好氧颗粒污泥在生物强化除磷中的应用

摘要:结合近年来好氧颗粒污泥的最新研究成果,分析了好氧颗粒污泥的物理、化学、生物学、结构特征,并从生物除磷、反硝化除磷和沉淀作用三方面对好氧颗粒污泥除磷现象进行探讨。旨在为好氧颗粒污泥在生物强化除磷中的实际应用提供理论知识。

关键词:好氧颗粒污泥;生物除磷;反硝化除磷;沉淀作用

污泥颗粒化是微生物细胞间自身固定化的一种特殊形式,是在特定的工艺条件下反应器中的微生物与载体或微生物间相互作用,形成大而密实的颗粒状污泥聚合体。UASB反应器中培育出的厌氧颗粒污泥已被成功应用于高浓度有机废水的处理中,但是存在启动期长,操作温度高,不适于处理低浓度有机废水且脱氮除磷效果不理想的缺点。为克服上述缺点,研究者们又开展了对好氧颗粒污泥的培养,实验研究发现好氧颗粒污泥不但可去除COD且具有脱氮除磷的功能。

EBPR(生物强化除磷)是目前常用的生物除磷工艺,运行经济,但该系统一般利用活性污泥除磷,需要较大的反应容积,另外在EBPR的实际应用中也发现了不明原因导致的除磷失败现象。若能将好氧颗粒污泥代替传统活性污泥运用于EBPR中,则可解决EBPR系统占地面积大、污泥膨胀、产泥量高以及二次释磷等问题。本文将结合国内外参考文献,通过对好氧颗粒污泥特性的分析,探讨产生除磷现象的原因,以期为深入研究好氧颗粒污泥的除磷功能提供理论知识。

1好氧颗粒污泥的特征

1.1物理特征

好氧颗粒污泥一般为橙黄色,表面光滑,外观为相对规则的圆形或椭圆形,其直径在0.5~1.5mm之间,纵横比为0.76,形状系数稳定在0.45。颗粒污泥的SV(沉降速度)值与其大小和结构有关,一般在30～70m/h之间,约为传统活性污泥SV值(8～10m/h)的三倍。因此,与传统活性污泥相比,好氧颗粒污泥可以保证更多的微生物停留在反应器中,从而加快污染物的降解速度,使反应器结构相对紧凑。颗粒表面为致密的由微生物组成的膜状结构,内部为疏松的网状,有较大的空隙,在通风好氧情况下,具有良好的吸附碳源的能力。

1.2化学组成和生物学特征

好氧颗粒污泥主要包含六种元素:C、H、O、N、S、P,以及少量的Ca、Mg、Fe等金属元素。EPS(胞外聚合物)是颗粒污泥的重要化学组成,主要由多聚糖、蛋白质等物质组成,以纤维状相互缠绕成絮状体或形成高密度状的颗粒基质,具有黏连作用。相邻细胞的EPS吸附周围的有机、无机物质形成交错的网状结构,起到阳离子桥的作用,强化了颗粒污泥的结构,EPS强化污泥颗粒化的过程见文献。研究发现Ca2+含量的增加对颗粒污泥的形成有一定的影响:首先,Ca2+能将带负电的基团束缚在微生物表面和EPS分子上,起到搭桥作用,从而促进微生物聚合;其次,添加有Ca2+的颗粒污泥胞外可产生更多的多聚糖,使多聚糖在颗粒污泥中的含量由41mg/gVSS增加到92mg/gVSS。多聚糖能够形成一种坚固的粘性框架结构,有利于污泥颗粒化;同时,多聚糖中的OH-等基团与Ca2+的相互作用形成牢固的类凝胶聚合物进一步加强了颗粒污泥结构的稳定。

2好氧颗粒污泥除磷探讨

2.1生物除磷

EBPR系统中的除磷过程是利用PAOs(聚磷菌)在厌氧条件下吸收基质合成聚羟基烷酸(PHA)并分解胞内poly-P(聚磷)释磷,然后在好氧条件下分解胞内PHA并过量吸磷合成poly-P完成的。Dulekgurgen发现EBPR系统厌氧段结束时,颗粒污泥内大量存在的杆状细菌经染色呈poly-P阴性、PHA阳性,好氧段结束时杆状细菌Neisser染色呈阳性。此染色结果与活性污泥中PAOs的染色结果一致,说明好氧颗粒污泥中的杆状细菌与PAOs的代谢机理相似。Lin等指出SBR系统中好氧颗粒污泥可厌氧吸收碳源释磷,并在好氧条件下快速吸磷,颗粒污泥中的P质量含量达1.9%~9.3%,是接种污泥的2.2~11倍。同时随着颗粒污泥比重的增大,颗粒污泥中P的含量升高,说明胞内含poly-P的污泥比普通污泥密度高。Kreuk等研究表明:好氧颗粒污泥表层含有异氧PAOs、自养硝化菌,内层含有PAOs,且在低氧饱和浓度(20%)时,总P的去除率可达到94%。好氧颗粒污泥在EBPR系统中表现出的除磷功能可由PAOs除磷的机理解释。

