好氧颗粒污泥(AGS)因其独特的优势而成为一项很有前途的废水处理技术^[1], 例如：良好的沉降性、高生物量保持率、对污染负荷变化的高回弹力^{[2, 3]}以及对pH、温度等环境变化的高适应力^[4].

目前为止, 多数研究表明好氧颗粒污泥工艺在序批式反应器(SBR)中培养和运行效果良好^{[5, 6]}, 在诸多类型反应器中, SBR反应器由于其运行方式, 能为污泥颗粒的形成提供较为理想的环境, 例如当污水一次性进入反应器后, 可以只进行一次厌氧、好氧循环即传统A/O工艺, 也可进行多次厌氧、好氧和缺氧交替循环, 从而为颗粒提供实现同步脱氮除磷的理想环境^[7].然而由于我国城镇污水C/N比低, 碳源不足的问题限制了好氧颗粒污泥工艺在处理实际城镇污水时同步脱氮除磷的运行效果.目前已有研究证实在传统(A/O)工艺的好氧段引入缺氧段可以富集一类兼有反硝化和除磷功能的微生物反硝化聚磷菌(denitrifying phosphorus-removing bacteria, DPAOs), 其细胞内代谢作用与聚磷菌(poly-P bacteria, PAOs)相似^[8], DPAOs可以以NO_x^--N为呼吸作用电子受体, 且无需在反硝化阶段外加碳源, 适用于处理低碳氮比的城镇污水.研究表明当好氧段中插入的缺氧段大于3时, 随着分段数的增加, 脱氮效率增加不明显, 费用却线性增加, 因此从经济和实际操作的角度厌氧、好氧交替次数一般为3~4^[9].然而现如今的研究中厌氧、好氧和缺氧多级交替时的曝气段基本采用恒定曝气, 在这种方式下前期溶解氧含量呈现规律性变化, 溶解氧浓度保持较平稳的状态, 然而随着氨氮氧化完全, 后期好氧段溶解氧含量逐渐升高^[10], 长时间保持较大曝气量将不利于DPAOs的积累^[11], 同时造成污水处理厂能耗的浪费.因此, 合理调节间歇曝气工艺好氧段曝气量有利于维持好氧颗粒污泥的稳定性同时提高同步硝化反硝化除磷(SNDPR)效率.

本研究设置3组SBR反应器, 其中一组采用单级厌氧/好氧的运行方式作为对照, 剩余两组分别采用三级A/O恒定曝气和梯度曝气的运行方式, 对比3组反应器的启动和稳定运行情况, 探讨了好氧颗粒特性、反应器性能和胞外聚合物(EPS)等, 以期为好氧颗粒污泥的SNDPR系统提供一种更为合理的运行方式和曝气方式.

本实验采用3套相同的实验室规模有机玻璃好氧颗粒序批式反应器R1、R2和R3, 其工作体积为20 L, 内径为18 cm, 有效高度为80 cm.每个循环周期的容积交换率为60%.通过底部曝气柄向反应器内注入空气, 转子流量计控制曝气量大小.

3套反应器均每天运行3个周期, 每周期8 h, 基于上述研究, 本文中厌(缺)氧、好氧的交替次数选择3次, R1和R2均采用(A/O)₃-SBR工艺运行(包括进水10 min、厌氧50 min、好氧100 min、缺氧50 min、好氧100 min、缺氧50 min、好氧100 min、沉淀3 min、出水10 min), 其中R1曝气段采用曝气量(L·min^-1)梯度为0.80.50.2的曝气方式, R2曝气段采用曝气量恒定为0.8 L·min^-1的曝气方式, R3采用单级(A/O)-SBR工艺运行(包括进水10 min、厌氧150 min、好氧300 min、沉淀3 min、出水10 min)作为对照, 其中好氧段曝气量为0.8 L·min^-1.R1中每个周期总曝气量为150 L左右, 而R2和R3中每周期总曝气量为240 L左右.均由时控开关自动控制.

反应器接种北京市某污水处理厂二沉池回流絮状污泥, R1、R2和R3初始混合液悬浮污泥(MLSS)分别为3 150、3 220和3 040 mg·L^-1.

