污水处理中好氧颗粒污泥的稳定性

污水处理中好氧颗粒污泥的稳定性研究摘要研究中二个序批式好氧污泥床反应器(SASBR)被同时运行用来培养好氧颗粒污泥。实验中反应器所有的操作条件，除了在第40天起反应器1（R1）被每周定时排泥一次外，其他全部保持一致。试验随后发现，R1里面的颗粒污泥在实施排泥后的8个月连续运行期间内保持稳定。在此期间，反应器R1中的MLSS浓度，MLSS和MLVSS的比率,和F:M值保持相对稳定，介于6400–6800mgｌ-1,0.63-0.65,和0.61-0.63gCOD(gMLSSday)-1之间。反应器2(R2)在整个研究期间没有进行人工排泥，结果一规律性的好氧颗粒污泥周期在其连续运行中被反复观察到。这个颗粒污泥周期可清楚地分作四大阶段，即颗粒的形成期，快速增长期，成熟期，和分解期。相对应这四个阶段，R2中的MLSS浓度,MLSS与MLVSS的比率,及反应器的F:M值也发生了周期性的变化。重复性的实验结果说明，当反应器的MLVSS和MLSS比率在0.5附近，或F：M值在接近0.3gCOD(gMLSSday)-1时，R2中的颗粒污泥系统变得不稳定，进而导致异常数量的污泥流失产生。本研究结果在对指导进行好氧颗粒污泥长期稳定操作方面，提供了一种可靠而实际的解决思路。研究背景分散的单个细胞在溶液中很稳定，极难沉淀下来。因为他们有比较小的尺寸(在0.5－3µm之间)，比重在1.02-1.03之间（只比水稍稍重一点），而且带有负电荷(Bitton，1994)。因此，在污水生物处理技术中能否形成结构紧凑而又稳定的微生物聚合体，对成功分离污泥和沉淀后的形成的上清液具有决定性的作用。污泥颗粒化是细胞和细胞间接触，聚合，及增殖的一个过程。从某种程度上来讲,这也可以被描述作一种相互紧密连接，相互作用的微生物群落所构成的特殊的生物膜。其代表包括存在于上流式厌氧污泥床（UASB）中的厌氧颗粒污泥，或用序批式好氧污泥床式反应器（SASBR）培养的好氧颗粒(Panetal.，2004)。两种颗粒污泥在其形成，增长和成熟阶段，都不需要任何的附加载体，均属于污水处理中的生物自固定技术(Lettingaetal.，1980;Tayetal.，2004a)。由于颗粒污泥的形成和增殖来自于微生物的自我固定，在相应反应器中形成和保持有效的、有利于微生物颗粒化的选择性压力就显得非常关键(Yan和Tay，1997)。研究发现，这些有效的选择性压力可分为物理性，化学性和生物性三大类。它们结合反应器的特殊结构和操作条件，去选择和保留那些有良好沉淀性，聚合性的微生物群落，而排斥那些难沉淀的，离散的微生物个体。HulsholffPoletal.（2004)把厌氧颗粒理论分为三类，即：物理性质的，微生物学性质的，和热力学性质的。其中选择压力理论认为，在颗粒的形成，增殖，和稳定过程中，由水力负荷和气体负荷产生的对污泥颗粒连续选择效应起着决定性作用。其中，连续的上升液体流动产生了水力负荷，而气体负荷则主要由厌氧过程中产生的沼气形成。近二十年来，陆续有许多关于UASB中液体上升速率及气体负荷率的研究及报导(O'Flaherty，1997;Mahmoudetal.，2003)。当反应器选择压力较高时，较轻的和离散态污泥将会被冲洗出系统，而较重的成份能被保留下来。这种选择作用直接导致分散的污泥或者生物絮状物在反应器中的生长被严格抑制，相反，颗粒污泥的产生和繁殖却受到了鼓励。其次，UASB采用自下而上连续流进水方式，而且在操作期间保持有最小的上流速度。这一机制有效避免了过量的无机成分在反应器内自下而上的积累。促使反应器中的分散的，惰性的，较差沉淀性组分连续不断地被有效冲出系统，保持反应器连续成功运行（Hickeyetal.，1991)。近年来,由于好氧颗粒污泥独特的紧凑结构和借之实现的较高的污泥浓度，有关其在处理高有机负荷(Moyetal.，2002)，有毒物质比如苯酚(Jiangetal.