摘要:結(jié)合近年來好氧顆粒污泥的最新研究成果,分析了好氧顆粒污泥的物理、化學(xué)、生物學(xué)、結(jié)構(gòu)特征,并從生物除磷、反硝化除磷和沉淀作用三方面對(duì)好氧顆粒污泥除磷現(xiàn)象進(jìn)行探討。旨在為好氧顆粒污泥在生物強(qiáng)化除磷中的實(shí)際應(yīng)用提供理論知識(shí)。

關(guān)鍵詞:好氧顆粒污泥;生物除磷;反硝化除磷;沉淀作用

污泥顆粒化是微生物細(xì)胞間自身固定化的一種特殊形式,是在特定的工藝條件下反應(yīng)器中的微生物與載體或微生物間相互作用,形成大而密實(shí)的顆粒狀污泥聚合體。UASB反應(yīng)器中培育出的厭氧顆粒污泥已被成功應(yīng)用于高濃度有機(jī)廢水的處理中,但是存在啟動(dòng)期長,操作溫度高,不適于處理低濃度有機(jī)廢水且脫氮除磷效果不理想的缺點(diǎn)。為克服上述缺點(diǎn),研究者們又開展了對(duì)好氧顆粒污泥的培養(yǎng),實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)好氧顆粒污泥不但可去除COD且具有脫氮除磷的功能。

EBPR(生物強(qiáng)化除磷)是目前常用的生物除磷工藝,運(yùn)行經(jīng)濟(jì),但該系統(tǒng)一般利用活性污泥除磷,需要較大的反應(yīng)容積,另外在EBPR的實(shí)際應(yīng)用中也發(fā)現(xiàn)了不明原因?qū)е碌某资‖F(xiàn)象。若能將好氧顆粒污泥代替?zhèn)鹘y(tǒng)活性污泥運(yùn)用于EBPR中,則可解決EBPR系統(tǒng)占地面積大、污泥膨脹、產(chǎn)泥量高以及二次釋磷等問題。本文將結(jié)合國內(nèi)外參考文獻(xiàn),通過對(duì)好氧顆粒污泥特性的分析,探討產(chǎn)生除磷現(xiàn)象的原因,以期為深入研究好氧顆粒污泥的除磷功能提供理論知識(shí)。

1好氧顆粒污泥的特征

1.1物理特征

好氧顆粒污泥一般為橙黃色,表面光滑,外觀為相對(duì)規(guī)則的圓形或橢圓形,其直徑在0.5~1.5mm之間,縱橫比為0.76,形狀系數(shù)穩(wěn)定在0.45。顆粒污泥的SV(沉降速度)值與其大小和結(jié)構(gòu)有關(guān),一般在30～70m/h之間,約為傳統(tǒng)活性污泥SV值(8～10m/h)的三倍。因此,與傳統(tǒng)活性污泥相比,好氧顆粒污泥可以保證更多的微生物停留在反應(yīng)器中,從而加快污染物的降解速度,使反應(yīng)器結(jié)構(gòu)相對(duì)緊湊。顆粒表面為致密的由微生物組成的膜狀結(jié)構(gòu),內(nèi)部為疏松的網(wǎng)狀,有較大的空隙,在通風(fēng)好氧情況下,具有良好的吸附碳源的能力。

