交替好氧/缺氧運行模式對生物脫氮效能和活性污泥胞外聚合物影響分析

　　序批式活性污泥法(SBR)工藝具有生化反應推動(dòng)力大, 脫氮除磷效果好, 耐沖擊負荷強, 運行方式靈活和防止污泥膨脹等優(yōu)點(diǎn), 已成為污水生物脫氮的主流工藝之一.好氧/缺氧(O/A)模式為進(jìn)水、曝氣、攪拌、沉淀、排水和閑置等5個(gè)階段, 反硝化過(guò)程需要從外界投加碳源; 缺氧/好氧(A/O)模式為進(jìn)水、攪拌、曝氣、沉淀、排水和閑置等5個(gè)階段, 其反硝化時(shí)無(wú)需外加碳源, 同時(shí)硝化過(guò)程中所消耗的堿度可在反硝化中得到一定的補償.

　　胞外聚合物作為活性污泥中除細胞和水分之外的重要成分, 其主要來(lái)源于微生物細胞代謝的分泌物、細胞自溶產(chǎn)生的聚合物、細胞脫落的表面物質(zhì)及進(jìn)水基質(zhì)中的相關(guān)組分.主要成分與微生物的胞內成分相似, 是一些高分子物質(zhì), 如多糖(PS)、蛋白質(zhì)(PN)和核酸(DNA)等聚合物. EPS普遍存在于活性污泥絮體內部及表面, 具有重要的生理功能, 可將環(huán)境中的營(yíng)養成分富集, 通過(guò)胞外酶降解成小分子后吸收到細胞內, 還可以抵御殺菌劑和有毒物質(zhì)對細胞的危害.根據EPS空間位置不同, 分為緊密附著(zhù)在細胞壁上的孢囊聚合物——緊密型EPS(TB-EPS)和以膠體和溶解狀態(tài)松散于液相主體中的黏性聚合物——松散型EPS(LB-EPS).

　　目前, 有關(guān)SBR工藝O/A和A/O運行方式對其脫氮效果及EPS影響研究主要涉及以下2方面：①運行模式對SBR脫氮效果具有重要影響.如王芳等研究SBR工藝厭氧/好氧運行模式交替次序、次數和持續時(shí)間對脫氮性能影響, 認為交替次數增加有利于提高系統的脫氮性能.樓菊青等發(fā)現將SBR工藝閑置階段設置在進(jìn)水和曝氣階段之間可提高40%的TN去除率.楊延棟的研究認為, 2種運行模式條件下, 均可獲得較好的有機物和氨氮去除效果. ②尚未見(jiàn)有報道2種運行模式條件下EPS產(chǎn)量及其組分差異情況, 僅Wang等進(jìn)行了相似性研究.他們對比了SBR運行模式Ⅰ(30 min進(jìn)水+18 h生物反應+2 h沉淀+1 h排水+2.5 h閑置)與模式Ⅱ(18 h生物反應+6 h閑置)對胞外聚合物產(chǎn)量的影響, 發(fā)現模式Ⅱ下LB-EPS含量是模式Ⅰ的3倍.

　　基于上述背景, 本試驗采用SBR工藝, 主要考察O/A和A/O運行模式對系統脫氮效能及活性污泥EPS含量的影響, 在揭示運行模式對生物脫氮和EPS同步影響的基礎上, 進(jìn)一步分析EPS含量對活性污泥沉降性能的影響.

　　1 材料與方法

　　1.1 試驗裝置、廢水特性及接種污泥

　　試驗裝置主要包括序批式SBR反應器(內、外徑分別為14 cm和15 cm, 有效容積為5 L)和自動(dòng)控制系統(水溫自動(dòng)控制系統和過(guò)程控制系統)兩部分組成.通過(guò)水溫自動(dòng)控制系統以維持SBR反應器的運行溫度.借助于過(guò)程控制系統[以溶解氧(DO)、pH和氧化還原電位(ORP)為控制參數]準確指示生化反應的進(jìn)程.本試驗用水取自蘭州交通大學(xué)家屬區生活污水, 主要水質(zhì)參數見(jiàn)表 1.

　　接種污泥取自甘肅省蘭州市七里河安寧區污水處理廠(chǎng)生物循環(huán)曝氣池工藝好氧段活性污泥, 該污水主要處理七里河區和安寧區的生活污水(60%~70%)和啤酒廢水(30%~40%), 其性質(zhì)為：MLSS=8 000 mg·L-1, pH為7.21~7.46.