，2002)，及营养物污染(Tayetal.，2002;Linetal.，2003)等方面展现了较好的应用前景，引起了许多研究的关注。然而在颗粒污泥成熟后，相应反应器中颗粒发生周期性分解，从而导致污泥流失。这一现象也在试验中被反复观察到(内部交流信息；南洋理工大学，环境工程研究中心)。很明显，在这项技术被实际应用前，找到一个有效实际的方法来保持系统稳定是一个必须要解决的课题。然而,到目前为止，世界上几乎没有关于这方面的研究和报导。Liuetal.(2004)计划经过选择生长缓慢的硝化细菌来改良好氧颗粒污泥的稳定性。这种解决方案要求废水具有较高的N/C比，显然，这个办法并不是一个解决问题的普适方案。本文讨论了一个近期才完成的研究课题。文章中描述的办法已经在SASBR操作中被证明可用来有效地培育和维持稳定的好氧颗粒污泥。这一研究结果可以用来对好氧颗粒污泥技术的实际工业应用提供指导和帮助。试验方法试验装置试验使用两个同一几何结构的柱状反应器。反应器柱高1000mm，内径60mm，实现工作体积为2.24公升。在反应器柱上从下自上每100mm处有一个采样口。试验在恒温状态下运行,周围环境温度控制在25ºC。培养基本次试验使用的是一个在实验室中人工配置的培养基(gl-1):醋酸盐2.562，NH4Cl0.2，K2HPO40.045，CaCl2·2H2O0.03，MgSO4·H2O0.025和FeSO4·7H2O0.02，碳源为醋酸钠。另外在培养基内按比例加入了微量营养元素(mgl-1)：H3BO30.05，ZnCl20.05，CuCl20.03，MnSO4·H2O0.05,(NH4)6Mo7O24·4H2O0.05，AlCl30.05，CoCl2·6H2O0.05和NiCl20.05。准备好的培养基的COD为2,000mgl-1，浓缩后被储存在4ºC的冰箱里。培养基使用前先会用自来水稀释，作为反应器原水用蠕动泵打入反应器中。试验设计反应器R1和R2在25ºC的恒温环境中运行。整个研究过程两个反应器采用的体积负荷载是相同的，均为4kgCODm-3day-1。一旦颗粒污泥在两个反应器批量形成后,开始在反应器1(R1)每周进行人为排泥一次。对反应器2(R2来讲,自从反应器开始运行以来，除了在每个操作周期随沉淀出水而流失出系统的污泥以外,一直没有从系统进行人工排泥。另外，每次从R2采样测试后，相应消耗的颗粒污泥会被及时补充回系统。两个反应器的其他所有操作参数和步骤完全一样。两者都采用序批式反应器（SBR）的操作模式。其中：沉淀2分钟，排液1分钟，加料2.5分钟，曝气177分钟。加料和曝气同时进行，每个SBR工作周期为4个小时。每次进水从每个反应器的底部用蠕动泵打入。而上清液排液口设在反应器一半工作高度的位置。因此，在每个反应周期末尾，在每次沉淀后排液口以上的上清液（相当于整个静置溶液体积的50％）会被排出，而代之以新进的养料。反应器操作中采用了较短水力停留时间(HRT)，目的是抑止沉淀性差的悬浮生物体繁殖，同时促进具有较好沉淀能力的颗粒污泥生成。生长在给料管和反应器壁上的生物薄膜每周清除一次。整个实验通过曝气石在两个反应器里曝气，采用的曝气量是3.5lmin-1。分析方法研究采用美国公共卫生联合会编制的标准测试方法(APHA，1998)来评估日常的反应器的表现和系统生物介质的特性。生物体（颗粒污泥或絮体）的大小测试，使用英国制造的激光粒子尺寸分析系统(MalvernMastersizer2600UK，用于测试大小介于0.5-550m的颗粒)或使用ImageProPlus软件(Mediacybernetics,L.P.version4.0,USA)支持的立体光显微镜(OlympusSZX9Japan；用于测试尺寸大小于550m的颗粒)。颗粒污泥和絮状物的微生物微观结构则使用扫描电子显微镜(SEM，Stereoscan420,Leo,UK)来观察。