1.2化學(xué)組成和生物學(xué)特征

好氧顆粒污泥主要包含六種元素:C、H、O、N、S、P,以及少量的Ca、Mg、Fe等金屬元素。EPS(胞外聚合物)是顆粒污泥的重要化學(xué)組成,主要由多聚糖、蛋白質(zhì)等物質(zhì)組成,以纖維狀相互纏繞成絮狀體或形成高密度狀的顆粒基質(zhì),具有黏連作用。相鄰細(xì)胞的EPS吸附周圍的有機(jī)、無機(jī)物質(zhì)形成交錯(cuò)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),起到陽離子橋的作用,強(qiáng)化了顆粒污泥的結(jié)構(gòu),EPS強(qiáng)化污泥顆�；倪^程見文獻(xiàn)。研究發(fā)現(xiàn)Ca2+含量的增加對(duì)顆粒污泥的形成有一定的影響:首先,Ca2+能將帶負(fù)電的基團(tuán)束縛在微生物表面和EPS分子上,起到搭橋作用,從而促進(jìn)微生物聚合;其次,添加有Ca2+的顆粒污泥胞外可產(chǎn)生更多的多聚糖,使多聚糖在顆粒污泥中的含量由41mg/gVSS增加到92mg/gVSS。多聚糖能夠形成一種堅(jiān)固的粘性框架結(jié)構(gòu),有利于污泥顆粒化;同時(shí),多聚糖中的OH-等基團(tuán)與Ca2+的相互作用形成牢固的類凝膠聚合物進(jìn)一步加強(qiáng)了顆粒污泥結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

2好氧顆粒污泥除磷探討

2.1生物除磷

EBPR系統(tǒng)中的除磷過程是利用PAOs(聚磷菌)在厭氧條件下吸收基質(zhì)合成聚羥基烷酸(PHA)并分解胞內(nèi)poly-P(聚磷)釋磷,然后在好氧條件下分解胞內(nèi)PHA并過量吸磷合成poly-P完成的。Dulekgurgen發(fā)現(xiàn)EBPR系統(tǒng)厭氧段結(jié)束時(shí),顆粒污泥內(nèi)大量存在的桿狀細(xì)菌經(jīng)染色呈poly-P陰性、PHA陽性,好氧段結(jié)束時(shí)桿狀細(xì)菌Neisser染色呈陽性。此染色結(jié)果與活性污泥中PAOs的染色結(jié)果一致,說明好氧顆粒污泥中的桿狀細(xì)菌與PAOs的代謝機(jī)理相似。Lin等指出SBR系統(tǒng)中好氧顆粒污泥可厭氧吸收碳源釋磷,并在好氧條件下快速吸磷,顆粒污泥中的P質(zhì)量含量達(dá)1.9%~9.3%,是接種污泥的2.2~11倍。同時(shí)隨著顆粒污泥比重的增大,顆粒污泥中P的含量升高,說明胞內(nèi)含poly-P的污泥比普通污泥密度高。Kreuk等研究表明:好氧顆粒污泥表層含有異氧PAOs、自養(yǎng)硝化菌,內(nèi)層含有PAOs,且在低氧飽和濃度(20%)時(shí),總P的去除率可達(dá)到94%。好氧顆粒污泥在EBPR系統(tǒng)中表現(xiàn)出的除磷功能可由PAOs除磷的機(jī)理解釋。

2.2反硝化除磷

在生物除磷的研究中已發(fā)現(xiàn)兼性菌DPB(反硝化聚磷菌)的存在,DPB可在缺氧條件下以NO3-、NO2-為電子受體,同時(shí)完成反硝化和吸磷。而好氧顆粒污泥特殊的分層結(jié)構(gòu)恰好為反硝化除磷提供了條件。好氧顆粒污泥表面微生物對(duì)溶解氧的吸收利用以及傳質(zhì)阻力對(duì)溶解氧擴(kuò)散的限制,使溶解氧在顆粒內(nèi)部形成明顯的濃度梯度:外層溶解氧濃度高,結(jié)構(gòu)緊湊密實(shí);內(nèi)層溶解氧較低甚至降為零,結(jié)構(gòu)蓬松。因此好氧顆粒污泥由外向內(nèi)形成了“好氧-缺氧-厭氧”的微環(huán)境。如表1所示,好氧區(qū),溶解氧濃度高,適宜好氧菌、硝化菌的生存繁殖;缺氧區(qū)內(nèi)兼性微生物豐富,如反硝化菌、硫酸鹽還原菌等,其中硫酸鹽還原菌的存在可以維持低氧化-還原電位,有利于顆粒的形成以及厭氧、缺氧區(qū)的形成和維持。

