好氧颗粒污泥处理分散型农村生活污水的试验研究

摘要：分散型农村生活污水难以收集，直接排放到水体中会对环境造成危害进而威胁人类健康，因此，开展了好氧颗粒污泥技术处理分散型农村生活污水的研究。结果表明，在絮状污泥颗粒化过程中，污泥沉降性能和生物量明显提高；污泥胞外聚合物中蛋白质类物质含量提高了5.3倍，蛋白质类物质与多糖类物质含量的比值升高到2.64，证明蛋白质类物质浓度增加是活性污泥颗粒化的重要因素。农村生活污水经好氧颗粒污泥处理后，出水水质达到了一级A排放标准，出水COD、氨氮、总氮和磷酸盐浓度分别为30.1、3.8、12.3和0.5 mg/L。好氧颗粒污泥的稳定性及其对农村生活污水的处理效能随有机负荷与温度变化较小，且具有节省用地、不受地域限制、便于运行管理和节约运行成本等特点，适用于处理分散型农村生活污水。同时，由于好氧颗粒污泥及其胞外聚合物中多糖类和蛋白质类物质含量较高，适用于回收污泥能源/资源，对污泥的资源化利用意义重大。

水资源短缺使农业发展过程中水瓶颈的问题日益凸显。近年来，干旱现象时有发生，农业生产对地下水的依赖越来越大，但是地下水资源十分宝贵，特别是深层地下水的积累需要数十年才能恢复；采用引水补给地下水可以缓解农业生产中缺水的现象，但是水源水量减少，引水能力有限且成本较高。基于上述因素，开发高效农村生活污水处理与回用技术逐渐受到重视。

在距离市政管网较近且具备施工条件的农村，其生活污水一般经市政管网收集进入城镇污水处理厂处理，而人口较多的中心村和自然村一般会建设污水集中处理设施。然而，对于布局分散、地形复杂、污水收集和施工难度较高的农村，其污水处理往往不能达到预期效果。因此，开发具有布局灵活、运行稳定、管理方便、成本节约和出水水质达标的分散型农村生活污水处理工艺，对提高水资源利用率和减轻环境污染具有重要意义。

近年来，好氧颗粒污泥技术因具备较好的泥水分离效果、较低的运行费用、较高的生物量和污水处理效能而被广泛研究与应用。在好氧颗粒污泥形成过程中会产生大量胞外聚合物，这类结构致密的微生物代谢产物可以有效抵御污水水质及水量的变化，进而降低对微生物的侵害。

基于分散型农村生活污水的特点和处理技术选择原则，笔者考察了利用好氧颗粒污泥技术处理分散型农村生活污水的前景。通过研究絮状活性污泥的颗粒化过程，对揭示和完善好氧颗粒污泥形成机理具有重要意义；同时，通过分析有机负荷和温度变化对好氧颗粒污泥稳定性及处理效能的影响，阐明应用该技术处理分散型农村生活污水的可行性。

1 材料与方法

1.1 试验装置

试验采用序批气提式反应器（SBAR），装置外层设有循环水层以调节反应器温度。反应器内径为14 cm，高为150 cm，内循环装置内径为8 cm，高为110 cm，有效容积为22 L。进水、排水等过程均由实时控制系统控制，其中原水通过蠕动泵由反应器底部进入；排水口在反应器中部，保证排水比为50%，由蠕动泵导出；曝气装置设置于反应器底部。反应周期为3 h，其中静态进水期为60 min，曝气反应期为112 min，污泥沉降期为3 min，快速排水期为5 min（活性污泥从驯化到颗粒成熟阶段，沉降时间逐步由15 min降至3 min）。在曝气反应期，利用1 mol/L的HCl和NaOH控制pH值为7.0；静态进水期溶解氧饱和度为零，曝气反应期溶解氧饱和度为50%；SRT控制在28~30 d。SBAR运行分为三个阶段：阶段Ⅰ（0~50 d），系统启动阶段；阶段Ⅱ（51~70 d），有机负荷变化模拟阶段（采用静态试验方式）；阶段Ⅲ（71~120 d），温度变化模拟阶段。

