同步硝化反硝化好氧颗粒污泥的快速培养研究

王 帆

（山西云鼎环境工程有限公司，山西 太原 030001）

0 引言

好氧颗粒污泥自20 世纪90 年代初在SBR 反应器内被发现以来，因其具有致密的结构、优异的沉降性能、多样化微生物菌群富集共存与协同耦合等特征，已成为废水生物处理领域的研究热点之一[1]。本文通过建立SBR 反应器，对采用生物质炭作为晶核培养同步硝化反硝化好氧颗粒污泥进研究。

1 试验部分

1.1 试验材料与仪器

试验材料：CH3COONa、NH4Cl、KH2PO4、FeSO4、MgSO4、CaCl2均来自国药集团上海化学试剂公司。

试验仪器：序批式反应器（SBR）2 个，扬州博依特环保科技公司；KSXB-1102 型高温管式炉，汉州卓弛仪器公司；污水COD 快速测定仪，江苏盛奥华环保科技公司；PHB-4 型便携式pH 计，河南兄弟仪器设备公司；光学显微镜，西班牙Levenhuk 公司；UV-1900i型紫外可见分光光度计，日本岛津公司。

1.2 试验方法

1.2.1 实验装置与流程

SBR 直径为90 mm，高度900 mm，有效容积为4 L，系统采用时间控制器进行自动化控制。每个周期设置为6 h，每天可运行4 个周期；在每个周期内的时间分布：进水20 min，曝气290 min，沉淀30 min，出水和闲置20 min；启动蠕动泵往SBR 底部进水，等待水位达到预定位置启动曝气泵进行底部曝气，气体流量为2.0 L/min。周期结束时，SBR 内溶解氧（DO）浓度在5.5 mg/L 以上。在1#SBR 中投加颗粒生物质炭，2#SBR 不投加颗粒生物质炭（对照）。

1.2.2 试验用水与接种污泥

SBR 试验用于采用人工配制模拟废水，在纯净水中加入 CH3COONa、NH4Cl、KH2PO4、FeSO4、MgSO4、CaCl2等物质进行配制，进水水质COD 控制在960～1 000 mg/L，氨氮浓度控制在150 mg/L，总磷浓度控制在10 mg/L。SBR 接种污泥来自太原市晋阳污水处理厂二沉池絮状污泥，污泥体积指数SVI 为110 mL/g，污泥质量浓度为3 500 mg/L。

1.2.3 分析方法

采用分光光度法测定NH4+-N、NO3--N、NO2--N浓度；污水COD 快速测定仪测定COD 值；pH 计直接测定pH 值；使用光学显微镜和数码照相机观察和记录污泥形态变化[2]。

1.2.4 胞外聚合物的提取与测定

热提取法提取污泥胞外聚合物（EPS），EPS 中的多糖（PS）采用苯酚-硫酸法测定，蛋自质（PN）采用修正的Lowry 法测定。

2 结果与讨论

2.1 好氧颗粒污泥的形成

2.1.1 好氧颗粒污泥外观形态变化

在好氧颗粒污泥形成过程中，采用光学显微镜对好氧颗粒污泥的形态变化进行实时跟踪观察。实验结果表明：SBR 运行至12 d 时，1# 实验SBR 中褐色污泥呈微细化，生成有小部分不规则污泥聚集体；2#对照SBR 中无不规则污泥聚集体出现。SBR 运行至22 d 时，1#实验SBR 中出现大量颗粒污泥；2# 对照SBR 中才出现小部分不规则污泥聚集体。后期SBR的继续运行，两个SBR 内颗粒污泥继续保持生长，颗粒污泥的粒径不断增大，颗粒污泥的数据不断增加。1#实验SBR 运行至50 d 时颗粒污泥数量约占90%，颗粒污泥粒径约为1～3 mm，颗粒污泥结构致密且表面光滑圆润，可明显观察到颗粒污泥中的生物质炭晶核。2#对照SBR 运行至50 d 时颗粒污泥数量约占80%，颗粒污泥粒径约为2～4 mm，颗粒污泥结构相对松散、不稳定、易解体。

在实验中添加一定量的生物质炭，可有效促进好氧颗粒污泥的培养，缩短其培养时间，同时形成的好氧颗粒污泥致密稳定[3]。

2.1.2 污泥沉降性能变化

对1#实验SBR 和2#对照SBR 内污泥浓度和污泥体积指数（SVI）进行考察研究，结果如下。

1#实验SBR 和2#对照SBR 内污泥浓度均表现为下降趋势，污泥体积指数均表现为先增大后下降趋势。反应器运行初期，1# 和2# 反应器的污泥体积指数分别从112.09、111.18 mL/g 增大至130.15、133.28 mL/g；在该时间内1#和2#反应器的污泥质量浓度分别从3 447、3 533 mg/L 增大至2 411、2 437 mg/L。反应器从1 d 运行至50 d 期间内，1#和2#反应器的污泥体积指数从增大值分别降低至55.47、68.22 mL/g；在该时间段内1#实验SBR 污泥质量浓度表现为缓慢的增大趋势，2#对照SBRSBR 污泥质量浓度表现为缓慢的下降趋势。

