利用微藻黏附生长特性恢复丝状菌引起的污泥膨胀现象

王海蓝，肖俊绚，陈 威，王宗平

(1.武汉科技大学 城市建设学院，湖北 武汉 430081；2.中建三局工程设计有限公司，湖北 武汉 430064；3.华中科技大学 环境科学与工程学院，湖北 武汉 430074)

0 引言

污泥膨胀会对污水处理厂生化处理造成巨大影响。如今污水处理厂发生的污泥膨胀现象大多数是由于丝状菌过度生长引起的[1]。丝状菌造成的膨胀会引起活性污泥中微生物种群失衡，进而降低活性污泥对有机污染物、氨氮、总氮和磷的去除效能[2-3]。过去对丝状菌膨胀控制通常是采用生物选择器[4]和投加消毒剂[5]等方法。这些方法的本质是减少丝状菌的丰富度，进而恢复污泥沉降性能。诱发丝状菌膨胀的一大重要原因是生化池内溶解氧(dissolved oxygen,DO)过少，使得丝状菌生长速率大于其他细菌[6]。因此，提升生化池内DO浓度也常被用于污泥膨胀控制中[7]。可是，提升DO浓度必然会加大生化池曝气，增大污水处理厂能耗，因此需要探究一种高效节能的污泥膨胀控制技术。

近几年，菌藻共生系统被认为是一种节能高效的污水处理系统[8-9]。藻类在光照条件下可以提供大量Do供细菌呼吸[10]。生化池内DO的提升，可能会抑制丝状菌的生长，进而恢复膨胀污泥的沉降性能。同时，微藻具有很强的黏附生长特性，这种特性使得微藻极易进入污泥内部，增加污泥密度，增加污泥的沉降性能[11]。因此，本文基于菌藻共生理论，同时利用微藻的黏附生长特性，旨在通过在非曝气反应器中恢复丝状菌引起的膨胀污泥的沉降性能。

1 材料与方法

1.1 种泥特性

1.2 反应器设置

采用光照式序批反应器(photo-sequencing batch reactor, PSBR)开展试验。首先，每个PSBR为圆柱形有机玻璃容器，其直径为20 cm，高度为40 cm，容积为12.5 L。PSBR设置在实验室远离窗户的位置，且用锡纸包裹外部，隔绝自然光。在每个PSBR的中部距离底部25 cm的高度处设置一个发光二极管光源，光通量为165 mmolm-2s-1，光照周期为12 h/d。利用搅拌器保持PSBR中固液混合物保持悬浮状态，搅拌器的转速设置在150 r/min。在PSBR底部设置一个曝气转盘，并通过鼓风曝气机进行鼓气，气量为4 L/min。每个PSBR设有进水泵和出水泵来辅助进水和排水。PSBR具体运行工况为进水5 min，曝气240 min，沉淀5 min，排水5 min，闲置10 min，搅拌695 min。每次排水体积为50%，因此每个PSBR的水力停留时间(hydraulic retention time, HRT)为24 h。每个PSBR污泥停留时间(sludge retention time, SRT)为30 d。

采取不同微藻与污泥的比例(microalgae-to-sludge volume ratio, MVR)对膨胀污泥进行沉降性能与污染物去除效能的恢复。分别在每个PSBR中加入种泥12 L，使反应器中初始MLSS保持在1 500 mg/L。在每个反应器内分别加入500 mL、1 000 mL、1 500 mL和2 000 mL单位体积为108cell/L的微藻(购买自中国科学院淡水藻种库，FACHB-5)。因此，每个PSBR中MVR分别为24.00(R1)、11.50(R2)、7.30(R3)和5.25(R4)。

1.3 模拟废水

1.4 检测方法

2 结论与分析

2.1 污泥特性分析

2.1.1 沉降性能、污泥质量浓度和叶绿素变化趋势分析

污泥性能变化趋势图见图1。如图1a所示，不同MVR的反应器里污泥的沉降性能均有大幅度提升，其中MVR为5.25的反应器沉降性能最好(SVI5为14.98 mL/g)。在第40天时，MVR为24.00、11.50和7.30的反应器的SVI5值分别为27.62 mL/g、48.56 mL/g和34.23 mL/g。图1b则展示出了4个反应器中MLSS和MLVSS变化趋势。由图1b可以看出：经过40 d的试验，4个反应器中MLSS和MLVSS均大幅度提高。最终4个反应器的MLSS分别为3 748 mg/L、4 629 mg/L、4 667 mg/L和4 005 mg/L。从图1c中MLVSS/MLSS的比值可以看出：4个反应器中活性污泥的比例提升。从以上结果可知：在膨胀污泥中加入不同比例的微藻，可以恢复膨胀污泥的沉降性能，并大幅度提升膨胀污泥中活性污泥的组分。通过图1d的叶绿素a质量比可以看出：在反应器运行前期，微藻比例大幅度提升，但随着污泥沉降性能的提升，没有黏附在污泥表面的微藻随着排水被冲出反应器，造成了叶绿素a质量比的下降。

(a) SVI5变化趋势

2.1.2 污泥粒径及表面特性分析

在反应器运行至40 d时，其污泥表观图像如图2所示。如图2a所示，在40 d时，MVR=24.00的污泥表面存在部分丝状细菌，表面不平整。图2b则表明MVR=15.00的污泥表面存在较多孔隙，且也观察到丝状菌的存在。图2c和图2d说明，在MVR=7.30、MVR=5.25时，污泥表面逐渐变得光滑，且孔隙减少。污泥沉降性能越好，其表面越平整。同时，在丝状菌的间隙中可以观察到较小的圆形微藻。这说明微藻可以黏附在污泥内部的空隙中，并填补空缺。运行到第40天时，4个反应器内污泥的粒径分别为62.92 μm、76.33 μm、60.28 μm和103.36 μm，污泥粒径均比种泥的粒径大。较大的粒径有助于细菌和微藻的黏附生长，更有利于形成较为密实的污泥絮体。