2.2反硝化除磷

在生物除磷的研究中已发现兼性菌DPB(反硝化聚磷菌)的存在,DPB可在缺氧条件下以NO3-、NO2-为电子受体,同时完成反硝化和吸磷。而好氧颗粒污泥特殊的分层结构恰好为反硝化除磷提供了条件。好氧颗粒污泥表面微生物对溶解氧的吸收利用以及传质阻力对溶解氧扩散的限制,使溶解氧在颗粒内部形成明显的浓度梯度:外层溶解氧浓度高,结构紧凑密实;内层溶解氧较低甚至降为零,结构蓬松。因此好氧颗粒污泥由外向内形成了“好氧-缺氧-厌氧”的微环境。如表1所示,好氧区,溶解氧浓度高,适宜好氧菌、硝化菌的生存繁殖;缺氧区内兼性微生物丰富,如反硝化菌、硫酸盐还原菌等,其中硫酸盐还原菌的存在可以维持低氧化-还原电位,有利于颗粒的形成以及厌氧、缺氧区的形成和维持。

颗粒污泥外部紧凑、内部蓬松的结构有利于基质向内部扩散以及内部代谢产物向外传递:好氧区内硝化反应产生的NO3-、NO2-容易扩散到缺氧区内,利于缺氧区内DPB以NO3-、NO2-为电子受体进行反硝化吸磷活动。同时由于基质传质受限,缺氧区内可利用的基质浓度较低,更有利于DPB除磷。杨国靖等在利用好氧颗粒污泥除磷脱氮的SBR系统中,对经过4h缺氧反应后的污水中磷的浓度进行测定,发现磷浓度由厌氧结束时的108.1mg/L下降为32.2mg/L,缺氧吸磷速率为18.9mg/(L·h),经过计算得出该体系中反硝化聚磷菌占全部聚磷菌的73.1%。说明好氧颗粒污泥中反硝化聚磷菌的大量存在对除磷做出了较大贡献。

2.3沉淀作用除磷

EBPR系统中的化学沉淀除磷现象在文献已有大量的报道。由于该现象与微生物的活动联系紧密,Maurer等将其称为“biologicallyinducedprecipitation”,并指出对于典型的污水条件(Ca2+浓度为1～2mol/m3,pH为7～7.7)来说只要具有较高浓度的磷酸盐,就会发生沉淀现象。好氧颗粒污泥中本身含有微量的钙、镁等金属元素,颗粒污泥对污水中基质的吸收利用以及颗粒内部发生的反硝化反应均可引起颗粒内部pH值的上升,同时厌氧条件下好氧颗粒污泥内的PAO释磷引起污水中磷酸盐含量的增高,上述条件满足“biologically inducedprecipitation”产生的条件。Kreuk等对单位质量好氧颗粒污泥含磷量的计算结果为0.20gP/gSS,而生物膜系统中的相应值仅为0.02~0.14gP/gSS,因此推测部分磷的去除是由颗粒内部的沉淀作用引起的。同时在实验中又发现大部分颗粒污泥呈白色,灰分含量为50.4%;少量颗粒呈灰色,灰分含量为17.2%。该现象说明白色颗粒污泥中存在沉淀作用。对厌氧段结束时好氧颗粒污泥成分的进一步分析发现颗粒中含有钙合磷酸盐、镁合磷酸盐、以及铝合磷酸盐。从而证实了“biologicallyinducedprecipitation”现象同样在好氧颗粒污泥中存在。但是,在实际的污水处理过程中,是否能保证适宜的pH值,以及合适的磷酸盐浓度,将会影响沉淀作用的发生。同时可以查看中国污水处理工程网更多技术文档。

3结论

好氧颗粒污泥是微生物固定化的产物,由于其特殊的理化特征以及丰富的微生物组分,除了具有去除COD、脱氮的作用,还具有除磷的功能。其除磷作用主要通过生物除磷、反硝化除磷、沉淀作用三种方式完成。目前对于好氧颗粒污泥除磷的机理还不甚明确,且不同培养条件下获得的好氧颗粒污泥具有不同的特性。因此,今后还需从机理的角度,研究不同条件下好氧颗粒污泥的形成过程及其对除磷作用的影响,以期实现好氧颗粒污泥在实际EBPR系统中的应用。 作者: 吕娟,陈银广,顾国维