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通过使用聚合氯化铝（PAC）对好氧颗粒污泥的快速形成过程进行研究

亮点概述

研究了PAC对好氧污泥造粒的影响。

通过培养PAC，大大加快了好氧污泥造粒过程。

PAC添加促进微生物和细胞外多糖的聚集。

用PAC培养的好氧颗粒具有较好的特性。

摘要

同时操作两个测序间歇反应器（SBRs）以研究投加PAC对好氧颗粒污泥的影响。结果表明，在R1中加入500 mg / L PAC可以加强颗粒污泥的形成，颗粒污泥形成时间从17天显着下降至7天，颗粒污泥形成后R1中颗粒的平均直径为3.2 mm，一致大于R2（对照）中的颗粒直径（2.7mm）。 PAC-喂养的颗粒污泥在沉降性能，紧密性，机械强度和更高的细胞外多糖含量方面表现出更好的性能。由于在R1中培养的颗粒具有更多的生物量，更多的底物在一个循环中降解。但是，对于化学需氧量（COD）和氨氮去除效率，两种颗粒之间没有发现显着差异。结果表明，PAC增强了测序间歇反应器中的污泥颗粒形成。

关键词：好氧颗粒污泥，聚合氯化铝，颗粒特征，细胞外聚合物

1.介绍

作为一种新型环境生物技术的好氧颗粒污泥已经在间歇反应器中广泛报道。与絮凝污泥相比，好氧颗粒污泥具有良好的沉降性能，较高的生物量保留能力，能够承受高强度废水和高强度冲击负荷，可实现同时硝化-反硝化。这些优点表明，好氧颗粒污泥技术具有引领下一代生物废水处理技术的巨大潜力。然而，好氧颗粒污泥技术的机制尚未充分了解，好氧颗粒污泥系统从常规活性污泥启动需要几个星期。这是阻碍好氧颗粒污泥应用的瓶颈之一。

有许多因素，如活性氧缺乏，剪切力和二价金属离子等均影响污泥颗粒化过程。在这些因素中，二价金属离子Ca² 和Mg² 已被证明在自然固定的微生物聚集过程中发挥重要作用，并被广泛认为可以增加顺序间歇反应器中的污泥颗粒形成。Jiangetal报道，Ca² 增加显著减少好氧颗粒污泥的培养时间，从32天缩短到16天，Ca² -颗粒表现了更好的沉降性能和更高的多糖含量。Lietal发现污泥颗粒形成时间可以通过在反应器中投加Mg² 从32天显著减少到18天。以上表明，给予适当的添加剂可以加速好氧颗粒污泥的培养过程。

聚合氯化铝（PAC）作为铝盐凝结剂，表现出优异的絮凝性能，并已广泛应用于废水处理。据报道，PAC的化学性能可以提高污泥的脱水能力并提高污泥致密性。

在目前的工作中，PAC应用于SBR反应器中，是颗粒形成过程中预期的“加速剂”。本研究的主要目的是调查PAC对好氧颗粒污泥形成过程性能的影响。预期从该研究得到的结果可用于培养SBR中的好氧颗粒。

2材料与方法

2.1SBR系统

在本研究中，两个相同的柱型分批间歇反应器（SBR）用于培养好氧颗粒污泥，其中每个反应器的工作体积，高度和内径分别为2.0L，1.5m和0.05m（图1）。在曝气阶段期间以2.0L/min的气流速率供应反应器。两个柱在室温下操作，水温为22-25℃。通过加入NaHCO₃将系统中的pH控制在7.2和7.8之间。两个反应器以顺序模式操作，进行6小时循环，其中进料5分钟，并且从塔的中间端口取出5分钟的流出物。此外，在前8天内选择进行排放操作：沉降时间从第1天15分钟逐渐降至第8天5分钟。预计在这一阶段将排放更多的缓凝污泥絮体。除了上述运行程序外，反应器将处于通气条件下。

使用具有以下组成的合成废水（每升）：葡萄糖，1000mg；NH₄Cl，200mg; MgSO₄·7H₂O，25mg；FeSO₄·7H₂O，20mg; NaHCO₃，600mg；KH₂PO₄，25mg; CaCl₂·2H₂O，30mg；FeCl₃·6H₂O，1.5mu;g。微量元素溶液含有（mu;g/ L）：H₃BO₃，0.15；CoCl₂·6H₂O，0.15; CuSO₄·5H₂O，0.03；MnCl₂· H₂O，0.12；Na₂MoO₄·2H₂O，0.06；ZnSO₄·7H₂O，0.12；KI，0.03。

