唐朝春， 叶鑫， 刘名， 陈惠民
（华东交通大学土木建筑学院，江西南昌330013）
摘要：文章研究了3个SBR反应器R1、R2和R3在进水C/N比分别为5、10和30条件下硝化好氧颗粒污泥的形成过程，分析了颗粒形成过程巾污泥形态及其各物化性质变化过程。结果表明，经过35 d培养，污泥形成颗粒，所得好氧颗粒污泥的颜色接近橙黄色，C/N比越高颜色越深；污泥的SVI30降低，由接种污泥的52.51 mL/g分别降为46.45.25.32、31.12 mL/g;小C/N比（为5）条件下形成的污泥大颗粒较多，而大C/N比（为30）条件下时形成的小颗粒较多，均不利于污泥沉降，同等条件下C/N比为10时所形成的颗粒污泥最优。
关键词：好氧颗粒污泥；硝化；C／N比；去除率
好氧颗粒污泥是自20世纪90年代以来被发现并发展的一门新兴生物处理技术，好氧颗粒污泥因其在水处理方面具有启动周期短、消化速率快、污泥代谢活性强、沉降性能好并能承受较高的有机负荷等特点。同时其与厌氧污泥的不同还表现在，它能够在一个颗粒内同时保持多种氧浓度环境与营养环境，颗粒特有的氧浓度梯度为各种微生物提供良好的生长条件，因而具有多种代谢活性，具有同步脱氮除磷的能力。同时在处理高浓度有机废水、难降解废水、有毒废水，以及吸附重金属等有毒物质等方面也具有独特的优势。目前好氧颗粒污泥是污水处理领域的研究热点之一，在大量好氧颗粒污泥理论研究的基础上，研究者们进行了好氧颗粒污泥处理实际污（废）水的小试和中试，并取得了较好的处理效果。
本实验研究了好氧颗粒污泥在SBR反应器内硝化培养情况下的特征和稳定性，并按不同的C/N比于3个SBR反应器内培养好氧颗粒污泥，探讨不同C/N比对好氧颗粒污泥的形成与特性的影响作用。
1 实验材料和方法
1.1仪器和试剂
实验仪器：分光光度计（DR/2500），美国HACH;电子天平（AB204-N），瑞士METTLER-TOLEDO；倒置生物显微镜(37XB)，中国上海豫光；数码相机(Ixus105)，日本Canon；COD速测仪(WMX-1)，中国格兰仕；电热鼓风恒温干燥箱（DHG-9101-2S），中国上海光都；手提式压力蒸气灭菌器(SYQ-DSX-280B)，中国上海申安；离心机（TDL-40B-II），中国上海飞鸽。
实验试剂：实验所用培养液的碳源选用EDTA-二钠，分子式为Cl．H18N2Na2O10。氮源选用氯化铵，分子式NH4C1。选用试剂均为分析纯。
1.2 实验方法
1.2.1 实验装置运行控制
SBR反应器的实验装置如图1所示。SBR反应器总高100 cm，内径7 cm，有效体积2L，排水口设在距反应器底部26 cm处，排水量为1L，即排水比为50%。反应器底部设曝气头，由空气泵供气并用转子流量计控制曝气量，曝气量控制在0.1～0.3 m3h(相当于表面气速2.17 cm/s)。人工模拟废水装入配水箱，由小型抽水泵抽吸然后从上部进水口打人SBR反应器。排水口设在反应器中间，由电磁阀控制排水，SBR反应器每个运行周期约为4h，进出水时间、曝气时间、沉降时间如表1所示，在整个运行过程中SBR反应器由时间继电器自动控制。温度由温控仪和电热带共同控制在(20±1)℃。
1,2.2 接种污泥和进水水质
反应器接种污泥取自华东交通大学污水厂MBR反应器曝气池内的普通絮状污泥，接种体积为1L，占反应器容积的1/2，接种污泥浓度MLSS为2.64 g/L，SVI30=52.51 mL/g。接种污泥完全呈絮状，无颗粒污泥。
