梯度进水对好氧颗粒污泥特性及番茄酱废水去除性能的影响.pdf

收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金项目()作者简介:肖 飞()男四川绵阳人硕士研究生研究方向为污水处理:.通信作者:王维红()女新疆奇台人教授硕士研究方向为污水处理:.:./.():梯度进水对好氧颗粒污泥特性及番茄酱废水去除性能的影响肖 飞王维红(新疆农业大学 水利与土木工程学院乌鲁木齐)摘 要:新疆番茄酱生产过程中产生的废水具有浓度高、处理难度大、易污染地表水等特点研究降解该废水处理技术具有重要意义 在室温下接种絮体污泥于间歇式活性污泥反应器()和 中以人工配制番茄酱废水为进水基质采用阶梯式进水 浓度方式培养好氧颗粒污泥()探究进水 浓度变化对 形态、污泥理化特性及除污效能的影响 结果表明:梯度进水 浓度固定为 /和 中污泥完全颗粒化后颗粒粒径分别为 和 、对番茄酱废水中、和 平均去除率分别为.、.、.和、.、进水 浓度为、/时颗粒形态由丝状菌骨架、孔洞结构和块状聚集体构成 氨氧化菌()和硝化菌()主要存在于小粒径 的外层和次外层聚磷菌()和聚糖菌()主要存在于反应器底部的大颗粒污泥中 在梯度进水 浓度不变下高浓度的进水 有助于 的快速形成及富集脱氮除磷的微生物菌群提高了系统脱氮除磷的性能关键词:好氧颗粒污泥()梯度进水除污性能 反应器番茄酱废水中图分类号:文献标志码:文章编号:()开放科学(资源服务)标识码():():.().()()./.:(.)(.)./.()()()()第 卷 第 期长 江 科 学 院 院 报.年 月 .:研究背景新疆作为番茄酱主要生产基地向国内外销售番茄酱约占全球总销售量的/根据历史数据可知每生产 番茄酱就会产生约 的废水其中化学需氧量()质量浓度为 /生化需氧量()质量浓度为 /质量浓度为 /固体悬浮物()质量浓度为 /新疆番茄酱生产产生的废水处理方法主要有生化法和物化生化法但在运行过程中存在较多问题如工艺启动周期长、微生物培养耗时费力与番茄酱生产周期短、废水量大等相冲突导致排水水质不满足城镇污水处理厂污染物排放标准()一级 标准 同时设备维护投资大设施利用率低也会影响生产企业治理废水的积极性 随着工业化的不断发展好氧颗粒污泥()逐渐成为不同性质废水处理的研究热点具有广阔的应用前景 可用于处理城市污水、印染料废水、高浓度有机废水、有毒有机废水、重金属废水、核废料废水以及部分工业废水 番茄酱加工废水具有季节性特点排放的有机废水浓度较高容易对地表水造成污染 因其沉降性好、生物量高、抗冲击负荷能力强、占地面积小也被用于处理番茄酱加工废水 然而绝大部分的研究仅探究了 对番茄酱加工废水的处理效能而以番茄酱加工废水为基质的 快速启动的研究相对较少 王燕杉等采用人工合成番茄酱加工废水为基质通过逐步提高 方法培养发现培养出的颗粒污泥为椭球状但颗粒污泥形成时间较长 此外 等采用相同的方法培养 发现形成后的 具有良好的结构稳定性和有效的去除效果 研究还发现进水负荷的变化会影响微生物群落的动态变化从而影响 的性能李冬等探究了不同进水方式(梯度、快速和慢速进水)对间歇式活性污泥反应器()中污染物去除效能发现梯度进水方式对废水中 和 的去除率均高于 且形成颗粒的速率较快弥补了纯采用进水有机负荷培养 的缺陷也有利于微生物的富集基于此本文采用高径比/为 的 共设置两组初始进水 浓度条件考察梯度进水方式下污泥颗粒在处理番茄酱废水过程的形态结构、污泥理化性质及污染物质去除性能的变化规律对进一步了解 的形成机理优化 培养进水 浓度条件具有一定的实际参考价值 材料与方法.