来自全规模城市污水处理厂（中国西安第四污水处理厂）的活性污泥用作接种物，初始污泥MLVSS（混合液挥发性悬浮固体）浓度为8000mg/L。

2.2污泥颗粒强化过程的操作策略

在前8天，在每次排水之后，将50mL剂量为20g/L的聚合氯化铝（PAC）投加到SBR（R1）底部的废水中。反应器中PAC的浓度为500mg/L并打开空气泵吹动PAC。同时，为了使PAC与污泥具有良好接触，R1中的搅拌器也以80r / min的速度运行10分钟。在所有上述操作之后，供给泵打开，并且开始新的循环。与R1相比，在另一个SBR反应器对照组R2中不进行药物投加搅拌。

本研究采用商品级PAC（巩义富源净水材料有限公司，纯度：30%w/w Al₂O₃，中国）。首先将PAC以1:3的比例溶于蒸馏水中，在使用前稀释至20g/L。整个过程在剧烈搅拌下操作。

2.3分析方法

根据标准方法测量COD，氨氮，硝酸盐，亚硝酸盐，悬浮固体（SS），混合液悬浮污泥（MLSS），挥发性固体（VS）和污泥体积指数，检测水和废水。通过pH计测量反应器中的pH。通过使用TOC分析仪（TOC-V CPH，SHIMADZU，Japan）测量总有机碳（TOC）浓度。使用普通光学显微镜（Nikon Microscope ECLIPSE 90i，Japan）进行微生物观察。

2.4细胞外聚合物（EPS）的提取和分析

将二十毫升污泥样品在3000g下离心15分钟，并在40mL磷酸盐缓冲溶液（PBS，0.05mol / L磷酸钠，pH 7和0.15mol/L NaCl）中轻轻洗涤。然后用超声波细胞破碎法（35W，4℃，4分钟）破碎污泥样品。超声处理后，将样品离心（20,000g，4℃）20分钟，通过0.22mu;m乙酸纤维素膜过滤除去残留细胞。，以葡萄糖作为标准，通过使用苯酚-硫酸法测定EPS中的多糖含量（葡萄糖当量）。以牛血清白蛋白作为标准，通过改良的Lowry法测定EPS中的蛋白质含量。

2.5颗粒特征分析

2.5.1有氧颗粒的大小分析

为了估算尺寸分布，从反应器的底部取样点取得的污泥样品通过使用具有各种开口（0.5mm，1.0mm，1.5mm，2.5mm）的实验筛，筛分为四个部分。首先将污泥颗粒置于开口最大的筛子中。将颗粒轻轻地浸没在水中并摇动，使较小的颗粒通过。重复这些程序，直到使用开口最小的筛子。

2.5.2颗粒强度测量

颗粒的机械强度通过使用Ghangrekar等人的方法。完整性系数（%），定义为在平台振荡器上以200rpm振荡5分钟后，残余颗粒的重量与颗粒的总重量的比率。较低的整体系数意味着较大的颗粒强度。

2.5.3表面性质的测定

对于颗粒，在测定表面性质之前将污泥样品均化。细胞表面的疏水性用Rosenberg等人描述的方法测定。疏水性表示为在分配15分钟后细胞粘附于十六烷的百分比。通过胶体滴定测定污泥的表面电荷。所有的疏水性和表面电荷测定过程在中性pH条件下进行。

3结果与讨论

3.1有氧颗粒的培养

接种的污泥为灰棕色，表现为不规则和松散的结构形态。当反应器运行时，絮凝物开始自发聚集，并且污泥有形成颗粒的趋势。同时，在R1中，由于吸附和颗粒间架桥，污泥絮凝和PAC收集的悬浮颗粒，污泥颗粒形成过程得到加强。 第7天，在R1中观察到好氧颗粒逐渐变得更致密，更大。在R2中，直到第17天才发现颗粒形成。在R1中，在35天操作后，不规则颗粒变得稳定，固体表面，更光滑圆润。在R1的中，颗粒的颜色从棕色变成白色，然后变成黄色。反应器R2中的淤渣在几天后具有类似的颗粒形成过程。

颗粒尺寸是表现污泥造粒中生长和老化过程的直接参数。反应器中的颗粒尺寸分布示于图1中。在R1的第7天出现可见的颗粒。30天后，约45％来自R1的颗粒的在1.0-2.5mm的范围内，10％的样品高于2.5mm。到第50天，R1中大约10％的颗粒超过3.5mm的直径。每一天，R2中的颗粒尺寸分布与R1中的颗粒尺寸分布明显不同。在R2中，直到第17天才发现颗粒。在第20天，两个反应器颗粒的平均直径分别为0.68mm（R1）和0.45mm（R2）。最后，R1和R2中颗粒的尺寸分别稳定在3.2mm和2.7mm。除了前几天，R1中的平均生物量始终大于R2中的平均生物量。Lietal也报道用颗粒活性炭（GAC）培养的污泥的平均尺寸大于没有GAC的。所有这些意味着添加适当的添加剂可以减少颗粒形成时间并形成较大的颗粒，因此鼓励污泥造粒。

