SBR系統中好氧顆粒污泥的培養及脫氮除硫研究

蘇彩麗,余泳昌,任天寶,張莎莎,田 園 (河南農業大學機電工程學院,農業部可再生能源重點開放實驗室,河南 鄭州 450002)

SBR系統中好氧顆粒污泥的培養及脫氮除硫研究

蘇彩麗,余泳昌*,任天寶,張莎莎,田 園 (河南農業大學機電工程學院,農業部可再生能源重點開放實驗室,河南 鄭州 450002)

采用SBR反應器進行了好氧顆粒污泥的培養和脫氮除硫研究.結果表明,以厭氧顆粒污泥為種泥,通過控制運行條件,在30d內可培養出好氧顆粒污泥.好氧顆粒污泥粒徑以1~2mm為主, SVI為30~40mL/g,微生物組成以短桿菌為主,外部包裹大量絲狀菌.當COD和NH4+-N負荷分別保持在1.65kg/(m3·d)和0.17kg/(m3·d),硫化物負荷從0.15kg/(m3·d)逐步提高到0.90kg/(m3·d)時,好氧顆粒污泥對硫化物、COD和NH4+-N的去除率分別>99%、>80%和>98%.在高硫化物濃度下,反應器仍然表現出良好的脫氮效果,可能是由好氧顆粒污泥的層狀結構和硫化物能先于NH4+-N快速氧化的特點決定的.

序批式反應器；好氧顆粒污泥；脫氮除硫

Abstract：Cultivation and characters of the aerobic granules for ammonium and sulfide removal in a sequencing batch reactor were studied. The aerobic granules were cultivated using anaerobic granular sludge as seed sludge under controlled operational conditions in 30 days. The diameter of most of the aerobic granules was about 1~2mm and the SVI was 30~40mL/g. The granule was dominated by brevibacterium, and wrapped by a large number of filamentous bacteria. When the COD and NH4+-N loading were 1.65, 0.17 kg/(m3·d), and the S2-loading increased from 0.15 to 0.9 kg/(m3·d), the removal efficiencies of S2-, COD and NH4+-N were >99%, >80% and >98%, respectively. The reactor showed high removal capacity of NH4+-N under the high S2-concentration, which was possible due to the layered structure of aerobic granules or the characteristics that sulfide could be fast oxidized prior to the ammonium.

Key words：sequencing batch reactor(SBR)；aerobic granules；ammonium and sulfide removal

玉米、大豆、小麥、薯類等農產品加工過程所產生的廢水中不僅有機物濃度高,而且還含有高濃度硫酸鹽和NH4+-N.為解決該類廢水污染問題,不少學者對高硫酸鹽廢水的厭氧處理工藝和設備進行了研究[1-4].但在厭氧處理過程中,硫酸鹽會轉化成有毒且對設備腐蝕性強的硫化物,NH4+-N也不能有效去除,需經過進一步處理才能有效解決農產品加工廢水污染問題.目前采用的傳統好氧生物處理工藝[5-6],存在著處理效率低、投資大等缺點.如何實現經濟高效的脫氮除硫成為近幾年國內外學者研究的熱點[7-10].

好氧顆粒污泥工藝是近年來發展起來的污水處理新工藝,與傳統的絮狀活性污泥相比,具有容積負荷高、沉降性能好、占地小等優點[11].該工藝由于顆粒內部傳質作用限制,使好氧顆粒污泥內部形成好氧區、缺氧區和厭氧區,可實現多種污染物的同步去除[12-14],具有良好的發展前景.本研究采用富含硫化物和NH4+-N的模擬廢水,進行脫氮除硫好氧顆粒污泥的培養,并考察好氧顆粒污泥脫氮除硫的效果及硫化物對好氧顆粒污泥脫氮過程的影響,以期為好氧顆粒污泥在農產品加工廢水處理中的應用提供理論指導.