试验设计与材料试验采用/为 的 有效体积 排水比 如图 所示 采用微孔式曝气曝气流量/时间控制器自动控制运行周期包括进水()曝气(增至 )沉降(降至 )出水()共 S B R图 工艺装置示意.采用某城市污水处理厂曝气池的污泥作为接种污泥污泥浓度为 /培养水质为人工合成的番茄酱废水颜色为鲜红色以氯化铵()和磷酸氢二钠()分别作为氮源和磷源无水碳酸钠()调节 值使其控制在.之间 进水桶底部设置单管曝气泵维持进水桶内番茄酱废水浓度的均匀性 试验共设 个处理组编 长江科学院院报 年 号为 和 进水 浓度变化周期为 浓度梯度固定为/、保持进水、浓度分别为()、()/和()、()/其他运行参数及进水水质见表 进水水温为室温表 反应器各阶段的运行参数及进水水质变化 阶段运行时间/污泥沉降时间/曝气时间/进水 浓度/().分析方法.指标测定、总氮()污泥指标污泥容积指数()、混合液悬浮固体浓度()和混合液挥发性悬浮固体浓度()的测定均采用国家环保总局规定的标准方法污泥形态、扫描电子显微镜()、激光共聚焦图像分析均参考冯殿宝的方法.颗粒粒径测定絮状污泥直径测定先采用数码显微镜拍照再用 图像处理软件进行计算颗粒污泥直径测定使用体视显微镜及直尺测定.胞外聚合物()的提取与测定污泥胞外聚合物()、蛋白质()和多糖()分别采用甲醛 法提取、法以及硫酸蒽酮法测定 其中 和 测定分别以牛血清蛋白和葡萄糖作为标准物质.荧光原位杂交技术()操作步骤()对采集的泥样和载玻片进行预处理()杂交反应 将吸水纸放于封闭的杂交盒中用无探针杂交溶液润湿 取 杂交液和 探针溶液涂抹于载玻片 混合溶液与预处理后的样品在 下进行杂交 总细菌和硝化细菌杂交时间为 其余为 操作过程应避光处理()洗脱液置于 水浴中进行预热 随后将载玻片浸入含洗脱液的干燥杂交盒中遮光密闭洗脱和漂洗()染色 在杂交样品上滴入浓度为/的 染色 用甲醇漂洗加上盖玻片用密封剂密封室温干燥()干燥后立即使用荧光显微镜观察 波长分别设置为、试验结果分析.污泥特性变化.颗粒污泥形态的变化梯度进水 浓度下培养的成熟 宏观形态如图 所示 试验采用的接种污泥呈黄褐色肉眼观察其形态结构较疏松多为絮状初始直径约为 图 梯度进水 浓度下培养的成熟 宏观形态.由图 可知 中絮状污泥培养至第 天时污泥颜色呈淡褐色运行至第 天时缩短污泥沉降时间为 反应器内逐渐出现肉眼可见的细小微粒物直径在 之间平均粒径为 微粒物四周较扁平以及出现颗粒化但微粒物的占比较小而 内污泥状态未发现明显变化在第 天左右通过体式显微镜可观察到细小微粒物逐渐转化成淡黄色粒状颗粒颗粒沟壑明显且结构致密直径范围在 之间 后淡黄色颗粒直径增加到.直径范围 的粒径占.平均粒径为 颗粒轮廓更加清晰表面光滑且达到成熟 同理 在运行至第 天时有初生颗粒形成直径范围在 之间颜色呈橙色为砂状颗粒 随着 运行周期的增加颗粒粒径逐渐增大到第 天时缩短污泥沉降时间()污泥颗粒呈浅褐色表面光滑直径范围在 之间此时 和 处理均基本实现污泥颗粒化但 中颗粒粒径比 的小 各处理基本实现颗粒化后再次缩短沉降时间()和 中的颗 第 期肖 飞 等 梯度进水对好氧颗粒污泥特性及番茄酱废水去除性能的影响粒完全成熟 的成熟颗粒呈浅黄色颗粒沟壑明显且表面光滑部分污泥颗粒可以清晰地观察到内部存在暗深色的颗粒晶核 的成熟污泥颗粒呈橙黄色颗粒外侧边缘与泥水分界面清晰颗粒形状稍有棱角.