结果与讨论两个反应器的接种取自于一个运行成熟颗粒污泥的SASBR的出水悬浮固体。作为种子的污泥颗粒直径平均为0.002mm；反应器起始污泥浓度，用MLSS浓度来表示约在500mgl-1左右。图1和图2记录了在反应器1(R1)和反应器2（R2）中污泥量和质的变化。两个反应器中的污泥都经历了大概一周左右对操作条件的”适应期”，在适应期内,污泥量并无明显增长：在第7天，R1和R2里的MLSS分别为561和570mgl-1。但自此以后，随着颗粒污泥的批量形成,相应反应器中污泥量开始迅速增加。以MLSS表示,在第35天R1和R2里的MLSS分别增至4313和4011mgl-1。在这个所谓“增殖阶段”的时期中，两个反应器的操作仍然遵循在“试验设计”中描述的同样步骤。图1，反应器R1和R2中的MLSS,及MLVSS:MLSS比率图2，反应器R1和R2中的MLSS,及F:M比率从第40天开始R2的操作条件保持不变，而R1则定期进行排泥。排泥每周一次,排泥前停止曝气，污泥沉淀两分钟后，从反应器柱底部最低的取样口抽取50ml的颗粒污泥。排泥操作开始后，反应器R1和R2之间的颗粒污泥的性质开始发生了很大变化。定量地来说，R1从40天开始进入”成熟期”。其间R1中颗粒污泥形态，尺寸没有发生明显变化。其MLSS从第40天的4800mgl-1增加到第70天的6138mgl-1。随后生物量的增长明显减慢:从第90天开始，R1中的MLSS达到6800mgl-1，并一直相对保持稳定。在没有排泥的R2中，从第40天到第70天（成熟期）的MLSS由5839迅速增加到12610mgl-1，并且一直保持稳定。R2在第100天，换句话说，在其的MLSS达到最高值之后一个月，颗粒污泥开始分裂，经过2分钟沉淀后的得到在R2中上清液也变得非常混浊，里面参杂着难以沉淀的絮状物。在随后的几天内，R2出水的SS值从原来的150–200mgl-1增至1000-1500mgl-1。结果是，R2中的MLSS一直下降，颗粒污泥和生物絮状物的混合物充满了反应器。R2中的MLSS浓度在第140天到达了最低点，为6340mgl-1。顾名思义，R2中从第100天到第140天这段时期被命名为”分裂期”。然后颗粒污泥开始恢复了在R2生长和其在系统中的主导地位，反应器用了25天的时间把其的MLSS恢复到12123gl-1（第165天）。随后在第二次颗粒污泥分裂发生前，反应器R2中的MLSS有40天一直稳定在12000-13000mgl-1左右。很明显，没有人工排泥，R2中颗粒污泥的形成，增殖，成熟，分裂瓦解的现象成周期地重复出现，并且每个周期大概是90（周期I）到110天(周期II),如图1所示。定性地来说，R1和R2中的生物颗粒平均直径(meandiameter)大小从初始种子的0.002mm，到第40天（此时颗粒已经批量地形成）分别增加到0.72mm和0.74mm。在接下来的8个月操作期间,颗粒污泥的颜色在R1中保持为淡黄色，而且平均大小稳定地保持在0.72mm左右。在R2中，颗粒污泥的颜色和平均直径则被观察到定期地改变。图3展示了在一个好氧颗粒污泥周期中（周期I，从第40天到第130天）用光显微镜拍得的图片。图4是在R2中，一个好氧颗粒污泥周期中（周期I）不同时间颗粒污泥的电镜图片。 图3，光显微镜下纪录的一个颗粒污泥周期图4，电子扫描显微镜下纪录的一个颗粒污泥周期在周期伊始，比如在第40天，刚刚形成的新颗粒的颜色是淡黄色，平均直径是0.74mm(图3A).刚刚形成的新颗粒是由许多微生物群落包括细菌聚合而成，相互之间有很多空隙（图4A）。逐渐地，细菌在颗粒里面的空隙繁殖，而且用它们所分泌的或者从周围液体环境吸收的细胞外聚合物（ECP）将空隙填充满(图4B)。相似的颗粒污泥形成过程，Tayetal.(2004b)在用葡萄糖作为养料培育颗粒污泥的研究期间被观察和报导过。在接下来的从第60天到第100天的过程里，颗粒的尺寸变得更大，平均直径增至0.8mm左右。