(a) MVR=24.00

2.2 污泥EPS的分析

2.2.1 EPS质量比

图3为不同MVR下反应器内EPS质量比变化趋势。从图3可以看出：随着反应器的运行，不同MVR下污泥中的EPS质量比不断提升。在运行到第40天时，4个反应器中胞外聚合物中蛋白质(protein,PN)的质量比分别为25.16 mg/g挥发性悬浮物(volatile suspended solids,VSS)、22.27 mg/g VSS、18.68 mg/g VSS和26.89 mg/g VSS，而多糖(polysaccharide,PS)的质量比分别为7.54 mg/g VSS、9.62 mg/g VSS、9.09 mg/g VSS和8.55 mg/g VSS。其中，PN占主导地位，PN通常被认为是污泥颗粒化进程中的主要贡献者，PN质量比的提升可以提升污泥的沉降性能[13]。同时，EPS质量比的提升说明污泥表面的吉布斯自由能下降，污泥的疏水性能提升，进而导致膨胀污泥沉降性能和污泥稳定性提升[14]。

图3 不同MVR下反应器内EPS质量比变化趋势

2.2.2 EPS组分分析

表1是4个反应器内EPS的三维荧光峰值表。根据文献[15]的研究，峰A(Em/Ex: 290～315/215～225)属于芳香蛋白质I类；峰C(Em/Ex：300～310/270～275)和峰D(Em/Ex：335～365/270～280)属于微生物可溶性副产物类；峰E(Em/Ex：420～465/265～280)属于类腐植酸[16-17]。而峰B强度很低，可忽略不计。根据各个峰的荧光强度可知，芳香蛋白I类强度最高，说明EPS中含有大量蛋白质，这与PN的检测结果一致。而峰E所代表的类腐植酸是由部分植物或者微生物所分泌的[18]。通过EPS质量比分析和组分类型分析，可知蛋白质是膨胀污泥沉降性能恢复的重要因素。

表1 不同MVR下反应器内EPS的三维荧光峰值表

2.3 出水水质分析

表2是不同MVR下各反应器对污染物去除性能表。4个反应器对COD的平均去除率分别为73.0%、69.7%、67.6%和72.4%，对氨氮的平均去除率分别为40.0%、39.6%、41.2%和43.6%，对TIN的平均去除率分别为37.7%、30.1%、36.2%和36.7%，对TP的平均去除率分别为79.6%、84.2%、81.0%和81.2%。可以看出，不同MVR对膨胀污泥的污染物去除性能均有提升，但不同MVR的反应器之间污染物去除性能并无明显差异。

表2 污染物平均去除率

COD去除性能的提升，可能是由于4个反应器中异养菌的数量上升。文献[19]的研究表明，较高的污泥负荷有利于异养菌的增值速率。同时，文献[20]在生物反应器内投加一定数量异养菌后，COD的去除率增加。本文得到的结论与上述研究一致。但是，由于异养菌的生长周期要明显短于硝化细菌，过多的异养菌会抑制硝化细菌的生长，进而导致反应器内氨氮去除率提升不明显[21]。微藻有很强的氮同化作用，可以吸收水体中的硝氮和亚硝氮，使得4个反应器内TIN去除率上升[22]。但由于硝化作用被抑制，氨氮不能有效转换成硝氮和亚硝氮，致使TIN去除率并不高。4个反应器对TP的去除率均值很高，说明反应器内有大量的聚磷菌，这些细菌可以同化和吸收水体中的P元素，将其转换为细胞内物质，进而起到生物除磷的效果[23]。

分析不同MVR下各反应器对污染物去除性能结果可知，微藻的加入会一定程度上提升反应器的去除效能。但良好的污染物去除效能主要取决于种泥对污染物的去除效能。

2.4 微藻恢复污泥膨胀现象机理分析

图4为微藻恢复由丝状菌引起的污泥膨胀机理图。由图4可知：微藻恢复由丝状菌引起的污泥膨胀机理可以分为以下3步：

图4 微藻恢复由丝状菌引起的污泥膨胀机理图

(1)游离的微藻和游离的细菌、丝状细菌在水力剪切力的作用下，形成污泥絮体。

(2)由于EPS的吸附架桥作用，使得细菌、丝状菌和微藻持续不断地聚集在絮体的表面。由于微藻的体积更小，微藻将黏附在菌藻共生体内部空隙中，降低了絮体的比表面积，同时提升了菌藻共生体的密度。此时，由于絮体密度增加，絮体的沉降性能提升。

(3)由于微藻在光照条件下利用细菌分解有机物产生的二氧化碳进行光合作用，从而产生氧气为细菌使用，这种互利共生关系使得细菌、丝状菌和藻类平稳地生长，使得污泥絮体中活性污泥的成分增加，进而导致生物量的提升[24]。

因此，膨胀污泥沉降性能恢复的关键因素是微藻的黏附生长特性[25]。同时，在膨胀污泥沉降性能恢复过程中，PN质量比的提升强化了污泥絮体的密实程度，同时使得污泥絮体保持良好的沉降性能。

3 结论