1 材料與方法

1.1材料

試驗用水采用人工模擬廢水,通過控制Na2S·9H2O添加量控制進水硫化物濃度.其余各組分濃度(g/L)分別如下:NaAc 0.805,NH4Cl 0.21, K2HPO40.045, NaHCO31.20, CaC120.03, FeCl4·6H2O 0.02, MgCl2·6H2O 0.02.微量元素溶液1mL/L,其組成見文獻[15].用0.50mol/L的HCl調節進水pH值為7.5~8.0.

接種污泥采自木糖廠厭氧顆粒污泥.污泥為黑色,MLVSS/MLSS=0.73,沉降速度28~75m/h,粒徑1.0~2.0mm.接種之前對厭氧顆粒污泥進行淘洗,去除其中的細小顆粒和雜質.接種后反應器中污泥濃度為3.6g/L.

1.2試驗裝置

試驗采用圓柱型SBR反應器,如圖1所示. SBR反應器為有機玻璃制成,內徑8cm,高度110cm,有效容積4.5L,用氣泵和曝氣砂頭供氣,通過轉子流量計控制曝氣量.SBR反應器各階段的操作變換都通過時間控制器進行控制.反應器運行周期為4h,其中進水3min,曝氣226~230min,靜置沉淀3~8min,排水3min.每周期排水2.25L.反應器溫度為25~30℃.

圖1 試驗裝置示意Fig.1 Schematic diagram of the experiment installation

1.3實驗方法

1.3.1好氧顆粒污泥的培養 反應器接種厭氧顆粒污泥后開始啟動,考慮到接種污泥本身具有較高的硫化物耐受性,因此進水硫化物濃度直接以100mg/L啟動,曝氣量保持在0.12m3/h,沉降時間為8min.反應器運行3d后,厭氧顆粒污泥由黑色逐漸轉變為灰白色、褐色,反應器中出現淡黃色絮狀污泥;1周后,大部分顆粒污泥破碎成細小的顆粒,新形成的絮狀污泥增長很快,并以破碎的污泥顆粒為核心逐漸聚集;第12d,為防止污泥膨脹,從下部取樣管排出500mL絮狀污泥,并將進水硫化物濃度降低為50mg/L,同時逐漸縮短沉降時間,SVI開始下降,并且反應器表現出較好的污染物去除效果,污泥馴化完成.第15d,反應器中開始出現顆粒污泥;第21d,反應器中污泥顆粒化基本完成,SVI降至44.6mL/g,MLSS達3.73g/L;30d后SVI保持在30~40mL/g,顆粒污泥達到成熟穩定.

1.3.2好氧顆粒污泥對污染物的去除效果 實驗中保持配水中NaAc和NH4Cl濃度不變,相當于COD 550mg/L, NH4+-N55mg/L,即進水負荷分別為1.65kg/(m3·d)和0.17kg/(m3·d),通過提高進水硫化物濃度(50~300mg/L)逐步提高硫化物負荷[0.15~0.9kg/(m3·d)],考察好氧顆粒污泥對硫化物、COD和NH4+-N的去除效果及硫化物對NH4+-N和COD去除能力的影響.

1.4分析項目和方法

COD采用重鉻酸鉀法測定;硫化物采用碘量法測定;硫酸根采用鉻酸鋇光度法測定;NH4+-N、NO3--N和NO2--N采用哈納C200系列多參數臺式離子濃度分析儀測定;pH值、DO采用哈納便攜式pH值、DO測定儀測定;SVI、MLSS 采用標準方法[16]測定;顆粒污泥形成過程觀察采用Olympus光學顯微鏡;顆粒污泥結構觀察采用Hitachi S-3400NⅡ型掃描電鏡.

2 結果與討論

2.1好氧顆粒污泥的特征

2.1.1表觀特征 成熟的脫氮除硫好氧顆粒污泥中間呈黃褐色,邊緣顏色較淺,形狀呈圓形或橢圓形(圖2a).粒徑主要分布在1~2mm.