在反应器内，初期运行时期过高水力剪切力会影响到絮状污泥的沉降性能，沉降性能差的污泥被洗脱出反应器。当污泥体积指数在100.00 mL/g 以下时有利于好氧颗粒污泥的形成。从1#实验SBR 与2#对照SBR 的对比数据可知，投加了生物质炭的1#实验SBR 污泥质量浓度以及沉降性能始终优于未投加生物质炭的2#对照SBR，生物质炭的存在可以有效保留反应器中的污泥数量，将反应器内微生物水平维持在良好状态，更加有利于好氧颗粒污泥的形成。

2.1.3 EPS 中PS 和PN 的变化

对1#实验SBR 和2#对照SBR 内污泥胞外聚合物（EPS）中的主要成分PS 和PN 情况进行考察研究。结果表明：反应器从1 d 运行至50 d 过程中，1#实验SBR 和2# 对照SBR 内PS、PN 含量均表现为快速增长趋势，1#SBR 和2#SBR 内PS 含量分别从5.80、5.52 mg/L 增大至41.96、24.59 mg/L，PN 含量分别从接种污泥的31.59、31.02 mg/L增大至260.47、207.43 mg/L。在SBR 内投加生物质炭可有效促进反应器内污泥EPS 的分泌，进而促进好氧颗粒污泥的形成。

2.2 好氧颗粒污泥形成过程中水处理性能

2.2.1 造粒过程中反应器对污染物的去除效果

在好氧颗粒污泥形成过程中，对两个反应器内COD 及各氮类指标去除效率进行定期测定，测定结果分析如下。

运行初期，1#和2#SBR 出水COD均降低至80mg/L左右，COD 去除率分别为98.11%、95.20%；运行到10～15 d 时间内，1# 和2#SBR 出水COD 均升高至180 mg/L 左右，COD 去除率大幅度降低，原因为该阶段污泥流失导致反应器内微生物量减少；运行至20 d后，1# 和2#SBR 出水COD 均降低至20 mg/L 左右，COD 去除率提高至98.50%左右，该阶段尽管污泥浓度下降，但是伴随有好氧颗粒污泥形成。在1# 和2#SBR 内，两者COD 去除率无显明差别，SBR 中加入生物质炭对COD 的去除率基本无影响。

运行在1～5 d 时间内，1# 和2#SBR 内NH4+-N浓度呈现大幅度下降，NH4+-N 去除率最高达99%，去除效果理想，该阶段内反应器发生有硝化反应，生成有一定量的NO3--N 和NO2--N；运行在5～25 d 时间内，1#和2#SBR 内NH4+-N 浓度呈现大幅度上升，两反应器内NH4+-N 质量浓度分别高达121.5、146.5 mg/L，两反应器内NO3--N 和NO2--N 量也在降低，硝化作用减弱，主要原因为反应器污泥沉降性恶化、硝化细菌流失；运行在25～50 d 时间内，该阶段NH4+-N 进水质量浓度从之前的210 mg/L 降低至60 mg/L，1#SBR、2#SBR 内NH4+-N 浓度去除率分别最高为71.5%、64.8%，该阶段内出水无NO3--N 和NO2--N 存在，该阶段内存在大量好氧颗粒污泥，反应器内发生有同步硝化反硝化；运行在1～50 d 时间内，1#SBR、2#SBR内TN 的去除情况基本与NH4+-N 去除量情况一致。

2.2.2 周期内各污染物浓度的变化

对1#SBR、2#SBR 一个周期内的水质指标变化进行检测，结果表明：运行2 h 后1#SBR 中出水COD 浓度降低至100 mg/L 左右，2#SBR 在运行3 h 后出水COD 值降低至100 mg/L 左右，在SBR 添加生物质炭作为晶核培养颗粒污泥可加速降解COD；在反应器一个周期内，NH4+-N 和TN 的降解量及降解速度基本保持一致；在一个运行周期内未检测到NO3--N 和NO2--N，原因为在反应器内发生了同步硝化反硝化；1#SBR、2#SBR 内TN去除率分别最高为71.5%、64.8%。

3 结论

1#SBR 和2#SBR 均可培养出好氧颗粒污泥，投加了生物质炭的1#SBR 好氧颗粒污泥形成速度更快、结构致密稳定；好氧颗粒污泥培养过程中，两反应器内污泥沉降性能不断优化，SVI 均可至70 mL/g 以下；两反应器内EPS 含量均表现为急剧上升，投加生物质炭的1#SBR 内EPS 上升幅度更大，生物质炭可有效促进反应器内污泥EPS 含量的分泌；在造粒过程中1#SBR 和2#SBR 对COD 去除率均能达到95%以上，生物质炭的加入对COD 去除率基本无影响；一个周期内两反应器NH4+-N 和TN 降解量及降解速度基本保持一致，在一个运行周期内未检测到NO3--N和NO2--N，表明反应器内发生了同步硝化反硝化。