彭趙旭， 韓 微， 婁天宇， 姜 昆， 李 磊

(鄭州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

0 引言

活性污泥法是目前污水處理的常用方法，具有處理效果好、適應(yīng)性廣、操作靈活等優(yōu)點(diǎn)[1]。但是運(yùn)行中會產(chǎn)生大量剩余污泥[2]，有時(shí)由于缺少外運(yùn)場所或設(shè)備檢修只能閑置在廠內(nèi)[3]，當(dāng)新廠調(diào)試或設(shè)備重啟時(shí)，這些剩余污泥是否能做接種污泥取決于閑置時(shí)間、接種用途、處理水質(zhì)等因素。目前有關(guān)閑置污泥活性恢復(fù)的研究主要集中在除碳和脫氮方面。王新華等[4]馴化閑置了2個(gè)月的好氧硝化顆粒污泥，異養(yǎng)菌活性在1 d內(nèi)恢復(fù)至原水平的 86%，5 d后即可完全恢復(fù)。路青等[5]探究接種污泥源對厭氧氨氧化啟動(dòng)的影響，發(fā)現(xiàn)采用好氧污泥、厭氧顆粒污泥和厭氧消化污泥作為種泥，在SBR中馴化61、70、85 d后，總氮去除率分別為76%、82%、80%。生物除磷是活性污泥法的主要功能，閑置期間由于長期厭氧環(huán)境破壞了聚磷菌的代謝路徑，因此難以滿足生物除磷的要求。這些剩余污泥是否能用作生物除磷工藝的接種污泥，目前還鮮見報(bào)道。本文利用SBR反應(yīng)器詳細(xì)考察閑置污泥活性恢復(fù)過程中除磷性能的變化，以期對閑置污泥再利用提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 用水水質(zhì)及污泥來源

實(shí)驗(yàn)采用人工模擬廢水，分別采用CH3COONa·3H2O、NH4Cl和KH2PO4作為碳氮磷的來源，投加375 mg/L的NaHCO3溶液補(bǔ)充堿度，投加40 mg/L的CaCl2·2H2O、80 mg/L MgSO4溶液和0.3 mL/L的營養(yǎng)液提供微生物生長需要的各種礦質(zhì)元素[6]。模擬廢水的COD、NH4+-N濃度和PO43--P質(zhì)量濃度分別為330 mg/L、45 mg/L和4.3 mg/L。實(shí)驗(yàn)污泥取自鄭州市某污水處理廠的好氧池(AAO工藝)，取回后在塑料水桶里露天放置15 d。污泥沉降到水桶底部，其外觀逐漸由黃褐色變?yōu)榛液谏?，上清液清澈?/p>

1.2 研究方法

SBR反應(yīng)器由有機(jī)玻璃制成，上部為圓柱形，下部為圓臺體，高700 mm，直徑200 mm，總有效容積12 L，每周期排水8 L。以曝氣砂頭作為微孔曝氣器，由轉(zhuǎn)子流量計(jì)調(diào)節(jié)曝氣量。pH、DO、氧化還原電位(ORP)探頭置于反應(yīng)器內(nèi)，溫度用加熱棒控制在(21±1) ℃。SBR采用厭氧/好氧方式運(yùn)行，每周期8 h，包括瞬時(shí)進(jìn)水、厭氧攪拌(0.5 h)、好氧曝氣(2 h)、潷水沉淀(0.5 h)、排水閑置(1 h)、閑置待機(jī)(4 h)。好氧末期排放100 mL泥水混合液控制污泥停留時(shí)間(SRT)12.5 d，SRT由式(1)計(jì)算。閑置污泥用蒸餾水清洗3次后投加模擬廢水進(jìn)行馴化，初始污泥質(zhì)量濃度MLSS為3.032 g/L，實(shí)驗(yàn)一共進(jìn)行135個(gè)周期。

(1)

式中：v為每周期排放泥水混合液體積，本實(shí)驗(yàn)v=100 mL；V為反應(yīng)器總有效容積，本實(shí)驗(yàn)V=12 L；t為每周期的實(shí)際反應(yīng)時(shí)間，本實(shí)驗(yàn)t=2.5 h。

1.3 檢測分析項(xiàng)目

水樣經(jīng)過孔徑0.45 μm濾紙過濾后迅速放到4 ℃冰箱內(nèi)保存，并在3 h內(nèi)測定。PO43--P的濃度采用鉬酸銨分光光度法，MLSS采用重量法[7]；DO、pH 和ORP用 WTW 340i溶解氧儀在線檢測；污泥絮體結(jié)構(gòu)用OL YPUSBX51顯微鏡觀察；相關(guān)系數(shù)使用SPSS分析軟件得出。比釋磷量和比吸磷量分別按照式(2)和式(3)進(jìn)行計(jì)算，比釋(吸)磷速率按照式(4)計(jì)算：

