解體好氧顆粒污泥修復

王 新 華, 張 捍 民, 楊 鳳 林, 王 永 飛, 高 明 明

(1.大連理工大學工業生態與環境工程教育部重點實驗室,遼寧大連 116024;2.山東大學環境科學與工程學院,山東濟南 250100)

0 引 言

好氧顆粒污泥具有生物致密、沉降性能好、生物活性高以及抗沖擊負荷能力強等優點,因此,近年來關于好氧顆粒污泥的培養條件、形成機理、結構特性及降解功能的研究成為眾多學者探討的熱點[1～5].然而,好氧顆粒污泥穩定性較差,限制了其在廢水處理工程中的實際應用[6～8].

到目前為止,已有很多學者開始關注如何提高好氧顆粒污泥的穩定性[9～11],但關于已解體的顆粒污泥如何修復卻鮮有報道.本文從如何修復解體好氧顆粒污泥的角度出發,考察加入新的活性污泥使解體好氧顆粒污泥完成修復的可行性.

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

實驗采用氣提式內循環間歇反應器(SBAR),有機玻璃制作,圓柱形,高100 cm,有效容積2.5 L.內管直徑4 cm,高 70 cm;外套沉降管直徑8 cm,高80 cm.空氣從反應器底部用空氣壓縮機充入,氣體流量由氣體流量計控制.污泥被氣流帶動在上升管中向上運動,在上升管管頂進入沉降管,然后向下沉降運動,至反應器底部再次進入上升管,從而在反應器內部形成循環流動形式.排水口在反應器底部高40 cm處,并且在反應器底部高10 cm和20 cm處設有可換排水口.實驗裝置如圖1所示.反應器進水、曝氣、沉降時間等均由雙時間繼電器自動控制,循環時間為6 h,其中進水為2 min.為避免實驗初期新加入的活性污泥大量流失,初始沉降時間ts設為40 min,然后逐漸減少到1 min(圖2),排水1 min,其余均為曝氣時間.曝氣量為0.1 m3/h,相當于表觀氣體流速為1.8 cm/s.反應器于室溫(18～30℃)條件下運行.

1.2 接種污泥及進水水質

保留反應器中原有解體的顆粒污泥1 L,MLSS為4266 mg/L;加入新的活性污泥1 L,取自大連市春柳河污水處理廠,MLSS為5000mg/L,SVI為 170 mL/g,污泥粒徑均在0.1 mm以下,呈絮狀結構.

圖1 SBAR裝置圖Fig.1 Schematic diagram of SBAR

圖2 沉降時間和進水濃度的操作變化Fig.2 Operation of stepwise decreasing settling time and increasing substrate concentration

進水采用模擬廢水,分別以乙醇和氯化銨為碳源和氮源,固定COD濃度為500 mg/L,NH+4-N濃度從50 mg/L逐步提高到150 mg/L(圖2).磷酸二氫鉀為磷源,濃度為 22 mg/L;CaCl2·2H2O 、MgSO4·7H2O 、FeSO4·7H2O 和 EDTA的濃度分別為60、12.5、10和20 mg/L;微量元素按體積比1∶1000投加,組成為FeCl3·6H2O 1500 mg/L、H3BO3150 mg/L、CuSO4·5H2O 30 mg/L、KI 30 mg/L 、MnCl2·4H2O 120 mg/L、Na2MoO4·2H2O 120 mg/L、ZnSO4·7H2O 120 mg/L、CoCl2·6H2O 150 mg/L.進水 pH 由碳酸氫鈉調節,保持在7.5～8.5.

1.3 分析項目和方法

MLSS和SVI根據標準方法測定[12];沉降速率(settling velocity,vs)采用重力沉降法測定[11];比耗氧速率(specific oxygen utilization rate,Rsou)測定采用Liu等所述方法[9],異養菌、亞硝酸菌和硝酸菌的比耗氧速率分別以Rsou,H、Rsou,NH4、Rsou,NO2表示;使用數碼照相機觀察和記錄顆粒形態;使用掃描電鏡(KYKY-2800B,北京)觀察顆粒微觀結構,處理方法如下:①戊二醛固定,②乙醇脫水,③叔丁醇干燥,④冷卻抽真空,⑤離子濺射金(JFC-1100),⑥觀察、照相.

顆粒粒徑用顯微鏡測量,采用Sauter公式計算顆粒平均粒徑,,假設顆粒為規則橢圓形,其中a為長度,b為寬度,n為隨機抽取數.

顆粒相對強度采用修正的Ghangrekar法[13]測定,將顆粒污泥混合液在靜止狀態下沉降1 min,收集沉降的顆粒污泥并用自來水將其稀釋到100 mL,然后在200 r/min下攪拌5 min,攪拌后的混合液靜置沉降1 min,分別稱量上清液和沉降顆粒的污泥質量,求出污泥完整性系數(integrity coefficient,Ci),Ci=沉降顆粒質量/(上清液顆粒質量+沉降顆粒的質量).Ci在一定程度上可表示顆粒污泥強度,Ci越高,強度越大.

2 結果與討論

2.1 解體好氧顆粒污泥的形態變化

實驗開始前,反應器中殘留的顆粒污泥大多為完全解體的顆粒污泥(圖3(a)),解體的顆粒污泥雖然大小不一,但都仍保持清晰的輪廓和較為完整的結構.從掃描電鏡照片看(圖4(a)和(b)),顆粒污泥的中心出現很大的空穴,結構松散,但幾乎沒有發現絲狀菌存在,基本由桿菌和球菌組成.對于粒徑較大、結構密實的好氧顆粒污泥來說,營養物和溶解氧往顆粒污泥內部的傳質受到很大限制,從而導致顆粒污泥內部厭氧區域的存在以及活性生物的死亡,顆粒污泥的內部出現空穴,隨著傳質限制的加劇,空穴逐漸變大,最終導致顆粒污泥的不穩定和解體[7、8].

