王 暢， 蘇饋?zhàn)悖?鄧?yán)C坤， 方 暉， 徐得潛

（合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

0 引 言

厭氧顆粒污泥技術(shù)自20世紀(jì)80年代以來(lái)在工業(yè)廢水的處理中發(fā)揮著重要的作用［1］，已成為目前中高質(zhì)量濃度污水的主要處理方法。近年來(lái)好氧顆粒污泥由于具有結(jié)構(gòu)緊密、沉降能力好、生物質(zhì)濃度高、有機(jī)負(fù)荷率高等優(yōu)點(diǎn)，得到越來(lái)越多研究者的關(guān)注［2－6］。顆粒污泥的形成是一個(gè)包含物理、化學(xué)和生物作用的復(fù)雜過程，而絮體污泥在顆粒污泥形成過程中始終存在并影響這一過程的進(jìn)行，其中，絮體污泥和顆粒污泥的競(jìng)爭(zhēng)作用是顆粒污泥形成的關(guān)鍵步驟。顆粒污泥培養(yǎng)初期，絮體污泥通過微生物生長(zhǎng)和水力剪切等作用可轉(zhuǎn)化為顆粒污泥，在顆粒污泥培養(yǎng)過程中，由于顆粒和絮體污泥傳質(zhì)、擴(kuò)散及微生物數(shù)量的不同，兩者存在對(duì)底物競(jìng)爭(zhēng)利用［7－8］。

然而，迄今為止，盡管有模型對(duì)給定條件下SBR反應(yīng)器中生物種群、出水水質(zhì)等參數(shù)進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)［7－9］，但是，這些模型都假設(shè)污泥粒徑和數(shù)量均不改變，并將反應(yīng)器內(nèi)所有污泥都視為顆粒污泥，這與實(shí)驗(yàn)中污泥的實(shí)際變化規(guī)律不完全相符。因此，本文將對(duì)活性污泥顆?；^程中好氧顆粒污泥與絮體活性污泥之間的競(jìng)爭(zhēng)作用進(jìn)行研究，以期為解釋顆粒污泥的形成機(jī)制提供一條新的思路，使顆粒污泥形成過程的定量描述及人為調(diào)控顆粒的特性和形成過程成為可能。

1 材料與方法

實(shí)驗(yàn)采用序批式反應(yīng)器（Sequencing Batch Reactor，簡(jiǎn)稱SBR），反應(yīng)器內(nèi)徑11.5cm，有效高度80cm，總體積6.0L，排水口位于反應(yīng)器中部，排水比為0.5。運(yùn)行周期為6h。接種污泥取自合肥市某污水處理廠回流污泥。反應(yīng)器在常溫下運(yùn)行，溫度在15～25℃之間。反應(yīng)器進(jìn)水采用人工合成廢水，主要成分為蔗糖、磷酸二氫鈉、氯化銨、常量元素和微量元素，具體配制方法見文獻(xiàn)［10］?；旌弦簯腋」腆w（Mixed Liquid Suspended Solids，簡(jiǎn)稱MLSS）質(zhì)量濃度等均按標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定［11］。污泥粒徑分布、個(gè)數(shù)測(cè)定方法與文獻(xiàn)［2］類似，即絮體污泥粒徑采用激光粒度儀（JL－1177）測(cè)定，顆粒污泥粒徑分布采用顯微成像系統(tǒng)或體視顯微鏡結(jié)合數(shù)碼相機(jī)sonyDSC－HX1拍照，樣品照片采用Motic Advanced圖像分析軟件進(jìn)行分析。顆粒與絮體的篩分采用濕式篩分分析法，即在磷酸鹽緩沖溶液中，讓污泥混合液通過0.2mm的不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)篩，然后收集截留在篩網(wǎng)上的顆粒以及通過的絮體，詳見文獻(xiàn)［12］。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)器運(yùn)行情況

反應(yīng)器運(yùn)行分為4個(gè)階段，各階段進(jìn)水均為4min，曝氣260min，靜置90min，具體參數(shù)見表1所列。1～3階段沉淀時(shí)間依次縮短為5、2、1min，第4階段保持沉淀時(shí)間不變，增大排水流量，將排水時(shí)間縮短為1min。