颗粒污泥的颜色也渐变为褐黄色，其表面同时出现了一些黑色的斑点（图3B）。这个观察结果可以被解释为，新生颗粒被系统有效截留，其内部结构由于微生物的繁殖，ECP的分泌和吸收，和无机物质的积累，而变得越来越紧凑。图3C和图4C分别展示了在第130天被取出的典型颗粒样品的光显和电镜照片。在此期间，颗粒污泥结构变得松散，同时在边缘上长出一些绒毛（图3C）。SEM的图片显示除了微生物和胞外高分子外，空隙又出现在颗粒污泥的微观结构中(图4C)。在两个反应器中，MLVSS与MLSS的比率的测试结果可以用来进一步说明R2中好氧颗粒污泥的周期现象。在R1中，MLVSS与MLSS比率自从第40天开始（即定期排泥后）稳定保持在左右(图1)。很明显，定期排泥成功地避免了无机的或惰性的组分在R1中无限制积聚。其次，每次排泥都从R1最低的取样口取样。那些具有致密结构，尺寸较大因具有很好沉降性颗粒污泥大多沉积在反应器底部，从而随每次排泥被有效地去除。R2采用了非常短的沉淀时间，并且自实验开始后没有进行人工排泥。结果是，颗粒一旦形成后变得越来越大，其结构由于微生物的繁殖，胞外高分子物质和惰性物质的累积变得越来越紧密。另外，SASBR的操作条件并没有象UASB那样，在反应器中形成和保持一个有效的，持续的对惰性物质的选择机制(即连续上液流和气体负荷)。这一有效的选择力量的缺乏市使颗粒污泥结构越来越致密，内部扩散越来越困难，进而导致R2中颗粒污泥批量分裂瓦解，造成反应器污泥的大量流失(Tayetal.，2002)。R2中颗粒的MLVSS对MLSS的比率对应于增殖，成熟，和瓦解期间，相应在第40，90，140天，分别是0.75,0.53,和0.72。明显地,如果没有定期有效排泥，无机惰性成分将在颗粒污泥中累积，从而滞留在反应器里，这一结论从MLVSS对MLSS的比率由第40天的0.75降低到第90天的0.53可以清楚地反应出来。随着颗粒污泥的集体瓦解，其中大多惰性物质随着系统污泥的流失而被去除。结果，从第140天开始，当新颗粒污泥在R2中重新形成和占主导地位后，反应器中MLVSS对MLSS的比率又恢复到0.72。不幸地是，随后由于系统对惰性物质的连续的淘汰机制仍然缺乏，因此颗粒污泥繁殖，成熟和批量瓦解的周期现象不可避免地再一次从第140到240天里重复出现。SASBR反应器中的颗粒污泥稳定性可以通过研究F:M的比率而进行有效监控。如图2所示，在有机物负荷为4kgCODm-3day-1前提下，R1中的定期排泥操作实现并维持了数值介于0.61–0.63gCOD(gMLSSday)-1之间相对的一个稳定的F:M比率。在R2中，由于没有实施定期排泥，反应器中在颗粒污泥周期末期的MLSS增至12000mgl-1，而且直接导致其F:M值降低至0.3–0.32gCOD(gMLSSday)-1之间。这个F:M比值在实验中被反复证明不利于维持颗粒污泥的系统稳定，并且会导致颗粒的分裂瓦解和系统操作的不稳定。参考资料AmericanPublicHealthAssociation(APHA)(1998).Standardmethodsfortheexaminationofwaterandwastewater,20thedn.,Washington,D.C.Bitton,G.(1994).WastewaterMicrobiology.Wiley-Liss,Inc.,6053rdAve.,NY,USA.Grotenhuis,J.T.C.,Smit,M.,VanLammeren,A.A.M.,Stams,A.J.M.,andZehnder,A.J.B.(1991).“Localizationandquantificationofextracellularpolymersinmethanogenicgranularsludge.”Appl.Microbiol.Biotechnol.,36,115-119.HickeyR.F.,W.M.Wu,M.C.Veiga,andR.Jones.