摘要:結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、生物學、結構特征,并從生物除磷、反硝化除磷和沉淀作用三方面對好氧顆粒污泥除磷現象進行探討。旨在為好氧顆粒污泥在生物強化除磷中的實際應用提供理論知識。
關鍵詞: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器中的微生物與載體或微生物間相互作用,形成大而密實的顆粒狀污泥聚合體。UASB反應器中培育出的厭氧顆粒污泥已被成功應用于高濃度有機廢水的處理中,但是存在啟動期長,操作溫度高,不適于處理低濃度有機廢水且脫氮除磷效果不理想的缺點。為克服上述缺點,研究者們又開展了對好氧顆粒污泥的培養,實驗研究發現好氧顆粒污泥不但可去除COD且具有脫氮除磷的功能。
EBPR(生物強化除磷)是目前常用的生物除磷工藝,運行經濟,但該系統一般利用活性污泥除磷,需要較大的反應容積,另外在EBPR的實際應用中也發現了不明原因導致的除磷失敗現象。若能將好氧顆粒污泥代替傳統活性污泥運用于EBPR中,則可解決EBPR系統占地面積大、污泥膨脹、產泥量高以及二次釋磷等問題。本文將結合國內外參考文獻,通過對好氧顆粒污泥特性的分析,探討產生除磷現象的原因,以期為深入研究好氧顆粒污泥的除磷功能提供理論知識。
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,外觀為相對規則的圓形或橢圓形,其直徑在0.5~1.5mm之間,縱橫比為0.76,形狀系數穩定在0.45。顆粒污泥的SV(沉降速度)值與其大小和結構有關,一般在30～70m/h之間,約為傳統活性污泥SV值(8～10m/h)的三倍。因此,與傳統活性污泥相比,好氧顆粒污泥可以保證更多的微生物停留在反應器中,從而加快污染物的降解速度,使反應器結構相對緊湊。顆粒表面為致密的由微生物組成的膜狀結構,內部為疏松的網狀,有較大的空隙,在通風好氧情況下,具有良好的吸附碳源的能力。
1.2化學組成和生物學特征
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組成,主要由多聚糖、蛋白質等物質組成,以纖維狀相互纏繞成絮狀體或形成高密度狀的顆粒基質,具有黏連作用。相鄰細胞的EPS吸附周圍的有機、無機物質形成交錯的網狀結構,起到陽離子橋的作用,強化了顆粒污泥的結構,EPS強化污泥顆粒化的過程見文獻。研究發現Ca2+含量的增加對顆粒污泥的形成有一定的影響:首先,Ca2+能將帶負電的基團束縛在微生物表面和EPS分子上,起到搭橋作用,從而促進微生物聚合;其次,添加有Ca2+的顆粒污泥胞外可產生更多的多聚糖,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固的粘性框架結構,有利于污泥顆粒化;同時,多聚糖中的OH-等基團與Ca2+的相互作用形成牢固的類凝膠聚合物進一步加強了顆粒污泥結構的穩定。
2好氧顆粒污泥除磷探討
2.1生物除磷
EBPR系統中的除磷過程是利用PAOs(聚磷菌)在厭氧條件下吸收基質合成聚羥基烷酸(PHA)并分解胞內poly-P(聚磷)釋磷,然后在好氧條件下分解胞內PHA并過量吸磷合成poly-P完成的。Dulekgurgen發現EBPR系統厭氧段結束時,顆粒污泥內大量存在的桿狀細菌經染色呈poly-P陰性、PHA陽性,好氧段結束時桿狀細菌Neisser染色呈陽性。此染色結果與活性污泥中PAOs的染色結果一致,說明好氧顆粒污泥中的桿狀細菌與PAOs的代謝機理相似。Lin等指出SBR系統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質量含量達1.9%~9.3%,是接種污泥的2.2~11倍。同時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、自養硝化菌,內層含有PAOs,且在低氧飽和濃度(20%)時,總P的去除率可達到94%。好氧顆粒污泥在EBPR系統中表現出的除磷功能可由PAOs除磷的機理解釋。
2.2反硝化除磷
在生物除磷的研究中已發現兼性菌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,同時完成反硝化和吸磷。而好氧顆粒污泥特殊的分層結構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溶解氧的吸收利用以及傳質阻力對溶解氧擴散的限制,使溶解氧在顆粒內部形成明顯的濃度梯度:外層溶解氧濃度高,結構緊湊密實;內層溶解氧較低甚至降為零,結構蓬松。因此好氧顆粒污泥由外向內形成了“好氧-缺氧-厭氧”的微環境。如表1所示,好氧區,溶解氧濃度高,適宜好氧菌、硝化菌的生存繁殖;缺氧區內兼性微生物豐富,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、缺氧區的形成和維持。
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顆粒污泥外部緊湊、內部蓬松的結構有利于基質向內部擴散以及內部代謝產物向外傳遞:好氧區內硝化反應產生的NO3-、NO2-容易擴散到缺氧區內,利于缺氧區內DPB以NO3-、NO2-為電子受體進行反硝化吸磷活動。同時由于基質傳質受限,缺氧區內可利用的基質濃度較低,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系統中,對經過4h缺氧反應后的污水中磷的濃度進行測定,發現磷濃度由厭氧結束時的108.1mg/L下降為32.2mg/L,缺氧吸磷速率為18.9mg/(L·h),經過計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除磷做出了較大貢獻。
2.3沉淀作用除磷
EBPR系統中的化學沉淀除磷現象在文獻已有大量的報道。由于該現象與微生物的活動聯系緊密,Maurer等將其稱為“biologicallyinducedprecipitation”,并指出對于典型的污水條件(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,就會發生沉淀現象。好氧顆粒污泥中本身含有微量的鈣、鎂等金屬元素,顆粒污泥對污水中基質的吸收利用以及顆粒內部發生的反硝化反應均可引起顆粒內部pH值的上升,同時厭氧條件下好氧顆粒污泥內的PAO釋磷引起污水中磷酸鹽含量的增高,上述條件滿足“biologically inducedprecipitation”產生的條件。Kreuk等對單位質量好氧顆粒污泥含磷量的計算結果為0.20gP/gSS,而生物膜系統中的相應值僅為0.02~0.14gP/gSS,因此推測部分磷的去除是由顆粒內部的沉淀作用引起的。同時在實驗中又發現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%。該現象說明白色顆粒污泥中存在沉淀作用。對厭氧段結束時好氧顆粒污泥成分的進一步分析發現顆粒中含有鈣合磷酸鹽、鎂合磷酸鹽、以及鋁合磷酸鹽。從而證實了“biologicallyinducedprecipitation”現象同樣在好氧顆粒污泥中存在。但是,在實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,將會影響沉淀作用的發生。同時可以查看中國污水處理工程網更多技術文檔。
3結論
好氧顆粒污泥是微生物固定化的產物,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。目前對于好氧顆粒污泥除磷的機理還不甚明確,且不同培養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除磷作用的影響,以期實現好氧顆粒污泥在實際EBPR系統中的應用。來源：谷騰水網 作者: 呂娟,陳銀廣,顧國維