本实验用水为北京市某家属区化粪池污水, 各项水质指标见表 1.

表 1 (Table 1)

表 1 生活污水水质/mg·L-1 Table 1 Domestic sewage quality/mg·L-1 指标 COD NH4+-N NO3--N TN TP 范围 180~350 28~60 0~2 35~70 2.5~8 均值 262.1 36.4 1.3 43.2 5.4

表 1 生活污水水质/mg·L-1 Table 1 Domestic sewage quality/mg·L-1

每个反应器的出水进行采样, 检测碳、氮和磷的浓度, 其中化学需氧量(COD)和总磷(TP)测定采用5B-3B型COD多参数快速测定仪, 氨氮(NH₄⁺-N)测定采用纳氏试剂光度法, 亚硝酸盐氮(NO₂^--N)测定采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法, 硝酸盐氮(NO₃^--N)测定采用紫外分光光度法.pH、溶解氧(DO)与氧化还原电位(ORP)监测采用WTW多参数测定仪.MLSS按照称重法测定.颗粒粒径采用Mastersize 2000型激光粒度仪测定.颗粒形态采用OLYMPUS体视显微镜观察.胞外聚合物中蛋白质(PN)采用lowry法测定, 多糖(PS)采用蒽酮硫酸法测定.

本实验中同步硝化反硝化(SND)率^{[12, 13]}、厌氧段被PAOs和GAOs储存为内碳源的COD量占总消耗COD的比例(COD_in, %)^[14]计算方法如下：

式中, ΔNO₂^-、ΔNO₃^-和ΔNH₄⁺分别为每个好氧段亚氮、硝氮和氨氮浓度变化量之和, mg·L^-1; ΔCOD_an、ΔNO_{2 an}^-和ΔNO_{3 an}^-分别为厌氧段COD、亚氮和硝氮变化量, mg·L^-1, 1.71和2.86分别为异养菌反硝化单位质量浓度亚氮和硝氮所消耗的COD量(以N/COD计), mg·mg^-1.

分别取3组SBR反应器在稳定运行阶段的好氧颗粒污泥进行烧杯实验, 计算系统中DPAOs占PAOs的比例.实验方法为：分别取R1、R2和R3反应器中周期结束时的泥水混合液1 000 mL, 将污泥清洗去除上清液后定容至1 000 mL, 加入丙酸钠使其COD浓度为300 mg·L^-1, 在室温下进行实验, 保持厌氧条件释磷120 min后, 再次清洗污泥后均分为两份, 分别加入等量的水定容至500 mL, 加入磷酸二氢钾使其磷浓度与厌氧末端相同, 其中一份加入一定量的硝酸钾溶液, 另一份曝气使溶解氧浓度保持3mg·L^-1左右, 分别运行180 min, 测量其缺氧和好氧阶段的磷浓度变化, 计算出最大缺氧吸磷速率与好氧吸磷速率, 两者的比值即为反硝化聚磷菌在聚磷菌中所占的比例.

分别取R1、R2和R3培养80 d的成熟好氧颗粒污泥测其粒径分布, 如图 1可以看出, R1粒径明显较R2和R3小, 且其颗粒直径在600~800 μm占比最高为38.09%, R1、R2和R3的平均粒径分别为727.368、815.072和895.041 μm, 可能是由于厌氧、好氧和缺氧多次交替的运行方式较单次厌(缺)氧、好氧的运行方式更有利于生长缓慢的微生物生长, 因此R1和R2粒径略小; 并且R1采用梯度曝气的方式, 溶解氧浓度逐级降低, 导致R1反应器中培养的颗粒粒径较小^[15].但由运行期间污染物去除效果可以看出, R1中颗粒污泥处理效果最好, 分析原因, 随着颗粒尺寸的增大, 颗粒污泥的传质成为影响处理性能的重要因素^[16], 由于传质限制, 大颗粒内部生物量可能无法获得足够的底物, 影响脱氮除磷性能.