2.1.2微觀結構 由圖2c可以看出,培養出的好氧顆粒污泥表面較不規則,而接種的厭氧顆粒污泥表面較光滑(圖2b);從微生物組成來看(圖2d~圖2f),接種的厭氧顆粒污泥微生物以球菌為主,培養為好氧顆粒污泥后,微生物以短桿菌為主,外部還包裹著大量絲狀菌.可見,厭氧顆粒污泥在培養為好氧顆粒污泥后,其外觀和內部組成均發生了較大變化.另外,絲狀菌上面附著有很多硫粒(圖2f),說明反應器中有單質硫生成.

圖2 接種污泥與好氧顆粒污泥SEM照片Fig.2 SEM photographs of the inoculated sludge and aerobic granular sludge

圖3 顆粒污泥培養過程中MLSS與SVI的變化Fig.3 Variation of MLSS and SVI in the process of cultivating aerobic granules

2.1.3沉降性能 由圖3可知,由于好氧顆粒污泥增長很快,反應器中MLSS在不排泥的情況下逐漸增加;SVI值先增加再逐漸降低.前期由于厭氧顆粒污泥的解體和絮狀污泥的增長,使污泥沉降性變差,SVI值升高;隨著好氧顆粒污泥的形成,污泥沉降性逐漸提高,SVI值又開始下降.顆粒污泥達到成熟后,MLSS約3.9g/L,SVI值保持在30~ 40mL/g,沉降性良好.

2.2污染物去除效果

由圖4a可見,當硫化物負荷從0.15kg/(m3·d)逐步提高到0.9kg/(m3·d)時,出水硫化物濃度均小于檢出限.硫化物去除率保持在99%以上,其去除率在好氧顆粒污泥形成前后,變化不大.

由圖4b和圖4c可以看出,當COD和NH4+-N負荷分別保持在1.65,0.17kg/(m3·d)時,在反應器運行第6d,出水COD和NH4+-N濃度分別為227, 25.70mg/L,COD去除率只有58.73%,NH4+-N去除率為53.27%.隨著厭氧顆粒污泥向好氧顆粒污泥的轉化,COD和NH4+-N去除率不斷提高,在好氧顆粒污泥形成之后,出水COD濃度保持在80mg/L左右,去除率>80%;出水NH4+-N濃度小于1.0mg/L,去除率>98%.

當進水硫化物負荷提高時,COD去除率在提高負荷初期略微下降,但隨著好氧顆粒污泥對高硫化物的適應,COD去除率又能逐漸恢復到約80%;硫化物對NH4+-N的影響同樣也發生在提高負荷初期,使NH4+-N去除效率稍下降,但對NH4+-N去除效果影響不大.說明進水硫化物負荷提高對COD和NH4+-N的去除效果影響不大.

圖4 硫化物、COD和NH4+-N去除效果Fig.4 Removal efficacy of S2-, COD and NH4+-N

2.3討論

圖5 SBR反應器典型周期內COD、NH4+-N、NO3--N、S2-、SO42-、DO和pH值的變化Fig.5 COD, NH4+-N, NO3--N, S2-, SO42-, DO and pH value profiles in a typical cycle of the SBR

硝化細菌對有毒物質非常敏感[17-18].竺美等[19]采用一體式厭氧-好氧流化床反應器進行同步脫氮除硫實驗研究時發現,當好氧區進水硫化物濃度>15mg/L時,將對硝化過程產生一定的抑制作用,NH4+-N去除率降至12%~30%.本實驗在進水硫化物濃度高達300mg/L時,NH4+-N去除率仍>98%.為分析其原因,實驗研究了SBR反應器內一個代表性周期好氧顆粒污泥脫氮除硫過程中各參數的變化規律,結果見圖5.