颗粒污泥的 图像分析采用扫描电镜对 和 中颗粒污泥的微观结构进行观察微观结构如图 所示 由图 可知 中刚成熟的颗粒呈孔洞状结构 中完全成熟时呈块状聚集体颗粒表面附着大量的杆菌和球菌 中成熟颗粒呈丝状菌结构 孔洞状结构可促进外界有机物和溶解氧向颗粒内部细菌提供代谢能量还能够更好地与细菌内源代谢物进行传输避免出现颗粒污泥因传质阻力造成 稳定性失衡的问题 块状聚集体留有一定缝隙与孔洞有助于营养物质与代谢产物的运输传质 丝状菌骨架可与 协同作用形成 内部的层状结构以及颗粒内部微生物的聚集生长有利于 的顺利形成与稳定存在(a)R 1(b)R 1(c)R 2图 和 系统中成熟污泥颗粒的微观结构.污泥沉降比、污泥沉降指数及污泥生物量的变化 颗粒污泥的污泥容积指数、污泥沉降比及污泥生物量的变化情况如图 所示 从图()可以看出阶段污泥沉降时间为 、的 均高于 /污泥的沉降性能较差阶段将污泥沉降时间缩短至 开始降低、的、分别下降至.、./和05 01 0 01 5 02 0 02 5 001 02 03 04 05 06 07 005 01 0 01 5 02 0 02 5 0R 10.00.51.01.52.0R 20.00.51.01.52.01.53.04.56.07.59.01 0.501 02 03 04 05 06 07 01.53.04.56.07.59.0ML S SML V S SR 14 05 06 07 08 09 01 0 0ML V S S/ML S SR 202 04 06 08 01 0 0S V I5/S V I3 0污泥体积指数S V I/(m Lg-1)ML V S S、ML S S 浓度/(gL-1)(ML V S S/ML S S)/%0运行时间/d运行时间/dS V I5S V I3 0S V I5/S V I3 0(a)S V I5S V I3 0(b)ML S S ML V S S:S V I 5 S V I 3 05 3 0 m i n1 g图 颗粒化过程中、和 浓度的变化.、./中污泥沉降性能较差阶段污泥沉降时间再次降低至 、均低于/阶段污泥继续颗粒化各处理 最终分别保持在 /和 /左右 各处理/在前 呈波动状态/均在.左右第 第 天稳定在.之间第第 天从.降低为.之后稳定在.表明仅需 污泥可完全沉降由()可以看出接种污泥 周后、中 浓度分别从 /降低至 、/随后便明显增加但、运行至第 天 浓度均出现下降趋势 分析原因是:在此阶段进水 浓度恰好增加系统在高有机负荷条件下来不及适应破坏了污泥和有机底物的相对稳定造成丝状菌过度增殖污泥从上端引流口溢出 浓度下降 其次在污泥培养过程中缩短污泥沉降时间()沉降速度较差的絮体污泥不断被排水阶段排出污泥流失严重污泥浓 长江科学院院报 年 度下降 同时缩短污泥沉降时间还会促进 的形成但是污泥颗粒的形成速度低于排泥速度因此也会造成系统 浓度降低的现象 颗粒污泥成熟后 中 浓度达到 /中 浓度达到 /两者均处于最大值 浓度变化趋势与 浓度较为相似、中 浓度的最大值分别为 、/、中/比值整体呈上升趋势其中 从.