(2)

(3)

(4)

式中：K釋為比釋磷量，mg/g；K吸為比吸磷量，mg/g；C1為厭氧初混合液磷濃度，mg/L；C2為厭氧末混合液磷質(zhì)量濃度，mg/L；C3為好氧初混合液磷質(zhì)量濃度，mg/L；C4為好氧末混合液磷質(zhì)量濃度，mg/L；V為混合液體積，L；MLSS為混合液污泥質(zhì)量濃度，g/L；U釋(吸)為比釋(吸)磷速率，mg/(g·min)；T為釋磷(吸磷)時(shí)間，min。

2 結(jié)果與討論

2.1 恢復(fù)過程的除磷表現(xiàn)

2.1.1 比釋(吸)磷量

長期閑置污泥除磷能力接近消失，馴化初期比釋磷量穩(wěn)定在零左右，直到第20周期才出現(xiàn)微量釋磷(此時(shí)活性污泥更新了16.67%)，第55周期后開始迅速上升(活性污泥更新了45.8%)，第70周期后穩(wěn)定維持在高水平(活性污泥更新了58.3%)，最后比釋磷量達(dá)到 8.00 mg/g，如圖1所示。比吸磷量與比釋磷量變化規(guī)律一致，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.927,由此可見,釋磷能力和吸磷能力的恢復(fù)過程是同步的[8]。

圖1 比釋(吸)磷量變化Figure 1 Variety of specific phosphorus release(uptake)amount

2.1.2 比釋(吸)磷速率變化

比釋磷速率和比吸磷速率分別從初期的0.012 2 mg/(g·min)和0.046 7 mg/(g·min)上升至末期的0.268 mg/(g·min)和0.073 7 mg/(g·min)，兩者相關(guān)系數(shù)為0.917。由于聚磷菌及反硝化聚磷菌大部分在活性污泥內(nèi)層，其代謝所需的小分子有機(jī)酸等物質(zhì)需要通過擴(kuò)散作用傳遞進(jìn)來[9]。在閑置期間，活性污泥內(nèi)部傳質(zhì)通道遭受部分破壞[10]，因此聚磷菌活性恢復(fù)較慢，導(dǎo)致初期幾乎沒有釋磷能力。馴化20個(gè)周期后，隨著污泥傳質(zhì)性能好轉(zhuǎn)，比釋磷量和比釋磷速率逐漸升高，與此對應(yīng)的好氧比吸磷量、比吸磷速率也隨之上升。

圖2 比釋(吸)磷速率變化Figure 2 Variety of specific phosphorus release (uptake) rate

2.2 污泥恢復(fù)過程MLSS的變化

在長期缺少外來營養(yǎng)物質(zhì)的情況下，內(nèi)源呼吸造成污泥部分解體，導(dǎo)致MLSS在初始10個(gè)周期內(nèi)從3.032 g/L驟降到1.153 g/L[11]。結(jié)合除磷性能的變化，發(fā)現(xiàn)MLSS穩(wěn)定與除磷性能改善在時(shí)間上同步，這說明結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的活性污泥是生物除磷的前提。需要指出的是，MLSS越低，有機(jī)負(fù)荷越大，由于聚磷菌是異養(yǎng)菌[12]，因此MLSS越低越有助于強(qiáng)化生物除磷。在本實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)MLSS穩(wěn)定在1 g/L左右時(shí)非常有利于聚磷菌生長[13]，從第20周期MLSS趨于穩(wěn)定開始，到第50周期活性污泥更新了45.8%,期間除磷性能迅速恢復(fù)，從第50周期開始直到實(shí)驗(yàn)結(jié)束，系統(tǒng)除磷一直保持良好。

圖3 污泥恢復(fù)過程MLSS的變化Figure 3 Changes in MLSS during sludge recovery

2.3 典型周期磷酸鹽、pH和ORP的變化

傳統(tǒng)理論認(rèn)為，聚磷菌在厭氧條件下將細(xì)胞中聚磷水解為PO43--P，并從中獲得能量,同時(shí)吸收水中的揮發(fā)性脂肪酸合成貯能物質(zhì)聚-β-羥基丁酸(PHB)[13]。以上過程會產(chǎn)生酸堿物質(zhì)，進(jìn)而影響溶液的pH值。同時(shí)厭氧好氧狀態(tài)下物質(zhì)轉(zhuǎn)化會發(fā)生氧化還原反應(yīng)進(jìn)而影響溶液的ORP。通過考察每周期pH、ORP等參數(shù)變化，有助于分析除磷進(jìn)程。