图 1

Fig. 1

图 1 不同运行方式下污泥粒径分布及颗粒形态 Fig. 1 Particle size distribution and particle morphology of the sludge in different operation modes

由图 1也可看出, R1中培养的颗粒小而密实; R2和R3中的颗粒稍大但结构较为松散, 可能是由于大颗粒内部长时间处于贫营养状态使其死细胞增多造成的^[17].

众所周知, 溶解氧浓度变化是影响N和P去除的重要因素, 因此本实验采用R1、R2和R3这3个SBR反应器, 通过对比得到不同的运行方式对脱氮除磷的影响.

整个运行过程中生活污水好氧颗粒污泥对C、N和P的去除性能如图 2所示.由图 2(a)可看出, 尽管城市生活污水COD浓度波动较大, 但R1、R2与R3的COD出水均可稳定在50 mg·L^-1以下, 去除率均达到85%以上, 符合《城镇生活污水厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级A标准, 表明3种运行方式下均有较高的有机物去除能力, 这是由于原水的碳氮比较低, 在厌氧或缺氧段大部分易降解有机物均已被利用, 因此, 运行和曝气方式对COD的去除影响较小.如图 2(b)和2(c)所示, R1、R2与R3对TN和TP的去除有较明显差异.在颗粒化初期, R1中N和P的去除率较低, 分析原因, R2和R3由于运行过程中采用较大曝气量, 使其在运行周期内好氧段溶解氧含量保持在较高水平, 有研究表明, 溶解氧较高可以加快活性污泥颗粒化进程, 同时形成的颗粒粒径较大^[18], 因此R2和R3较R1更早形成微小颗粒, 使其在运行初期对有机物有更高的去除能力.随着运行时间的延长, R1反应器即间歇梯度曝气的运行方式逐渐表现出较明显的优势, TN和TP的去除率均较高.最终, R1、R2和R3对COD去除率分别达到88.68%、89.05%和88.96%, 对TN的去除率分别达到76.97%、71.99%和64.92%, 对TP的去除率分别达到96.28%、85.05%和78.97%.值得一提的是, R1反应器在运行50 d时反应器底部曝气盘损坏导致颗粒污泥厌氧反应1 d, 从而使出水C、N和P浓度分别为80.73、30.68和6.328mg·L^-1, 然而经过3 d后基本恢复至原来水平.

图 2

Fig. 2

图 2 运行期间C、N和P浓度变化 Fig. 2 Variations of C, N, and P concentrations during operation

R1、R2与R3反应器在颗粒稳定期时一个周期内C、N和P浓度变化如图 3(a)~3(c).反应器厌氧段进水后, 微生物通过糖原酵解合成PHA, 使COD含量显著降低^[19], 由于三组反应器中上一个周期残存的NO_x^--N均由于进水稀释作用浓度较低, 因此大部分COD被微生物进行胞内储存, R1、R2和R3中COD_in分别为94.11%、92.36%和85.85%, 可见R1中颗粒污泥胞内聚合物较多, 这与其粒径较小有关, 并且R1反应器中上一周期残留的NO_x^--N浓度较低, 从而减少了下一周期因外源反硝化消耗COD, 从而使内碳源储存量较高.由于实际生活污水COD含量低且水质复杂, R1、R2和R3反应器在厌氧末期TP浓度均较低, 分别为10.428、9.758和9.132 mg·L^-1.厌氧末期释磷量有所不同, 分别为6.524、6.188和4.894 mg·L^-1, 有研究表明, 释磷量被认为与COD的摄取效率有关^{[17, 20]}, 同样也可看出R1中COD储存量较大; 随后三组反应器均进入好氧段, 由于硝化作用, NH₄⁺-N浓度降低, NO₃^--N浓度升高, 硝化过程中均没有出现NO₂^--N积累现象.由图 3可以看出, R3反应器由于没有后续缺氧段的设置, 氮损失由好氧段同步硝化反硝化反应造成, 最终仍有较多硝氮积累, 出水硝氮含量达到14.09 mg·L^-1, 同时由于NO₃^--N积累对吸磷反应的抑制作用^[21]使出水TP浓度达到1.326 mg·L^-1.R1和R2在第一好氧段结束时NO₃^ˉ-N浓度分别为11.13 mg·L^-1和10.49 mg·L^-1, TP浓度分别为3.180 mg·L^-1和3.176 mg·L^-1, R1和R2中好氧产生的NO_x^--N可为其随后缺氧段提供反硝化和反硝化除磷受体, 如此交替.如图 3(a)和3(b)可以看出, 第二、三缺氧段R1和R2中TP浓度均随着NO₃^ˉ-N浓度的降低而有所下降, 可以推测DPAOs利用NO₃^--N为受体发生了反硝化吸磷作用, 并且计算可得R1与R2中缺氧吸磷量占总吸磷量的比值分别为21.47%和20.5%;第二、三好氧段R1中NO_x^--N的产生量明显小于R2, 计算得知R1与R2好氧段SND率分别为39.66%和33.76%, 这是由于R1采用梯度曝气策略, 前期采用较大曝气量, 后期好氧段逐级降曝, 既满足了在富营养期所需要的溶解氧浓度和水力剪切力, 同时增大了同步硝化反硝化效率, 提高了去除污染物的能力, 还可以达到节约能耗的目的.