由圖5可見,硫化物的去除主要發生在前20min內,進水pH值為8.0,可忽略揮發到空氣中的H2S[20],根據SO42-的濃度變化分析可知,硫化物氧化的產物前20min主要是S0,約占產物的60%,圖3f中絲狀菌上的硫粒也說明有S0生成.隨著反應的進行S0逐漸被氧化為SO42-,由于試驗中曝氣量較大,去除的硫化物幾乎全部被轉化為SO42-.由S2-變為S0是一個產堿的過程,反應器內pH值由8.0快速升至8.33;在30~120min,由于S0逐漸被氧化為SO42-,同時硝化過程需要消耗堿度,致使反應器內pH值緩慢下降.120min之后,硫化物幾乎全部轉化為SO42-,大部分NH4+-N也被去除,使系統pH值又開始緩慢上升.

由NH4+-N的去除過程可以看出, NH4+-N的去除主要發生在30~120min,產物主要是NO3--N, NO2--N濃度極低,圖5中沒有顯示.由NH4+-N和NO3--N的變化過程分析可知, NO3--N的生成量小于NH4+-N的去除量,說明NH4+-N被硝化細菌氧化為NO3--N后,又被反硝化細菌利用進行了反硝化,即系統中發生了同步硝化反硝化過程.DO與NO3--N的變化過程還可以看出,系統的DO對同步硝化反硝化影響較大.反應前30min,由于硫化物的快速氧化和COD的大量去除,使系統DO消耗很快,DO濃度維持在3mg/L以下,反硝化菌在低DO下表現出較強的活性,從而表現出較強的反硝化作用;30min之后,DO濃度逐漸升高,使反硝化菌的活性有所抑制,反硝化作用減弱.

分析硫化物和NH4+-N的去除過程可以得出,硫化物在NH4+-N去除之前被快速氧化,從而避免了硫化物對硝化細菌和反硝化細菌產生毒害作用.同時,由好氧顆粒污泥的結構可以看出,好氧顆粒污泥表面纏繞大量的絲狀菌,在絲狀菌里面分布著桿菌,這種層狀的結構特點,使硫化物在顆粒內的擴散受到限制,從而使位于顆粒內的硝化細菌和反硝化細菌所接觸的硫化物濃度有限,而不致喪失活性.

3 結論

3.1以厭氧顆粒污泥為種泥,采用人工模擬含氮含硫廢水在SBR反應器中通過30d的馴化培養,獲得好氧顆粒污泥.好氧顆粒污泥粒徑以1~2mm為主,SVI保持在30~40mL/g.掃描電鏡觀察可知,接種污泥微生物組成以球菌為主,轉變為好氧顆粒污泥后,微生物以短桿菌為主,外部還包裹著大量絲狀菌.

3.2當進水COD和NH4+-N負荷分別保持在1.65,0.17kg/(m3·d),硫化物負荷從0.15kg/(m3·d)逐步提高到0.9kg/(m3·d)時,好氧顆粒污泥對硫化物、COD和NH4+-N均表現出較好的去除效果,去除率分別為>99%、>80%和>98%.

3.3通過對一個典型周期內COD、NH4+-N和NO3--N、S2-和SO42-、DO和pH值的變化情況及好氧顆粒污泥結構分析認為,在高硫化物濃度下,反應器仍然表現出良好的脫氮效果可能是由好氧顆粒污泥的層狀結構和硫化物能先于NH4+-N快速氧化的特點決定的.

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Cultivation and characters of the aerobic granules for ammonium and sulfide removal in SBR system.

SU Cai-li, YU Yong-chang*, REN Tian-bao, ZHANG Sha-sha, TIAN Yuan (Key Laboratory of Renewable Energy, Ministry of Agricultural, College of Mechanical and Electrical Engineering, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China). China Environmental Science, 2010,30(4)：522~526

X703.1

A

1000-6923(2010)04-0522-05

蘇彩麗(1975-),女,河南寶豐人,工程師,河南農業大學機電工程學院博士研究生,主要從事廢水的生物脫氮除硫研究.發表論文4篇.

2009-09-08

* 責任作者, 教授, yych@henau.edu.cn