在操作开始时，两个反应器中的MLSS为7.8g/L，种子污泥的SVI为176mL/g。MLSS和SVI的变化如图1所示。最初，生物质松散易膨胀。反应器中的污泥浓度由于在第一阶段中絮凝物的洗出而降低，然后随着颗粒在反应器中占优势而增加。与R2相比，稳态期间R1中的生物质浓度较高，达到7.5g / L SS的值。这表明PAC的增加对生物量的增加具有积极的影响。

在污泥培养和颗粒形成过程中，反应器中污泥的SVI通常保持下降，当MLSS稳定时，稳定在30-35mL/g。该结果表明，所有反应器中的成熟颗粒污泥具有优异的沉降性能。

3.2反应堆性能

反应器的流入物COD的平均浓度保持在750mg/L。最初，反应器的COD去除效率低。随着污泥的培养，反应堆的COD去除效率持续增大。在前35天，R1的COD去除效率略高于R2。但是，两个反应器在过去的17天里保持着相同的COD去除效率水平。当实验在第52天终止时，R2中的流出物COD平均为54mg/L，去除效率为93%，而R1中的流出物COD平均为59mg/L，去除效率为92%。这可能表明COD去除效率与PAC的增加没有直接的相关性。

为了测试好氧颗粒的硝化能力，测定了流出物的NH₄ -N浓度，结果如图1所示。R1中流出物的NH₄ -N浓度从第1天的38mg / L降至第10天的17.6mg/L，R2中流出物的NH₄ -N浓度也从32.12mg/L降至9.3mg/L。所有这些表明，随着工艺的进行，在两个SBR中培育的污泥迅速适应氨氮。据报道，当底物（NH₄ -N）浓度为50mg/L时，反应器中微生物的硝化活性将提高到一定程度，这种浓度适合微生物的生长。因此，两个SBR中的硝化细菌在启动期间茁壮成长，并且它们所有的NH₄ -N去除效率具有很大的增益。当污泥聚集，并且颗粒出现在R1时，NH₄ -N去除效率趋于稳定，并保持在64%和75%之间。这种现象也出现在R2，只是推迟了几天。因此表明在加入PAC后，颗粒的NH₄ -N去除效率没有显著变化。

3.3好氧造粒过程中EPS和表面性质的变化

在R1中，随着反应器运行，如MLSS，EPS也具有对应于SVI减少的巨大增益，特别是在初始颗粒形成之后（第7天）。成熟的颗粒污泥（第30天）比种子污泥（16.8mg/g MLSS）含有更多的EPS（44mg/g MLSS）。对应于EPS的变化，表面电荷从-0.73略微降低至-0.85meq/g MLSS，而疏水性呈现显着变化，从45%增加至72%。相反，在R2中也观察到类似的现象，但是在几天后出现。热力学理论可以解释这种现象。细胞表面疏水性的增加将导致表面过量吉布斯能量的相应减少，这促进细胞与细胞间的相互作用，进一步驱动细菌的自聚集。以这种方式，形成越来越多的颗粒。

整个操作过程中EPS中主要部件的变化如图1所示。结果表明，两个反应器之间的污泥的细胞外蛋白质含量没有明显差异。但是就多糖含量而言，结果不一致。在操作期间，R1（AGR1）中好氧颗粒的细胞外多糖含量急剧增加，从17.1 mg/g MLSS增加到25.62 mg/g MLSS。然而，在R2中，细胞外多糖含量轻微变化。这表明PAC的增加可能与细胞外蛋白质含量没有直接的相关性，但是促进了细胞外多糖的产生。

许多研究人员已经接受同样的结果，多糖可以提高细胞的粘附和粘附，并在维持生物膜和颗粒的结构完整性中发挥重要作用。好氧颗粒的形成和稳定性将通过多糖来实施，因为它可以在污泥培养过程中建立一个强且有粘性的框架。因此，PAC添加促进细胞外多糖的增加，在污泥颗粒形成中起到积极作用。同时，随着颗粒的形成，逐渐发生从物理化学到生物功能的转变。

3.4AGR1和AGR2的特征比较

AGR1和AGR2的污泥特性在表1中进行比较。AGR1具有比AGR2更多的优点，例如更好的沉降性能，更高的V

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