1.2 试验种泥和污水

试验污泥取自某污水处理厂A2O工艺好氧段，初始接种浓度为4.5 g/L。分散型农村生活污水采用人工配水，其主要成分如下：NaAc为180 mg/L，NH₄Cl为300 mg/L，KH₂PO₄为30 mg/L，K₂HPO₄为60 mg/L，MgSO₄为40 mg/L，CaCl₂为80 mg/L；另外添加1 mL/L微量元素液，其成分如下：FeCl₃·6H₂O为1.5 g/L,H₃BO₃为0.15 g/L,CuSO₄·5H₂O为0.03 g/L,KI为0.03 g/L,MnCl2·4H₂O为0.12 g/L,Na₂MoO₄·2H₂O为0.06 g/L,ZnSO₄·7H₂O为0.12 g/L,CoCl₂·6H₂O为0.15 g/L。进水COD为300 mg/L，氨氮为45 mg/L，PO₄^3--P为15 mg/L。

1.3 试验方法

COD、NH₄⁺-N、NO₂^--N、NO₃^--N、PO₄^3--P、TN和MLSS均通过标准方法进行测定。污泥体积指数（SVI）按照Bao等的方法进行测定和计算。活性污泥物理强度采用Gao等的方法进行测定。污泥胞外聚合物采用Sunil等的方法进行提取，并测定多糖和蛋白质类物质含量。

2 结果与讨论

2.1 好氧颗粒污泥的形成过程

经驯化的好氧池活性污泥10 L（污泥浓度为4.5 g/L）被接种到SBAR中。由于系统初始沉降时间远低于污水处理厂二沉池沉降时间，大量活性污泥被排出反应器，SBAR内生物量显著下降，因此在第6天起每天补充同样来源的活性污泥1.5 L，至第10天结束。随着反应器的运行，活性污泥逐渐适应短沉降时间环境，污泥活性逐渐恢复，并表现出较好的沉降性能，SVI值逐渐下降而生物量逐渐升高(见图1)。当反应器运行至第30~35天，SBAR内絮状活性污泥实现完全颗粒化，培养成熟的好氧颗粒污泥呈金黄色，形状规则且表面较光滑，绝大部分粒径在1.5~2.5 mm之间。

在阶段Ⅰ，好氧颗粒污泥SVI从124.6 mL/g下降到41.9 mL/g并趋于稳定，表明其具有良好的沉降性能，SBAR泥水分离效果较好。同时，生物量也显著提高，在阶段Ⅰ末期MLSS提高到5.7 g/L。在好氧颗粒污泥的形成过程中，絮状活性污泥的颗粒化过程与在城市生活污水、含盐生活污水条件下培养好氧颗粒污泥的过程极为接近，表明好氧颗粒污泥可以被用来处理农村生活污水。

2.2 好氧颗粒污泥的稳定性

在阶段Ⅰ污泥代谢产生的EPS中，多糖类物质（PS）含量始终处于稳定状态，好氧颗粒污泥形成后，其EPS内多糖类物质含量一直保持在8~12 mg/gMLSS之间，而蛋白质类物质(PN)含量则明显上升，由初始阶段的4.6 mg/gMLSS升高到颗粒污泥成熟时的29.2 mg/gMLSS(见图2)，蛋白质类物质含量提高了5.3倍，同时PN/PS值也由0.54升高到2.64，表明EPS内蛋白质类物质含量增加是活性污泥颗粒化的重要因素。蛋白质类物质作为EPS的主要成分，有利于保持颗粒污泥的稳定性，为颗粒污泥内部的微生物提供适宜的生长环境。好氧颗粒污泥及其EPS内较高的有机质含量表明农村生活污水中的碳和氮能被好氧颗粒污泥有效富集，这对污泥资源化利用意义重大。

2.3 好氧颗粒污泥对污染物的去除效能

在阶段Ⅰ初期，由于活性污泥沉降性能较差，大量活性污泥被冲出反应器，导致污泥生物量急剧下降，对氨氮、总氮和磷酸盐的去除率分别仅为41.3%、30.2%和34.7%（见图3）。随着连续5 d补充活性污泥以及活性污泥沉降性能的提高，其对氨氮、总氮和磷酸盐的去除能力也逐渐增强。在好氧颗粒污泥形成后（第30~35天），微生物活性得到进一步强化，在阶段Ⅰ末期，其对氨氮、总氮和磷酸盐的去除效能继续升高并趋于稳定，出水COD、氨氮、总氮和磷酸盐浓度分别达到30.1、3.8、12.3和0.5 mg/L，对氨氮、总氮和磷酸盐的去除率分别高达90.4%、77.2%和88.4%。在24~32 d，对磷酸盐的去除能力降低，与此同时，其对TN的去除能力趋于稳定，表明在此时间段内反硝化细菌对碳源的竞争利用可能优于聚磷菌，在第32天后，好氧颗粒污泥对TN和磷酸盐的去除能力均得到加强，表明微生物在颗粒内部微环境中逐渐完成群落演替过程，其对污染物的转化能力显著提高。

