的影响，以葡萄糖、蛋白胨、尿素、腐植酸和十二烷基苯磺酸钠为碳源，且碳源含量随生活污水同步变化的SBR反应器发生了污泥膨胀，膨胀时间更早，维持时间更长.该配水方案更易促进污泥膨胀，为后续模拟污水探索活性污泥丝状膨胀规律提供参考.