圖3 污泥形態變化Fig.3 Evolution of sludge

圖4 掃描電鏡照片Fig.4 Scanning electron micrographs

加入新的活性污泥后的第4 d(圖3(b)),肉眼可見一些活性污泥黏附到顆粒污泥上,特別是逐漸填塞到顆粒污泥的空穴中.已有大量研究表明,與活性污泥相比,好氧顆粒污泥具有更高的疏水性,較高的疏水性將誘導和強化細胞間的相互附著[14～16];而活性污泥加入反應器后,在較高的剪切力作用下,活性污泥的疏水性也能夠不斷得到提高[14].好氧顆粒污泥內微生物分泌的胞外蛋白質中氨基帶正電荷,能夠中和活性污泥由于其表面含有可解離的陰離子基團如羥基和羧基等產生的負電荷[17、18].同時由于表面能的作用,固體物質表面具有一定的吸附性能,顆粒污泥容易吸附懸浮液中的絮狀污泥,從而造成團聚;顆粒污泥的空穴部位可以看做是多孔介質,吸附能力更強.以上因素都將導致原有解體顆粒污泥特別是顆粒污泥的空穴對于新加入的活性污泥的吸附.

被吸附的活性污泥在水力剪切力、序批式間歇操作、沉降時間、交替的富營養-饑餓階段等選擇壓力的作用下,逐漸改變其微生物特性,從而和原來的微生物結合為一體,逐步將原始解體顆粒污泥修復.大約3周,幾乎所有的解體顆粒污泥完全被修復(圖4(c)和(d)).被修復顆粒污泥的結構非常規則,表面光滑,生物相十分致密,由大量桿菌和球菌組成.

沒有被吸附到顆粒污泥上的活性污泥也在各種選擇壓力作用下逐漸聚集,最終形成新的好氧顆粒污泥.從第23 d開始反應器中陸續出現大量細小的顆粒污泥,而絮狀活性污泥則逐漸消失.從第42 d由反應器中取出的顆粒照片可以看出(圖3(c)),此時的反應器中幾乎全部由顆粒污泥組成.

2.2 解體好氧顆粒污泥的物理性能變化

隨著原解體好氧顆粒污泥的逐漸修復和新的好氧顆粒污泥的逐漸形成,反應器中出現了粒徑分布截然不同的兩類顆粒污泥(圖3(c)).在整個實驗過程中(0～77 d),大部分新形成的好氧顆粒污泥粒徑都在1.0 mm以下,而原有解體顆粒污泥粒徑都在2.0 mm以上.為單獨考察原有解體顆粒污泥的物理性能,實驗前先用1.5 mm標準篩將它們與活性污泥或新形成的好氧顆粒污泥分離,然后進行粒徑、沉降速率以及完整性系數的測定.

在原有解體好氧顆粒污泥被逐漸修復的前3周,顆粒粒徑沒有發生很明顯的變化,平均粒徑僅從最初的2.8 mm增至2.9 mm(圖5(a)),說明活性污泥在顆粒污泥上的附著主要發生在顆粒的空穴.這是由于在較強的剪切力作用下,反應器中的顆粒污泥與水相和氣相間存在很大的摩擦力,加上顆粒污泥之間的相互碰撞,附著到顆粒污泥表面的活性污泥很容易脫落.相反,附著到顆粒污泥空穴內的活性污泥則會因為剪切力的存在而更緊密地與顆粒污泥結為一體.因此加入新的活性污泥非常適合修復這類存在大空穴的解體好氧顆粒污泥.有趣的是,在解體好氧顆粒污泥被完全修復后的4周內,顆粒粒徑卻有一定程度的增加,這可能是顆粒污泥內微生物的生長繁殖導致的.

圖5 原有解體顆粒污泥沉降性能和強度的變化Fig.5 Evolution of settleability and strength of initial aerobic granules

與顆粒粒徑的變化趨勢不同,隨著活性污泥在顆粒污泥空穴中的逐漸附著,顆粒污泥變得越來越密實,其沉降性能和強度都發生了明顯變化.從圖5可以看出,隨著原解體顆粒污泥逐漸被修復,顆粒污泥的沉降性能逐步改善,到第21 d時沉降速率由原來的72 m/h提高到了96 m/h.在顆粒污泥被完全修復后,隨著顆粒粒徑的增加,沉降速率進一步提高到第49 d時的110 m/h.顆粒污泥強度也發生了相似的變化,經過5 min的磁力攪拌后完整性系數由原來的56.8%提高到第35 d時的65.8%,表明顆粒污泥的強度得到了很大程度的增強.在前7 d時完整性系數的下降可能是剛開始附著到顆粒污泥上的活性污泥尚未與原來的顆粒污泥結合成牢固的整體,在進行完整性系數測定時容易脫落導致的.

3 結 論

(1)在反應器中加入新的活性污泥后解體好氧顆粒污泥可以得到有效的修復.活性污泥逐漸附著到顆粒污泥的空穴中,在各種選擇壓力特別是剪切力作用下和原有顆粒污泥形成一個有機的整體.

(2)被修復后的顆粒污泥呈現非常規則的結構,微生物相十分致密.在修復過程中,顆粒粒徑變化不顯著,而顆粒污泥的沉降性能和強度卻得到了極大的改善.

(3)新加入的活性污泥除了部分用于修復解體顆粒污泥,其余在選擇壓力等的作用下形成了新的好氧顆粒污泥.

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