好氧顆粒污泥處理分散型農村生活污水的試驗研究 （來源：《中國給水排水》雜志社官方微信，微信號:cnww1985)

王碩^1,2,3，楊倩倩¹，于水利⁴，王燕¹，李激^1,2

(1.江南大學環境與土木工程學院，江蘇無錫214122；2.江蘇省厭氧生物技術重點實驗室，江蘇無錫214122；3.清華大學國家環境保護環境微生物利用與安全控制重點實驗室，北京100084;4.哈爾濱工業大學城市水資源與水環境國家重點實驗室，黑龍江哈爾濱150090)

摘要：分散型農村生活污水難以收集，直接排放到水體中會對環境造成危害進而威脅人類健康，因此，開展了好氧顆粒污泥技術處理分散型農村生活污水的研究。結果表明，在絮狀污泥顆粒化過程中，污泥沉降性能和生物量明顯提高；污泥胞外聚合物中蛋白質類物質含量提高了5.3倍，蛋白質類物質與多糖類物質含量的比值升高到2.64，證明蛋白質類物質濃度增加是活性污泥顆粒化的重要因素。農村生活污水經好氧顆粒污泥處理后，出水水質達到了一級A排放標準，出水COD、氨氮、總氮和磷酸鹽濃度分別為30.1、3.8、12.3和0.5 mg/L。好氧顆粒污泥的穩定性及其對農村生活污水的處理效能隨有機負荷與溫度變化較小，且具有節省用地、不受地域限制、便于運行管理和節約運行成本等特點，適用于處理分散型農村生活污水。同時，由于好氧顆粒污泥及其胞外聚合物中多糖類和蛋白質類物質含量較高，適用于回收污泥能源/資源，對污泥的資源化利用意義重大。

水資源短缺使農業發展過程中水瓶頸的問題日益凸顯。近年來，干旱現象時有發生，農業生產對地下水的依賴越來越大，但是地下水資源十分寶貴，特別是深層地下水的積累需要數十年才能恢復；采用引水補給地下水可以緩解農業生產中缺水的現象，但是水源水量減少，引水能力有限且成本較高。基于上述因素，開發高效農村生活污水處理與回用技術逐漸受到重視。

在距離市政管網較近且具備施工條件的農村，其生活污水一般經市政管網收集進入城鎮污水處理廠處理，而人口較多的中心村和自然村一般會建設污水集中處理設施。然而，對于布局分散、地形復雜、污水收集和施工難度較高的農村，其污水處理往往不能達到預期效果。因此，開發具有布局靈活、運行穩定、管理方便、成本節約和出水水質達標的分散型農村生活污水處理工藝，對提高水資源利用率和減輕環境污染具有重要意義。

近年來，好氧顆粒污泥技術因具備較好的泥水分離效果、較低的運行費用、較高的生物量和污水處理效能而被廣泛研究與應用。在好氧顆粒污泥形成過程中會產生大量胞外聚合物，這類結構致密的微生物代謝產物可以有效抵御污水水質及水量的變化，進而降低對微生物的侵害。

基于分散型農村生活污水的特點和處理技術選擇原則，筆者考察了利用好氧顆粒污泥技術處理分散型農村生活污水的前景。通過研究絮狀活性污泥的顆粒化過程，對揭示和完善好氧顆粒污泥形成機理具有重要意義；同時，通過分析有機負荷和溫度變化對好氧顆粒污泥穩定性及處理效能的影響，闡明應用該技術處理分散型農村生活污水的可行性。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

試驗采用序批氣提式反應器（SBAR），裝置外層設有循環水層以調節反應器溫度。反應器內徑為14 cm，高為150 cm，內循環裝置內徑為8 cm，高為110 cm，有效容積為22 L。進水、排水等過程均由實時控制系統控制，其中原水通過蠕動泵由反應器底部進入；排水口在反應器中部，保證排水比為50%，由蠕動泵導出；曝氣裝置設置于反應器底部。反應周期為3 h，其中靜態進水期為60 min，曝氣反應期為112 min，污泥沉降期為3 min，快速排水期為5 min（活性污泥從馴化到顆粒成熟階段，沉降時間逐步由15 min降至3 min）。在曝氣反應期，利用1 mol/L的HCl和NaOH控制pH值為7.0；靜態進水期溶解氧飽和度為零，曝氣反應期溶解氧飽和度為50%；SRT控制在28~30 d。SBAR運行分為三個階段：階段Ⅰ（0~50 d），系統啟動階段；階段Ⅱ（51~70 d），有機負荷變化模擬階段（采用靜態試驗方式）；階段Ⅲ（71~120 d），溫度變化模擬階段。