　　1.2 試驗方案

　　本試驗開(kāi)始前, 為強化接種污泥的脫氮性能, 對該接種污泥進(jìn)行20 d的培養馴化(表 2), 獲得穩定的脫氮效果后進(jìn)行了連續試驗.污泥馴化結束后, 均分2個(gè)運行方式分別為好氧/缺氧(O/A)和缺氧/好氧(A/O)的SBR反應器(分別表示為：RO/A和RA/O).反應器內混合液的溫度利用恒溫循環(huán)水浴池維持.反應器每天運行1個(gè)周期, RO/A運行模式為包括瞬時(shí)進(jìn)水、曝氣、缺氧攪拌、沉淀排水和閑置這5個(gè)階段; RA/O運行模式為包括瞬時(shí)進(jìn)水、缺氧攪拌、曝氣、沉淀排水和閑置這5個(gè)階段.每周期運行6 h(曝氣4 h, 缺氧2 h), 反硝化時(shí)投加乙醇為外加碳源(30 mg·L-1), 排水比為0.5.

　　1.3 檢測項目與方法

　　氨氮(NH4+-N):納氏試劑比色法; 硝態(tài)氮(NO3--N):紫外分光光度法; 亞硝態(tài)氮(NO2--N): N-(1萘基)-乙二胺分光光度法; COD：COD快速測定儀法; 混合液懸浮固體(MLSS)和混合液揮發(fā)性懸浮固體(MLVSS)：濾紙重量法.此外, pH值、DO和溫度(T)采用WTW-Multi 3420測定儀監測.

　　胞外聚合物(EPS)：分光光度法.取10 mL泥水混合液, 采用改良型熱提取法提出EPS, 其中蛋白質(zhì)(PN)采用考馬斯亮藍法, 以牛血清白蛋白作為標準物質(zhì); 多糖(PS)采用苯酚-硫酸法, 以葡萄糖作為標準物質(zhì); 核酸(DNA)采用紫外吸收法.

　　2 結果與討論 2.1 運行模式對生物脫氮效能的影響

　　圖 1對比了SBR工藝2種運行模式下氮的去除規律. 圖 1(a)可以看出, 整個(gè)試驗過(guò)程中, 進(jìn)水NH4+-N濃度維持11.3~51.7 mg·L-1之間[平均值為(26.0±8.0) mg·L-1], RO/A和RA/O出水NH4+-N濃度分別為0.1~12.2 mg·L-1[平均值為(1.1±2.1) mg·L-1]和0.1~3.5 mg·L-1[平均值為(0.7±0.8) mg·L-1], 相應地平均去除率分別為96.5%和97.1%.本試驗控制的2種運行模式下, SBR反應器均實(shí)現了較高的氨氮去除率, 獲得了較充分的氨氮去除效果, 這一結果與文獻獲得結論相一致.

　　圖 1(b)表明了RO/A和RA/O系統總氮(TN)的變化規律. 2種模式條件下, 出水TN濃度分別為(1.5±2.3) mg·L-1和(21.7±6.5) mg·L-1, 其整個(gè)運行周期的去除率均值分別為94.4%和23.5%.可以看出, 相對于A(yíng)/O模式, O/A模式TN去除率提高75%.但樓菊青等的研究表明O/A模式TN降低了60%.分析原因在于：本試驗中O/A模式在反硝化階段提供了充足的碳源作為電子供體被利用, NO3--N全部被還原, TN得到很好地去除.樓菊青等的研究可能是因為沒(méi)有外加碳源, 所以總氮去除率低, 其研究和實(shí)際污水處理工藝結合得更緊密, 也更有實(shí)際指導意義.

　　在RO/A和RA/O系統, 硝化速率(以VSS計, 下同)分別為(6.4±1.9) mg·(L·h)-1和(6.3±2.0) mg·(L·h)-1; 可以看出, SBR的運行模式條件對硝化反應速率幾乎無(wú)影響.此外, 2種運行模式條件下的NH4+-N負荷分別為(5.0±2.0) kg·(kg·h)-1和(4.1±1.6) kg·(kg·h)-1 [圖 1(c)], 氨氮負荷與硝化反應速率的變化趨勢表現出正相關(guān)性, 即隨著(zhù)NH4+-N負荷的升高, 硝化速率也隨之增大, 與郭麗娜等的研究結果一致.而王春英的研究認為隨著(zhù)NLR不斷提高, 硝化速率與NH4+-N負荷由正相關(guān)轉變?yōu)樨撓嚓P(guān).筆者認為原因在于本試驗中采用的NH4+-N負荷較低, 而王春英在研究中逐步提高NH4+-N負荷, 當NH4+-N負荷超過(guò)了硝化菌所能承受的范圍內時(shí), 對其產(chǎn)生了毒害作用, 導致硝化速率與NH4+-N負荷由正相關(guān)轉變?yōu)樨撓嚓P(guān).