进水组分以三水乙酸钠(1 700 mg/L)作为COD(800 mg/L)，进水溶液微量元素取1 mL/L，投加111mg/L CaCl2(即40 mg/L的Ca2+),406 mg/L MgS04.7H20（即40 mg/L的Mg2+），实验R1、R2、R3内的C／N/P分别按照100/5/1、100/10/1、100/3 0/1比例配制人工废水。
1.2.3 测定项目与分析方法
(1)用标准方法测定COD、TP、NH。+-N、MLSS、SVI30等指标。
(2)采用湿筛法测定污泥粒径的分布情况，通过光学显微镜和数码相机来观察和记录培养过程中污泥的形态变化。
(3)沉降速率用重力法测定。
2 结果与分析
2.1 硝化好氧颗粒污泥培养期间污泥形态的变化
好氧颗粒污泥的实际培养过程中主要运行参数如表2所示，接种絮状活性污泥后，在初期的污泥驯化阶段，进水COD由200 mg/L逐渐增加到800 mg/L，当COD的浓度增加到800 mg/L后维持不变。培养前期污泥沉降时间为15 min，第10天开始将沉降时间定为9 min，再到第16天将沉降时间设定为3 min。根据培养的实际情况，反应器曝气流量如表2所示依次递增，由0.1 m3/h增至0.25 m3／ h。
反应器运行前期，污泥流失严重，主要原因是初期接种的活性污泥的沉降性能并不是很好，而沉降时间15 min并不足以使反应器里的污泥沉降完便已开始排水，此时虽然会导致反应器里边的污泥浓度急剧下降，第6天开始出现丝状菌，第9天反应器内的污泥出现肉眼可见的颗粒晶核，丝状菌缠绕颗粒晶核表面生长，分别用显微镜与数码相机观察如图2(a)、(e)所示，反应器运行到第13天以后，与丝状菌缠绕的颗粒晶核开始慢慢变大。
培养中期，在增大了曝气流量后，水力剪切力增大，颗粒表面的丝状菌慢慢变少，开始有少量的颗粒污泥出现，18天以后反应器里边的污泥已经基本转变为颗粒状，但是所形成的颗粒污泥形状不一，表面不规则，结构并不是很密实，如图2(b)、(c)所示。
培养后期，初步形成的颗粒污泥经过一段时间的稳定运行后，形态如图2(d)所示，呈现表面光滑规则的椭圆形。
综上所述，可以将整个培养过程分为3个阶段：培养初期（出现颗粒晶核）、中期（出现颗粒污泥）、后期（稳定颗粒污泥）。整个培养过程中3个反应器中污泥的变化过程相似，运行35 d后反应器内的污泥基本已完全转化为形状规则、沉降性能良好的颗粒污泥。整个过程污泥颜色发生明显的改变，基本为灰褐色一白色（丝状菌多）一黄褐色一黄色。最终成熟好氧颗粒污泥均为黄色，而由于3个反应器内C/N比值的影响，成熟颗粒污泥的颜色有所差别，R1的颜色为淡黄色，R2为土黄色，R3为橙黄色，所以随着C/N比的升高，所得到的颗粒污泥颜色加深，在该研究当中按C/N>5培养得到的颗粒污泥认为是硝化好氧颗粒污泥，即R2、R3内的污泥。
2.2 成熟好氧颗粒污泥的物理性质
经过35 d的培养之后，好氧颗粒污泥稳定，普遍具有形状规则、表面光滑、结构密实的特点，实验中通过按压，发现各反应器的颗粒密实度为R2>R3>R1，随C/N比的升高而增大。其最后的特征如表3所示，结果显示，R1内的污泥量(MLSS)并无明显变化，而R2、R3反应器内的污泥量明显升高；3个反应器内的S VI30都有所降低，其中R2的最小，也就是说进水C／N=10时的好氧颗粒污泥的沉降效果最好，而过低或过高的C/N比值并不是培养好氧颗粒污泥的最优选择，同理，表3中所示污泥沉速的数值也证明该结论。