顆粒污泥外部緊湊、內(nèi)部蓬松的結(jié)構(gòu)有利于基質(zhì)向內(nèi)部擴(kuò)散以及內(nèi)部代謝產(chǎn)物向外傳遞:好氧區(qū)內(nèi)硝化反應(yīng)產(chǎn)生的NO3-、NO2-容易擴(kuò)散到缺氧區(qū)內(nèi),利于缺氧區(qū)內(nèi)DPB以NO3-、NO2-為電子受體進(jìn)行反硝化吸磷活動(dòng)。同時(shí)由于基質(zhì)傳質(zhì)受限,缺氧區(qū)內(nèi)可利用的基質(zhì)濃度較低,更有利于DPB除磷。楊國靖等在利用好氧顆粒污泥除磷脫氮的SBR系統(tǒng)中,對(duì)經(jīng)過4h缺氧反應(yīng)后的污水中磷的濃度進(jìn)行測定,發(fā)現(xiàn)磷濃度由厭氧結(jié)束時(shí)的108.1mg/L下降為32.2mg/L,缺氧吸磷速率為18.9mg/(L·h),經(jīng)過計(jì)算得出該體系中反硝化聚磷菌占全部聚磷菌的73.1%。說明好氧顆粒污泥中反硝化聚磷菌的大量存在對(duì)除磷做出了較大貢獻(xiàn)。

2.3沉淀作用除磷

EBPR系統(tǒng)中的化學(xué)沉淀除磷現(xiàn)象在文獻(xiàn)已有大量的報(bào)道。由于該現(xiàn)象與微生物的活動(dòng)聯(lián)系緊密,Maurer等將其稱為“biologicallyinducedprecipitation”,并指出對(duì)于典型的污水條件(Ca2+濃度為1～2mol/m3,pH為7～7.7)來說只要具有較高濃度的磷酸鹽,就會(huì)發(fā)生沉淀現(xiàn)象。好氧顆粒污泥中本身含有微量的鈣、鎂等金屬元素,顆粒污泥對(duì)污水中基質(zhì)的吸收利用以及顆粒內(nèi)部發(fā)生的反硝化反應(yīng)均可引起顆粒內(nèi)部pH值的上升,同時(shí)厭氧條件下好氧顆粒污泥內(nèi)的PAO釋磷引起污水中磷酸鹽含量的增高,上述條件滿足“biologically inducedprecipitation”產(chǎn)生的條件。Kreuk等對(duì)單位質(zhì)量好氧顆粒污泥含磷量的計(jì)算結(jié)果為0.20gP/gSS,而生物膜系統(tǒng)中的相應(yīng)值僅為0.02~0.14gP/gSS,因此推測部分磷的去除是由顆粒內(nèi)部的沉淀作用引起的。同時(shí)在實(shí)驗(yàn)中又發(fā)現(xiàn)大部分顆粒污泥呈白色,灰分含量為50.4%;少量顆粒呈灰色,灰分含量為17.2%。該現(xiàn)象說明白色顆粒污泥中存在沉淀作用。對(duì)厭氧段結(jié)束時(shí)好氧顆粒污泥成分的進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)顆粒中含有鈣合磷酸鹽、鎂合磷酸鹽、以及鋁合磷酸鹽。從而證實(shí)了“biologicallyinducedprecipitation”現(xiàn)象同樣在好氧顆粒污泥中存在。但是,在實(shí)際的污水處理過程中,是否能保證適宜的pH值,以及合適的磷酸鹽濃度,將會(huì)影響沉淀作用的發(fā)生。

3結(jié)論

好氧顆粒污泥是微生物固定化的產(chǎn)物,由于其特殊的理化特征以及豐富的微生物組分,除了具有去除COD、脫氮的作用,還具有除磷的功能。其除磷作用主要通過生物除磷、反硝化除磷、沉淀作用三種方式完成。目前對(duì)于好氧顆粒污泥除磷的機(jī)理還不甚明確,且不同培養(yǎng)條件下獲得的好氧顆粒污泥具有不同的特性。因此,今后還需從機(jī)理的角度,研究不同條件下好氧顆粒污泥的形成過程及其對(duì)除磷作用的影響,以期實(shí)現(xiàn)好氧顆粒污泥在實(shí)際EBPR系統(tǒng)中的應(yīng)用。

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