　　2.2 運行模式對EPS、TB-EPS和LB-EPS含量的影響

　　EPS主要由LB-EPS和TB-EPS兩部分組成, 因此, 活性污泥中EPS含量(以VSS計, 下同)為L(cháng)B-EPS和TB-EPS含量之和. 圖 2和表 3對比了RO/A和RA/O系統硝化結束和反硝化結束時(shí)EPS, TB-EPS和LB-EPS變化規律.對于硝化結束和反硝化結束時(shí), RO/A和RA/O系統中TB-EPS含量占EPS含量的80%以上, LB-EPS占EPS含量的16%~20%, 因此, EPS主要以TB-EPS為主.

　　RA/O系統中的EPS、LB-EPS和TB-EPS含量均略高于RO/A系統產(chǎn)生的量, 也就是說(shuō), 缺氧/好氧運行模式更有利于活性污泥產(chǎn)生EPS.從表 3還可以清楚看出, 對于硝化結束和反硝化結束時(shí), LB-EPS在RO/A和RA/O系統中的比值分別為1.36和1.4, 因此相對于EPS和TB-EPS, 運行模式對LB-EPS含量變化影響較大.關(guān)于運行模式對EPS和TB-EPS產(chǎn)量的影響, 研究者獲得的結論也不盡相同, 有研究認為雖然運行模式對EPS和TB-EPS產(chǎn)量影響不顯著(zhù), 但對TB-EPS中的PN和PS產(chǎn)量有顯著(zhù)影響, 同時(shí)有研究者認為運行模式對EPS產(chǎn)量有顯著(zhù)影響.本研究中運行模式對EPS和TB-EPS有一定影響, 但并不顯著(zhù), 而對于LB-EPS影響較為顯著(zhù).

　　此外, 對比2個(gè)系統硝化結束和反硝化結束時(shí)EPS含量可以發(fā)現, RO/A系統硝化結束和反硝化結束時(shí), EPS、LB-EPS和TB-EPS含量幾乎相同.而對于RA/O系統, 硝化結束時(shí)EPS和TB-EPS含量略低于反硝化結束時(shí), LB-EPS含量卻高于反硝化結束時(shí).

　　2.3 運行模式對EPS各組分影響

　　EPS主要由多糖(PS)、蛋白質(zhì)(PN)和核酸(DNA)這3種組分組成, 不同運行模式對PS、PN和DNA的含量產(chǎn)生重要影響.相對于RO/A系統, RA/O系統中EPS、TB-EPS和LB-EPS中PS、PN和DNA的含量均較高(圖 3和表 4).進(jìn)一步可以看出, RA/O系統中的EPS和LB-EPS中的PN分別是RO/A系統的1.15和1.44倍, 可得運行模式對EPS和LB-EPS中的PN含量影響明顯.在反硝化階段RA/O系統中LB-EPS中的PS是RO/A系統的1.56倍, 即反硝化階段時(shí), 運行模式對LB-EPS中的PS有顯著(zhù)影響.

　　對于EPS和TB-EPS, PS分別占EPS和TB-EPS含量的50%和70%左右, PN分別占40%和25%左右, DNA分別占10%和5%左右, 因此, PS是EPS和TB-EPS最重要的組成部分, PN次之, DNA含量最少, 與文獻的研究結果一致.而文獻認為PN是EPS的重要組分.對于LB-PES, PN、PS和DNA大約分別占LB-EPS含量的55%、33%和12%, 因此, PN是LB-PES最重要的組成部分, PS次之, DNA含量最少, 這與Wang等的研究結果一致.有研究認為T(mén)B-EPS與LB-EPS中PS的含量比PN和DNA都要高.

　　2.4 有機物、氮、EPS及其組分在SBR典型周期內變化規律

　　圖 4表明了2種運行模式下, SBR典型周期內有機物、氮、EPS及其各組分的變化規律. RO/A系統, 硝化反應過(guò)程, 隨著(zhù)反應進(jìn)行, COD和NH4+-N濃度逐漸降低, NOx--N濃度逐漸升高.反硝化反應過(guò)程, COD作為電子供體被利用, NO3--N被還原, 兩者濃度均逐漸降低. RA/O系統, 反硝化反應過(guò)程, 利用原污水中的有機物作為碳源, 將硝態(tài)氮還原為氣態(tài)氮, 硝化反應過(guò)程, 隨著(zhù)反應進(jìn)行, COD和NH4+-N濃度逐漸降低, NOx--N濃度逐漸升高.