经过阶段Ⅰ之后，SBAR运行趋于稳定，未发生污泥膨胀现象，出水水质达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)的一级A标准。由于溶解氧传递的限制，好氧颗粒污泥内部可以依次形成好氧、缺氧和厌氧区域，为进行反硝化和除磷创造了有利条件。

2.4 有机负荷对SBAR运行的影响

好氧颗粒污泥培养成熟后，其对各种污染物均具有较高的去除效能。随着有机负荷(OLR)的升高，好氧颗粒污泥对有机物的代谢能力和硝化能力基本保持稳定，对TN和TP的去除能力则逐渐增强。这主要是因为有机负荷的升高意味着污水中可利用的碳源增多，为好氧颗粒污泥内部的反硝化细菌和聚磷菌提供了充足的营养物质，使得NO₃^--N和TP浓度逐步降低。不同有机负荷条件下系统的出水水质稳定，均接近或达到GB 18918—2002的一级A排放标准，表明在水质、水量波动的条件下，好氧颗粒污泥技术可以稳定发挥去除污染物的作用(如表1所示)。表1不同OLR条件下系统出水污染物浓度

2.5 温度对好氧颗粒污泥特性的影响

在不同温度条件下，好氧颗粒污泥均具有较高的物理强度，颗粒稳定性较好(见图4)；PN/PS值随温度升高而增大，表明EPS内蛋白质类物质含量逐渐升高，而蛋白质类物质的稳定存在是好氧颗粒污泥形成的重要因素。

通过Correl公式计算分析，好氧颗粒污泥强度与PN/PS值的相关性高达0.881 0，证明EPS内高含量的蛋白质类物质是维持好氧颗粒污泥结构稳定的重要因素。

在阶段Ⅲ初期，SBAR运行温度降低至8℃，微生物由于受到低温的抑制作用，系统出水COD升高到78.3 mg/L，去除率降低至57.3%，由于好氧颗粒污泥始终处于结构稳定状态，其内部微生物较快适应了低温环境，对COD的去除能力得到恢复。随着温度升高，微生物生长和代谢能力增强，其EPS中蛋白质类物质含量逐渐提高，稳定的颗粒污泥结构使微生物对有机物的去除能力增强，在阶段Ⅲ末期，SBAR出水COD浓度持续降低，去除率最终稳定在85%左右。温度的波动对好氧颗粒污泥稳定性及其除污能力的影响较小，证明好氧颗粒污泥技术适于处理分散型农村生活污水。

3 结论

①约30~35 d，SBAR内絮状活性污泥实现完全颗粒化，绝大部分颗粒粒径在1.5~2.5 mm之间，成熟的好氧颗粒污泥具有较好的沉降性能（SVI为41.9 mL/g）和较高的生物量（MLSS为5.7 g/L）。

②在絮状污泥颗粒化过程中，污泥EPS内蛋白质类物质含量提高了5.3倍，PN/PS值由0.54升高到2.64，表明EPS内蛋白质类物质含量的增加是活性污泥颗粒化的重要因素，有利于保持颗粒污泥的稳定性，为好氧颗粒污泥内部的微生物提供了适宜的生长环境。

③在好氧颗粒污泥形成后，SBAR运行趋于稳定，未发生污泥膨胀现象，出水COD、氨氮、总氮和磷酸盐浓度分别达到30.1、3.8、12.3和0.5 mg/L，对氨氮、总氮和磷酸盐的去除率分别为90.4%、77.2%和88.4%，出水水质满足一级A排放标准。

④有机负荷与温度的变化对好氧颗粒污泥稳定性及其对农村生活污水的处理效能影响较小，好氧颗粒污泥具有较强的适应性和抗冲击负荷能力，适于处理农村生活污水。

延伸阅读：

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