在污泥馴化的典型周期中，pH和ORP的變化如圖4所示。厭氧初期pH上升，反硝化菌比PAO更容易爭奪有限碳源，通過反硝化產(chǎn)生堿度，此時(shí)PO43--P濃度變化不大。厭氧后期pH下降，這時(shí)NO3--N被完全反硝化，對應(yīng)拐點(diǎn)稱為硝酸鹽膝。之后聚磷菌開始吸收有機(jī)物水解聚合磷酸鹽，PO43--P濃度顯著上升。ORP在整個(gè)厭氧段始終處于下降趨勢，這是因?yàn)镹O3--N等氧化態(tài)物質(zhì)不斷減少，三羧酸循環(huán)中部分乙酸鹽被氧化成CO2并產(chǎn)生合成還原性聚合物(PHA)需要的還原力[14]。在隨后好氧階段聚磷菌大量吸磷，磷酸鹽濃度一直減少。在硝化菌產(chǎn)酸作用下，pH也呈下降趨勢。隨著氨氮等還原態(tài)物質(zhì)濃度降低以及DO增加，ORP在好氧段始終處于上升狀態(tài)。

圖4 污泥恢復(fù)過程中第55周期內(nèi)PO43--P質(zhì)量濃度、pH、ORP典型變化曲線Figure 4 Typical curves of PO43--P、pH、ORP during the 55th cycle of sludge recovery

2.4 討論

為探討根據(jù)pH和ORP變化趨勢掌握除磷恢復(fù)進(jìn)程的可行性，考察了整個(gè)過程兩者的變化情況，如圖5所示。從中可見平均每周期始末的pH分別為7.26和7.51，ORP分別為-24 mV和77 mV。在污泥馴化初期(0～20周期)，每周期末pH從8.0逐漸下降至7.7，之后穩(wěn)定在7.5左右。由2.3節(jié)分析可知，厭氧段硝酸鹽膝后pH下降是釋磷所致，分析pH下降量與釋磷量之間的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)其相關(guān)系數(shù)達(dá)0.675。充分釋磷是后續(xù)吸磷的前提，因此硝酸鹽膝之后pH的下降值可在一定程度上間接反映生物除磷性能。與pH的變化趨勢相反，ORP在好氧段呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢，但是ORP上升量與吸磷量間相關(guān)系數(shù)僅為0.321，因此ORP與生物除磷的關(guān)系并不顯著，這與Yang等[14]的研究成果一致。

圖5 每周期開始和結(jié)束的pH、ORPFigure 5 pH and ORP at the beginning and end of each cycle in anaerobic phosphorus release process

聚磷菌在厭氧段釋磷，在好氧段過度吸磷，考察實(shí)驗(yàn)期間吸磷量與釋磷量的比值，結(jié)果如圖6所示。可見吸釋比在前20個(gè)周期內(nèi)劇烈波動(dòng)，這是活性污泥結(jié)構(gòu)偏低、污泥濃度不穩(wěn)定造成的。在第20到第50周期時(shí)吸釋比維持在3.0左右，結(jié)合2.1節(jié)的分析得知此時(shí)除磷性能處于快速恢復(fù)期。第50周期后吸釋比穩(wěn)定在1.5～2內(nèi)，López-Vázquez等[15]發(fā)現(xiàn),當(dāng)吸釋比在1～2時(shí)生物除磷效果較為理想，本研究在第50周期之后除磷性能也趨于穩(wěn)定，這進(jìn)一步證實(shí)了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的活性污泥是保障生物除磷的前提。

圖6 吸磷量與釋磷量之比Figure 6 Ratio of phosphorus uptake to phosphorus release

3 結(jié)論

采用厭氧/好氧方式馴化閑置污泥，除磷性能于污泥結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后開始恢復(fù)，在污泥更換率為45.8%時(shí)迅速提高，在58.3%時(shí)基本恢復(fù)到最高水平。釋磷能力與吸磷能力的恢復(fù)進(jìn)程保持同步，相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.927?？梢酝ㄟ^分析厭氧段硝酸鹽膝之后pH的下降值以及吸磷量與釋磷量的比值來間接掌握除磷性能的恢復(fù)情況，而ORP與除磷能力之間的關(guān)系并不顯著。