　　在硝化反應階段, RO/A系統的EPS、TB-EPS和LB-EPS呈現上升趨勢, 分析原因：EPS產(chǎn)量一部分由微生物代謝產(chǎn)生, 在硝化階段, 系統內的營(yíng)養物質(zhì)充足, 微生物代謝活躍, TB-EPS與LB-EPS含量上升, EPS產(chǎn)量增加; 并且當營(yíng)養物質(zhì)匱乏, 異養型細菌消耗自身物質(zhì), 導致EPS產(chǎn)量的增加.在反硝化階段, EPS、TB-EPS和LB-EPS整體呈現下降趨勢, 分析原因：EPS還可以作為碳源和能源物質(zhì)供給細胞, 缺氧環(huán)境下好氧細菌以自身產(chǎn)生的EPS作為營(yíng)養物質(zhì)消耗EPS, 導致EPS產(chǎn)量下降.在反硝化階段, RA/O系統的EPS和TB-EPS呈現下降的趨勢, LB-EPS呈現先下降后上升的趨勢, 在硝化階段, EPS、LB-EPS呈現先上升后下降的趨勢, TB-EPS呈現上升的趨勢, 說(shuō)明整個(gè)運行周期內運行模式對于TB-EPS無(wú)影響, 而對LB-EPS有一定影響.需要指出的是, 不同運行模式下, PN和PS在反應過(guò)程中濃度不斷變化, 被微生物降解或細胞代謝產(chǎn)生.表明PN和PS更容易被微生物利用, 而DNA濃度始終維持相對穩定, 較難被微生物利用.

　　2.5 EPS對污泥沉降性能的影響

　　國內外學(xué)者對活性污泥中EPS含量與活性污泥的沉降性能的影響進(jìn)行了大量的研究, 但獲得的結論也不盡相同.因此, 本試驗也考察了EPS含量對活性污泥沉降性能的影響.從圖 5可以看出, RO/A和RA/O系統中SVI隨EPS含量的變化規律相似, 即SVI隨EPS含量的增加而增加, 表現為正相關(guān)性, 充分表明EPS含量的增加不利于活性污泥的沉降性能, 這與周健等的研究結果相一致. Forstor的研究發(fā)現污泥中EPS含量與SVI同步增加.但劉佩等發(fā)現, 在低負荷氧化溝系統中污泥中的EPS含量與SVI成顯著(zhù)的負向線(xiàn)性關(guān)系, 筆者分析原因首先可能在于所采用的處理工藝不同, 其次微生物的生存環(huán)境有較大的差別.

　　此外, 通過(guò)對RO/A和RA/O系統中SVI和EPS的數據進(jìn)行擬合, 可得回歸方程分別為SVIO/A=0.63EPS+14.2和SVIA/O=0.75EPS+3.9, 表明兩者均呈現線(xiàn)性正相關(guān), 國內有學(xué)者得到的回歸方程為SVI=4.12EPS+21.66.通過(guò)對比回歸方程的斜率還可以看出, 相對于RO/A系統回歸方程的斜率(為0.63), RA/O系統回歸方程的斜率較大(為0.75), 說(shuō)明在RA/O系統中EPS對污泥的沉降性能影響更為顯著(zhù).

　　3 結論

　　(1) O/A和A/O運行條件下, SBR反應器均實(shí)現了較高的氨氮去除率, 去除率分別為97.5%和98.0%.硝化速率隨著(zhù)NH4+-N負荷的增加而升高, 呈現正相關(guān).

　　(2) 運行模式對TB-EPS及其組分(PN、PS和DNA)無(wú)影響; 而A/O中的LB-EPS含量及其組分(PN和PS)是O/A模式的1.4、1.38和1.56倍.

　　(3) 兩種運行模式下, PS占TB-EPS和EPS含量的67%~73%和48%~51%之間, PS是TB-EPS和EPS中主要的組分, 而PN為L(cháng)B-EPS的主要成分, 占LB-EPS含量的54%~56%.具體聯(lián)系污水寶或參見(jiàn)http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　(4) EPS對活性污泥的沉降性能具有一定的影響.隨著(zhù)EPS產(chǎn)量增加, 活性污泥沉降性能逐漸變差, 活性污泥EPS含量與SVI呈線(xiàn)性正相關(guān).