表1 反應(yīng)器運(yùn)行參數(shù)

污泥平均粒徑變化如圖1所示，從中可以看出，污泥平均粒徑在反應(yīng)器運(yùn)行前30d內(nèi)無(wú)明顯變化，但從鏡檢可以看出，污泥較接種時(shí)更加密實(shí)，且形狀較為規(guī)則。反應(yīng)器運(yùn)行30d后，隨著沉淀時(shí)間從5min縮短為3min，細(xì)小絮體被排出反應(yīng)器，且污泥密度已增加到最大值，污泥平均粒徑快速增長(zhǎng)，從最初的71μm增加至850μm，直至反應(yīng)器運(yùn)行75d時(shí)，顆粒污泥趨于穩(wěn)定，污泥平均粒徑保持基本不變，反應(yīng)器呈穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，污泥由接種時(shí)的松散絮狀污泥變?yōu)樾螤钜?guī)則、密實(shí)的顆粒污泥，如圖2所示。

圖1 污泥平均粒徑變化

圖2 絮體和顆粒污泥形態(tài)對(duì)比

2.2 污泥粒徑分布變化

平均粒徑是表征污泥特性的一個(gè)重要參數(shù)，而粒徑分布則可更準(zhǔn)確地表示出各粒徑范圍內(nèi)污泥粒子所占的份數(shù)，顆粒污泥形成過程中粒徑分布的變化情況如圖3所示。

圖3a為污泥顆?；跏茧A段采用激光粒度儀測(cè)得的粒徑分布圖，圖3b為污泥顆?；A段采用圖像分析法測(cè)得的粒徑分布圖。接種的絮體污泥，其粒徑分布在20～180μm，平均粒徑為71.25μm，29d時(shí)平均粒徑增至93.27μm，平均粒徑和粒徑范圍未發(fā)生明顯變化。由圖3b可知，反應(yīng)器運(yùn)行47d時(shí)，污泥的平均粒徑較顆?；跗诿黠@增大，粒徑分布在92.4～835.5μm之間，粒徑分布曲線呈接近正態(tài)分布，d50達(dá)到250μm，且d50及其附近顆粒百分比顯著提高至40%以上。隨著平均粒徑的增大，由于大顆粒的破碎絮體又重新增多，粒徑分布范圍達(dá)到最廣，在70.6～1 120.2μm之間，粒徑分布變得平緩，d50及其附近百分比略有下降至30%。在將沉淀時(shí)間減為1min后，226.6～1 385.1μm的粒徑范圍內(nèi)粒徑分布較集中，可認(rèn)為已達(dá)到顆粒成熟穩(wěn)定期。

圖3 污泥粒徑分布變化

2.3 顆粒污泥與絮體污泥的競(jìng)爭(zhēng)

在SBR反應(yīng)器中培養(yǎng)顆粒污泥，需要控制諸多操作條件，如較高的H／D值、水流剪切力、較短的沉淀時(shí)間等，其目的是保證顆粒污泥在與絮體污泥競(jìng)爭(zhēng)的過程中具有優(yōu)勢(shì)。在反應(yīng)器運(yùn)行初期，接種污泥中絕大部分均為絮體，在較強(qiáng)的水力剪切力作用下，絮體污泥在胞外聚合物等復(fù)雜作用下凝聚為細(xì)小的顆粒，但由于此時(shí)顆粒粒徑與絮體接近，故難以與絮體區(qū)分。當(dāng)繼續(xù)增大選擇壓，如30d時(shí)降低沉淀時(shí)間，細(xì)小的絮體被排出，而小顆粒則不斷增大，在總污泥質(zhì)量濃度中所占比例增加，到第45d時(shí)，顆粒污泥與絮體污泥的競(jìng)爭(zhēng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)絮體與顆粒質(zhì)量之比接近于1，此時(shí)將沉淀時(shí)間進(jìn)一步縮短為1min，使顆粒污泥占有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，從而絮體污泥質(zhì)量濃度進(jìn)一步減少，直至顆粒成熟，反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行后絮體與顆粒污泥質(zhì)量濃度比值降至0.195。