图 3

Fig. 3

图 3 运行期间典型周期内C、N、P和DO、pH、ORP变化情况 Fig. 3 Changes in C, N, P, DO, pH, and ORP during a typical operational cycle

R1、R2与R3反应器在颗粒稳定期时一个周期内DO浓度、pH值和ORP变化情况如图 3(d)~3(f).由图 3溶解氧变化曲线可以看出, R1、R2和R3在反应后期均出现溶解氧陡升现象, 分别出现在第430、415和375 min, R1出现拐点时间最晚, 表明间歇梯度曝气方式下NH₄⁺-N最晚消耗完毕, 这在保证了氨氮去除率的同时充分体现节能的理念.由图 3中pH变化曲线可以看出, 3个反应器在周期内pH基本稳定在7.5~8.5范围内, 均有利于硝化菌与反硝化菌的生存, 由于R1和R2采用间歇曝气系统, 硝化与反硝化反应交替发生, 有研究表明硝化反应过程中消耗的碱度可由反硝化反应产生的碱度补充, 从而使pH值得到稳定^[22], 因此其pH变化范围较R3窄, 而R1梯度曝气的方式, 同步硝化反硝化效率高, pH变化(ΔpH=0.707)较R2中pH变化(ΔpH=0.782)更加平稳.3组反应器在反应后期均出现pH值上升现象, 这与DO曲线在反应后期出现的特征点相一致, 共同指示硝化反应的结束.由图 3中ORP曲线可以看出, 3组反应器ORP在进水阶段均不断下降, 此时碳源充足, 反应器内发生反硝化反应, NO₃^--N不断减少, ORP均迅速下降, 有研究表明, 磷的释放和低ORP之间有较好的线性关系, 释磷能力随ORP的降低而增强^[23].由ORP变化曲线图可以较明显看出, 厌氧段R1反应器ORP最低, R2次之, R3最高, 这与上述各反应器释磷量大小相符.

EPS对好氧颗粒结构的构建和维持起着至关重要的作用^[17].不同运行条件下好氧颗粒分泌的EPS含量见图 4所示, EPS含量被认为是蛋白质和多糖的总和, R1、R2和R3反应器中EPS含量均随好氧颗粒污泥颗粒化程度先减少后逐渐增加, 最终颗粒稳定时期EPS含量(以VSS计)分别为103.97、92.22和76.98 mg·g^-1.分析原因, 据报道, 絮状污泥的EPS释放量高于颗粒污泥^[24], 因此, 分别接种絮状污泥至3组SBR反应器后, 随着运行条件的改变及颗粒化快速进行, 前期均出现EPS含量减少现象.颗粒在厌氧、好氧环境下多次交替运行, 可能会刺激微生物分泌更多的胞外聚合物来抵御环境的不断变化, 导致R1与R2中EPS含量较高, 并且He等^[25]的研究表明, 当水力剪切力较小时, 好氧颗粒污泥大量分泌EPS以维持颗粒的稳定性, 这可能是R1中EPS含量略高的原因.