2.3 培养过程污泥指数和污泥量的变化
由图3所示，污泥的MLSS与SVI30随培养时间的推移发生明显的改变，且改变的整个趋势都具有相似性。
整个培养过程r I- MLSS与SVI30的数值变化相反。
培养前期，MLSS含量明显降低，SVI30明显增大，特别是培养第4—8天期间，其中第6天R1、R2和R3的MLSS由接种污泥的2.64 g/L分别降至0.93、0.65和1.13 g/L，而SVI30也相应地升高了，R1、R2和R3的SVI30由接种污泥的52.51 mL/g分别升至131.16、161和175 mL/g。
产生这一现象主要是因为在培养初期，接种污泥沉降性能较差，而SBR反应器设置的污泥沉降时间较小，污泥很容易流失致使MLSS降低；而曝气强度的改变使反应器里的微生物优势菌群发生改变，经观察第6天各反应器内有不同程度的丝状菌出现，致使反应器内污泥沉降性能变差，且SVI30数值升高。
沉降时间的改变也是产生这一现象的原因。沉降时间第10天由15 min改为9 min，第16天由9 min改为3 min，沉降时间的降低使得沉降性能不好的絮状污泥被冲洗出反应器，而密度较大的颗粒污泥留在反应器内，从而使反应器内密度较大的颗粒污泥的生长不会受到抑制，进而在反应器中颗粒污泥成为了最主要的生物体系。
根据图3显示，R1、R2、R3中污泥的SVI30由接种污泥的52.51 mL/g分别降为46.45、25.32、31.12mL/g。
不同C/N比对MLSS与SVI30的整个变化趋势并无明显的差异性影响，但是最终所形成的成熟好氧颗粒污泥中C/N比为10的MLSS量最大，SVI30最小，结构最为密实，沉淀性能最好；C/N比为30的次之；而C/N比为5时所形成的颗粒污泥污泥含量MLSS小，SVI30几乎与接种污泥相近，污泥结构蓬松，密实性差，沉淀性能与初始的接种污泥没有很大的差异。
2.4 成熟硝化颗粒污泥的粒径分布
不同的C/N比条件下形成的成熟好氧颗粒污泥的粒径分布情况如表4所示。
从表4可以很明显地发现，不同进水C/N比条件下所培养的好氧颗粒污泥具有不同的粒径分布情况。
在R1反应器内粒径小于0.5 mm的颗粒比例为6%，比R2(2%)和R3(4%)的多，粒径小于1 mm的颗粒R3的为30%，R2的为18%，R1的为17%，R3所占比例最多。而R1中粒径大于3 mm的颗粒污泥所占的百分比为33%，该反应器内大颗粒污泥的比例相对来说是偏大的。大粒径的颗粒污泥往往偏向于结构蓬松，污泥比重小，而粒径过小的颗粒污泥比较分散，疏水性也相对较差，R1内这2种颗粒所占的比例都比较大，这是R1内最后颗粒污泥沉降性能比其他2个反应器内污泥差的重要原因。
另外，分析表4可知，在R1小C/N比条件下形成的污泥大颗粒较多，而在R3大C/N比条件下时形成的小颗粒较多，均不利于污泥沉降，同等条件下C/N比为10时R2所形成的颗粒污泥最优。
3 结论
(1)C/N比为5、10和30条件下所形成的好氧颗粒污泥颜色均为黄色，C/N比越大，黄色越深，C/N比为30时颗粒污泥显橙黄色。
( 2)C/N=10时，好氧颗粒污泥结构密实，粒度最为均匀，大粒径与小粒径颗粒所占的比例最小，沉降性能最好；C/N=5时形成的好氧颗粒污泥粒径大、结构蓬松，沉降性能差；C/N=30的颗粒污泥结构密实，沉降性能好，但小粒径的颗粒多，相对于R2的颗粒污泥的沉降性能有所降低。