(1991).“Start-up,operation,monitoringandcontrolofhigh-rateanaerobictreatmentsystems.”WaterSci.Technol.,24(3),207-255.HulshoffPol,L.W.,deCastroLopes,S.I.,Lettinga,G.,LensP.N.L.(2004).“naerobicsludgegranulation.”WaterRes.,38,1376–1389.HulshoffPolL.W.,DeZeeuwW.J.,VelzeboerC.T.M.,andLettingaG.(1983).“GranulationinUASBreactors.”WaterSciTechnol.,15(8/9),291–304.Jiang,H.L.,Tay,J.H.,andTay,S.T.L.(2002).“Aggregationofimmobilizedactivatedsludgecellsintoaerobicallygrownmicrobialgranulesfortheaerobicbiodegradationofphenol.”Lett.Appl.Microbiol.,35,439-445.LensP.N.L.,KlijnR.,vanLierJ.B.,andLettingaG.(2003).“Effectofspecificgasloadingrateonthermophilic(55degreesC)acidifying(pH6)andsulfatereducinggranularsludgereactors.”WaterRes.,37(5),1033-1047.Lettinga,G.,VanVelsen,A.F.M.,Homba,A.E.,DeZeeuw,W.,andKlapwijk,A.(1980).“Useoftheupflowsludgereactorconceptforbiologicalwastewatertreatment,especiallyforanaerobictreatment.”Biotechnol.Bioeng.,22,699-734.Lin,Y.M.,Liu,Y.,andTayJ.H.(2003).“Developmentandcharacteristicsofphosphorus-accumulatingmicrobialgranulesinsequencingbatchreactors.”Appl.Microbiol.Biotechnol.,62(4),430-435.LiuY.,YangS.F.,andTayJ.H.(2004).“Improvedstabilityofaerobicgranulesbyselectingslow-growingnitrifyingbacteria.”J.Biotechnol.,108,161-169.Moy,B.Y.P.,Tay,J.H.,Toh,S.K.,Liu,L.,andTay,S.T.L.(2002).“Highorganicloadinginfluencesthephysicalcharacteristicsofaerobicsludgegranules.”L.Appl.Microbiol.,34,1-6.MahmoudN,ZeemanG.,GijzenH.,andLettingaG.(2003).“Solidsremovalinupflowanaerobicreactors,areview.”BioresourceTechnol.,90,1–9.O'Flaherty,V.,Lens,P.,N.,L.,deBeer,D.,andColleranE.(1997).“Effectoffeedcomposi