顆粒與絮體污泥濃度變化，如圖4所示。

圖4 顆粒與絮體污泥質(zhì)量濃度變化

除污泥質(zhì)量濃度外，顆粒污泥形成過程中單位體積混合液中顆粒和絮體的個(gè)數(shù)也有顯著變化，如圖5所示。

圖5 每mL混合液污泥顆粒與絮體個(gè)數(shù)變化

在顆?；^程初期，單位體積混合液中絮體個(gè)數(shù)緩慢減少，而顆粒個(gè)數(shù)稍有增加。在將沉淀時(shí)間由5min縮短為2min后，該變化速率加大，顆粒在與絮體污泥的競(jìng)爭(zhēng)中占有優(yōu)勢(shì)，故其個(gè)數(shù)不斷增加。將沉淀時(shí)間進(jìn)一步縮短為1min后，部分小的顆粒也被排出反應(yīng)器，而保留的顆粒粒徑逐漸增加，顆粒個(gè)數(shù)減少。

比較圖4和圖5可知，顆粒污泥質(zhì)量濃度在運(yùn)行初期增加緩慢，而在中后期明顯增長(zhǎng)，在反應(yīng)器運(yùn)行30～45d之間，顆粒個(gè)數(shù)增加較快，平均粒徑增加相對(duì)不明顯，而反應(yīng)器運(yùn)行45～65d之間，顆粒個(gè)數(shù)明顯減少，但顆粒污泥質(zhì)量濃度依然增加較快，其原因是單個(gè)顆粒的粒徑和質(zhì)量增加所致。因此，顆粒污泥質(zhì)量濃度增加的主要原因在顆粒形成中期為顆粒個(gè)數(shù)增加，而在后期則主要為顆粒粒徑的增加。

根據(jù)活性污泥顆?；^程中絮體與顆粒污泥之間的競(jìng)爭(zhēng)過程，可將該過程劃分為3個(gè)階段，即絮體優(yōu)勢(shì)期、競(jìng)爭(zhēng)共存期、顆粒優(yōu)勢(shì)期。絮體優(yōu)勢(shì)期污泥平均粒徑較接種污泥無(wú)明顯變化，但污泥變得更加密實(shí)，污泥沉降性能變好，此時(shí)縮短沉淀時(shí)間，部分絮體被排出，已形成的小顆粒與其余絮體共存于反應(yīng)器，且競(jìng)爭(zhēng)底物，兩者同時(shí)生長(zhǎng)，稱為競(jìng)爭(zhēng)共存期，但在選擇壓下顆粒污泥具有明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，絕大部分可以保留在反應(yīng)器中，因此顆粒污泥質(zhì)量濃度逐漸增加，對(duì)底物的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)也越加明顯，而絮體污泥則因沉淀速率低被逐漸排出，從而污泥質(zhì)量濃度也逐漸降低，其凈增長(zhǎng)速率也隨之減少。此時(shí)進(jìn)入顆粒優(yōu)勢(shì)期，反應(yīng)器內(nèi)以顆粒污泥為主，存在少量因剪切或污泥解體形成的絮體，且在每個(gè)運(yùn)行周期末被排出，顆粒污泥反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行。

3 結(jié) 論

（1）采用序批式反應(yīng)器，以蔗糖合成廢水為底物，沉淀時(shí)間從接種時(shí)的5min逐漸縮短至1min，污泥平均粒徑從71μm增加至850μm，顆粒污泥反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行。成熟顆粒污泥結(jié)構(gòu)密實(shí)、形狀規(guī)則、沉降速度快，粒徑分布接近正態(tài)分布。