1.2 試驗種泥和污水

試驗污泥取自某污水處理廠A²O工藝好氧段，初始接種濃度為4.5 g/L。分散型農村生活污水采用人工配水，其主要成分如下：NaAc為180 mg/L，NH₄Cl為300 mg/L，KH₂PO₄為30 mg/L，K₂HPO₄為60 mg/L，MgSO₄為40 mg/L，CaCl₂為80 mg/L；另外添加1 mL/L微量元素液，其成分如下：FeCl_3·6H2O為1.5 g/L,H₃BO₃為0.15 g/L,CuSO₄·5H₂O為0.03 g/L,KI為0.03 g/L,MnCl₂·4H₂O為0.12 g/L,Na₂MoO₄·2H₂O為0.06 g/L,ZnSO₄·7H₂O為0.12 g/L,CoCl₂·6H₂O為0.15 g/L。進水COD為300 mg/L，氨氮為45 mg/L，PO₄^3--P為15 mg/L。

1.3 試驗方法

COD、NH₄⁺-N、NO₂^--N、NO₃^--N、PO₄^3--P、TN和MLSS均通過標準方法進行測定。污泥體積指數（SVI）按照Bao等的方法進行測定和計算。活性污泥物理強度采用Gao等的方法進行測定。污泥胞外聚合物采用Sunil等的方法進行提取，并測定多糖和蛋白質類物質含量。

2 結果與討論

2.1 好氧顆粒污泥的形成過程

經馴化的好氧池活性污泥10 L（污泥濃度為4.5 g/L）被接種到SBAR中。由于系統初始沉降時間遠低于污水處理廠二沉池沉降時間，大量活性污泥被排出反應器，SBAR內生物量顯著下降，因此在第6天起每天補充同樣來源的活性污泥1.5 L，至第10天結束。隨著反應器的運行，活性污泥逐漸適應短沉降時間環境，污泥活性逐漸恢復，并表現出較好的沉降性能，SVI值逐漸下降而生物量逐漸升高(見圖1)。當反應器運行至第30~35天，SBAR內絮狀活性污泥實現完全顆粒化，培養成熟的好氧顆粒污泥呈金黃色，形狀規則且表面較光滑，絕大部分粒徑在1.5~2.5 mm之間。

在階段Ⅰ，好氧顆粒污泥SVI從124.6 mL/g下降到41.9 mL/g并趨于穩定，表明其具有良好的沉降性能，SBAR泥水分離效果較好。同時，生物量也顯著提高，在階段Ⅰ末期MLSS提高到5.7 g/L。在好氧顆粒污泥的形成過程中，絮狀活性污泥的顆粒化過程與在城市生活污水、含鹽生活污水條件下培養好氧顆粒污泥的過程極為接近，表明好氧顆粒污泥可以被用來處理農村生活污水。

2.2 好氧顆粒污泥的穩定性

在階段Ⅰ污泥代謝產生的EPS中，多糖類物質（PS）含量始終處于穩定狀態，好氧顆粒污泥形成后，其EPS內多糖類物質含量一直保持在8~12 mg/gMLSS之間，而蛋白質類物質(PN)含量則明顯上升，由初始階段的4.6 mg/gMLSS升高到顆粒污泥成熟時的29.2 mg/gMLSS(見圖2)，蛋白質類物質含量提高了5.3倍，同時PN/PS值也由0.54升高到2.64，表明EPS內蛋白質類物質含量增加是活性污泥顆粒化的重要因素。蛋白質類物質作為EPS的主要成分，有利于保持顆粒污泥的穩定性，為顆粒污泥內部的微生物提供適宜的生長環境。好氧顆粒污泥及其EPS內較高的有機質含量表明農村生活污水中的碳和氮能被好氧顆粒污泥有效富集，這對污泥資源化利用意義重大。