图 4

Fig. 4

图 4 不同运行条件下PS、PN及PN/PS的变化 Fig. 4 Variation of PS, PN, and PN/PS under different operating conditions

有研究表明EPS的急剧增加, 尤其是PN含量的增加有利于好氧颗粒污泥的长期稳定运行^[26], 生长速度较慢的微生物细胞表面的负电荷较低, 疏水性较高, 这使得不同微生物之间聚集斥力降低, 细胞更容易聚集在一起, 有利于维持颗粒结构的稳定性, 据报道细胞表面疏水性与蛋白质含量呈正相关关系^[27], R1中蛋白质含量较高更加印证了上述间歇梯度曝气的方式有利于生长缓慢的微生物富集的想法.由图 4也可以看出, 多糖含量在好氧颗粒污泥颗粒化过程中没有出现明显变化, 这与张丽丽等^[28]的研究结果类似.R1、R2和R3中PN/PS值总体呈现上升趋势, 在第70 d时, R1、R2和R3中PN/PS值分别上升至6.31、5.63和4.83, 这是3组反应器均能稳定运行的重要原因.

有研究表明^[29], 通过DPAOs去除的磷酸盐对TP的去除贡献可以根据缺氧磷酸盐吸收速率(q_pa)与好氧磷酸盐吸收速率(q_po)的比值来计算.

如图 5所示, 由反硝化聚磷菌占比批次实验可知, 3组反应器均出现缺氧吸磷现象, 但不同运行方式对于吸磷速率有较大影响.由表 2计算结果可知, R1、R2和R3系统中反硝化聚磷菌占聚磷菌的比例分别约为25.52%、19.60%和12.77%, 对比上述R1与R2周期实验污染物浓度变化曲线可以发现, 其DPAOs所占的比例与缺氧吸磷量占总吸磷量的比值相近.上述结果说明了采用(A/O)₃-SBR模式较(A/O)-SBR更有利于DPAOs的富集, 并且可以看出, 采用梯度曝气的R1反应器中反硝化聚磷菌数量略高于采用恒定曝气的R2反应器.

图 5

Fig. 5

三角形表示相对应曲线最大斜率, 即最大缺氧或好氧吸磷速率, 三角形斜边表示最大斜率走势, 即第一个点与第二个点的连线 图 5 不同运行条件下DPAOs占PAOs的比例 Fig. 5 Proportion of DPAOs to PAOs under different operating conditions

表 2 (Table 2)

表 2 R1、R2和R3中最大缺氧与好氧吸磷速率及其比值 Table 2 Maximum anoxic and aerobic phosphorus uptake rates and their ratio in R1, R2, and R3 项目 R1 R2 R3 最大缺氧吸磷速率qpa(以P/VSS计)/mg·(g·h)-1 3.63 2.38 1.16 最大好氧吸磷速率qpo(以P/VSS计)/mg·(g·h)-1 14.22 12.15 9.08 25.52 19.60 12.77

表 2 R1、R2和R3中最大缺氧与好氧吸磷速率及其比值 Table 2 Maximum anoxic and aerobic phosphorus uptake rates and their ratio in R1, R2, and R3

(1) 在(A/O)₃-SBR梯度曝气、(A/O)₃-SBR恒定曝气和传统的(A/O)-SBR方式下均能培养出性能稳定的好氧颗粒污泥, 而间歇梯度曝气的方式对TN和TP的去除略好, 第80 d时, 去除率分别达到76.97%和96.28%, 并且梯度曝气的方式可以节省约37.5%的曝气量.

(2) R1、R2和R3在相同的进水条件下, R1中成熟的好氧颗粒污泥粒径较小且结构密实, 同时R1中厌氧段COD_in较高, 表明间歇梯度曝气的方式更有利于厌氧段微生物对碳源的储存.

(3) R1、R2、R3颗粒稳定时期EPS含量(以VSS计)分别为103.97、92.22和76.98 mg·g^-1, R1中颗粒疏水性最高, 其PN/PS高达6.31.

(4) 3组SBR反应器在颗粒稳定期DPAOs占比分别为25.52%、19.60%和12.77%, 表明厌氧、好氧、缺氧多次交替的运行模式更有利于反硝化聚磷菌的生长.