（2）在反應(yīng)器運(yùn)行初期，絮體和顆粒污泥質(zhì)量濃度和個(gè)數(shù)變化不太明顯，反應(yīng)器內(nèi)以絮體為主。而在反應(yīng)器運(yùn)行中期，隨著沉淀時(shí)間的縮短，顆粒在與絮體的競(jìng)爭(zhēng)中占有優(yōu)勢(shì)，從而大量保留在反應(yīng)器中并快速增長(zhǎng)，而絮體污泥則被排出反應(yīng)器，該階段絮體污泥質(zhì)量濃度和個(gè)數(shù)均迅速降低，而顆粒污泥數(shù)量增加，使其質(zhì)量濃度增長(zhǎng)。繼續(xù)縮短沉淀時(shí)間，絮體和小顆粒大量排出，顆粒在反應(yīng)器中占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，粒徑和質(zhì)量濃度均明顯增加，但由于部分小顆粒的排出顆粒數(shù)量有所減少。

（3）根據(jù)活性污泥顆?；^程中絮體與顆粒污泥之間的競(jìng)爭(zhēng)過程，可將該過程劃分為3個(gè)階段，即絮體優(yōu)勢(shì)期、競(jìng)爭(zhēng)共存期、顆粒優(yōu)勢(shì)期。

（4）顆粒污泥形成過程中絮體與顆粒污泥的競(jìng)爭(zhēng)過程取決于反應(yīng)器運(yùn)行條件，如本研究中的沉淀時(shí)間，這些條件決定何種污泥在競(jìng)爭(zhēng)中占優(yōu)勢(shì)，從而保留在反應(yīng)器并逐漸增長(zhǎng)。

下一步研究將針對(duì)如何將反應(yīng)器運(yùn)行條件與絮體顆粒競(jìng)爭(zhēng)過程建立定量的數(shù)學(xué)描述，從而為顆粒污泥培養(yǎng)的優(yōu)化條件提供理論指導(dǎo)。

［1］Lettinga G，van Velsen A，Hobma S，et al.Use of the UASBR concept for biological WWT，especially for anaerobic treatment［J］.Biotechnology and Bioengineering，1980，22：699－734.

［2］張子健，吳偉偉，王建龍.全自養(yǎng)硝化污泥的顆粒化過程研究［J］.環(huán)境科學(xué)，2010，31（1）：140－146.

［3］Liu Y Q，Moy B，Kong Y H，et al.Formation，physical characteristics and microbial community structure of aerobic granules in a pilot－scale sequencing batch reactor for real wastewater treatment［J］.Enzyme and Microbial Technology，2010，46：520－525.

［4］Ni B J，Xie W M，Liu S G，et al.Granulation of activated sludge in a pilot－scale sequencing batch reactor for the treatment of low－strength municipal wastewater［J］.Water Research，2009，43：751－761.

［5］Wu C Y，Peng Y Z，Wang S Y，et al.Enhanced biological phosphorus removal by granular sludge：from macro－to micro－scale［J］.Water Research，2010，44：807－814.

［6］李慧琴，涂 響，孔云華，等.交變負(fù)荷調(diào)控法培養(yǎng)好氧顆粒污泥的試驗(yàn)研究［J］.環(huán)境科學(xué)，2010，31（3）：743－749.

［7］de Kreuk M K，Picioreanu C，Hosseini M，et al.Kinetic model of a granular sludge SBR：influences on nutrient removal［J］.Biotechnology and Bioengineering，2007，97：801－815.

［8］Su K Z，Yu H Q.A generalized model for aerobic granulebased sequencing batch reactor：1，model development［J］.Environmental Science and Technology， 2006，40：4703－4708.

［9］Xavier J B，de Kreuk M K，Picioreanu C，et al.Multi－scale individual－based model of microbial and bioconversion dynamics in aerobic granular sludge［J］.Environmental Science and Technology，2008，41：6410－6417.

［10］Zheng Y M，Yu H Q，Sheng G P.Physical and chemical characteristics of granular activated sludge from a sequencing batch airlift reactor［J］.Process Biochemistry，2005，40：645－650.

［11］國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局.水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法［M］.第4版.北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2002：12－215.

［12］虞嘉東，張振家，王欣澤.厭氧顆粒污泥粒徑分布的分析測(cè)試方法簡(jiǎn)介［J］.工業(yè)用水與廢水，2004，35（1）：57－59.