2.3 好氧顆粒污泥對污染物的去除效能

在階段Ⅰ初期，由于活性污泥沉降性能較差，大量活性污泥被沖出反應器，導致污泥生物量急劇下降，對氨氮、總氮和磷酸鹽的去除率分別僅為41.3%、30.2%和34.7%（見圖3）。隨著連續5 d補充活性污泥以及活性污泥沉降性能的提高，其對氨氮、總氮和磷酸鹽的去除能力也逐漸增強。在好氧顆粒污泥形成后（第30~35天），微生物活性得到進一步強化，在階段Ⅰ末期，其對氨氮、總氮和磷酸鹽的去除效能繼續升高并趨于穩定，出水COD、氨氮、總氮和磷酸鹽濃度分別達到30.1、3.8、12.3和0.5 mg/L，對氨氮、總氮和磷酸鹽的去除率分別高達90.4%、77.2%和88.4%。在24~32 d，對磷酸鹽的去除能力降低，與此同時，其對TN的去除能力趨于穩定，表明在此時間段內反硝化細菌對碳源的競爭利用可能優于聚磷菌，在第32天后，好氧顆粒污泥對TN和磷酸鹽的去除能力均得到加強，表明微生物在顆粒內部微環境中逐漸完成群落演替過程，其對污染物的轉化能力顯著提高。

經過階段Ⅰ之后，SBAR運行趨于穩定，未發生污泥膨脹現象，出水水質達到了《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)的一級A標準。由于溶解氧傳遞的限制，好氧顆粒污泥內部可以依次形成好氧、缺氧和厭氧區域，為進行反硝化和除磷創造了有利條件。

2.4 有機負荷對SBAR運行的影響

好氧顆粒污泥培養成熟后，其對各種污染物均具有較高的去除效能。隨著有機負荷(OLR)的升高，好氧顆粒污泥對有機物的代謝能力和硝化能力基本保持穩定，對TN和TP的去除能力則逐漸增強。這主要是因為有機負荷的升高意味著污水中可利用的碳源增多，為好氧顆粒污泥內部的反硝化細菌和聚磷菌提供了充足的營養物質，使得NO₃^--N和TP濃度逐步降低。不同有機負荷條件下系統的出水水質穩定，均接近或達到GB 18918—2002的一級A排放標準，表明在水質、水量波動的條件下，好氧顆粒污泥技術可以穩定發揮去除污染物的作用(如表1所示)。表1不同OLR條件下系統出水污染物濃度

2.5 溫度對好氧顆粒污泥特性的影響

在不同溫度條件下，好氧顆粒污泥均具有較高的物理強度，顆粒穩定性較好(見圖4)；PN/PS值隨溫度升高而增大，表明EPS內蛋白質類物質含量逐漸升高，而蛋白質類物質的穩定存在是好氧顆粒污泥形成的重要因素。

通過Correl公式計算分析，好氧顆粒污泥強度與PN/PS值的相關性高達0.881 0，證明EPS內高含量的蛋白質類物質是維持好氧顆粒污泥結構穩定的重要因素。

在階段Ⅲ初期，SBAR運行溫度降低至8 ℃，微生物由于受到低溫的抑制作用，系統出水COD升高到78.3 mg/L，去除率降低至57.3%，由于好氧顆粒污泥始終處于結構穩定狀態，其內部微生物較快適應了低溫環境，對COD的去除能力得到恢復。隨著溫度升高，微生物生長和代謝能力增強，其EPS中蛋白質類物質含量逐漸提高，穩定的顆粒污泥結構使微生物對有機物的去除能力增強，在階段Ⅲ末期，SBAR出水COD濃度持續降低，去除率最終穩定在85%左右。溫度的波動對好氧顆粒污泥穩定性及其除污能力的影響較小，證明好氧顆粒污泥技術適于處理分散型農村生活污水。

3 結論

① 約30~35 d，SBAR內絮狀活性污泥實現完全顆粒化，絕大部分顆粒粒徑在1.5~2.5 mm之間，成熟的好氧顆粒污泥具有較好的沉降性能（SVI為41.9 mL/g）和較高的生物量（MLSS為5.7 g/L）。

② 在絮狀污泥顆粒化過程中，污泥EPS內蛋白質類物質含量提高了5.3倍，PN/PS值由0.54升高到2.64，表明EPS內蛋白質類物質含量的增加是活性污泥顆粒化的重要因素，有利于保持顆粒污泥的穩定性，為好氧顆粒污泥內部的微生物提供了適宜的生長環境。

③ 在好氧顆粒污泥形成后，SBAR運行趨于穩定，未發生污泥膨脹現象，出水COD、氨氮、總氮和磷酸鹽濃度分別達到30.1、3.8、12.3和0.5 mg/L，對氨氮、總氮和磷酸鹽的去除率分別為90.4%、77.2%和88.4%，出水水質滿足一級A排放標準。

④ 有機負荷與溫度的變化對好氧顆粒污泥穩定性及其對農村生活污水的處理效能影響較小，好氧顆粒污泥具有較強的適應性和抗沖擊負荷能力，適于處理農村生活污水。

（本文將發表于《中國給水排水》雜志2015年第20期“論述與研究”欄目）

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