增加到.从.增加到.最终挥发比保持在.以上综上所述 和 的污泥体积指数、污泥沉降比及污泥生物量均有不同程度的差异这与有机负荷()有关 在活性污泥培养初期 和 对应 分别为.、./()随后提高各处理运行至阶段时 分别提高至.、./()反应器内出现白色絮状污泥其沉降性能变差 为了防止絮状污泥在基质竞争中占据优势采取人工排泥方式导致污泥沉降比和污泥生物量出现了差异 而在污泥体积指数方面 和 变化趋势较小主要表现在颗粒培养初期 各处理在低 条件下运行 天后 污泥出现沙化沉降性能明显改善但 污泥沉降性能没有显著改善 当提高 进水 浓度后微生物增殖形成微小聚集体污泥沉降性能呈现骤变.荧光染色图 为 中(蛋白质、多糖)的荧光染色分布情况 从图 可以看出 的 分布情况较明显蛋白质和 多糖含量较高且分布广泛主要构成 的骨架颗粒结构相对密实存在分层现象其次多糖的荧光显色度较弱分布在颗粒表面少量分布在颗粒内部总细胞积聚在颗粒的内部 与 相比 中蛋白质的含量最多贯穿于整个切片同时 多糖的荧光显色度增强总细胞和 多糖分布在颗粒的外边缘 由此可以推断不同进水浓度对颗粒污泥 的分布情况存在差异但构成颗粒污泥的骨架基本以多糖和蛋白质为主这是因为 可以通过“吸附架桥”效应使微生物群体形成三维空间结构同时促进了微生物紧密结合并进行生化作用颗粒污泥结构也更坚固.对番茄酱废水处理效能研究.去除效果图 为各处理中进、出水 浓度及 去除率的变化 由图 可知阶段时 和 的进水 浓度分别在 /和 /左右运行前期污泥处于驯化阶段生物量低且活性差、图 中蛋白质和多糖的荧光染色分布情况.图 各处理中进、出水 浓度及去除率的变化.分别对 平均去除率为.和.对 的去除性能不显著 随后各处理缩短污泥沉降时间增大进水有机负荷运行 周左右阶段末期的出水 降至 /阶段 时 和 的进水 浓度分别升至 /和/左右 出水 浓度在/以下平均去除率为.出水 浓度在 /以下平均去除率为.说明各处理具有良好的除碳性能及抗高有机负荷能力 这是因为进水有机负荷的变化导致反应器中出现贫富营养交替形成选择压力促进絮状污泥的聚集生长并向 转化 初步形成的 微生物活性较强对废水中 第 期肖 飞 等 梯度进水对好氧颗粒污泥特性及番茄酱废水去除性能的影响有机碳降解效率升高使得出水 逐渐降低 去除率不断提高 在阶段 各处理对 去除率均在 以上去除效果相当同时、分别在第 天和第 天出现大量颗粒污泥说明颗粒化程度对废水中 的去除效果影响较小真正原因可能是反应器中存在不同类型的微生物这些微生物单独或共同作用促进了 的去除效果 在阶段 初期由于反应器短时断电 沉淀在反应器底部阻塞排水系统造成部分颗粒污泥溢出 去除率下降经过交变负荷调整 和 的平均 去除率分别稳定在.和 图 各处理中进、出水、出水、浓度及 去除率变化.、去除效果图()为进、出水 浓度及 去除率的变化情况 由图 可知在反应器运行初期(内)、出水 浓度均高于 /去除率相对较低分别为.和.但 去除率整体呈上升趋势 在刚进入阶段(第 天)的 去除率显著下降这有可能是反应器中污泥颗粒的初步形成小颗粒受到曝气作用增加了颗粒之间的碰撞频率导致小颗粒的表层部位被破坏影响氨氧化菌()的生存环境 自第 天后 去除率趋于稳定去除率始终保持在 以上 在阶段 和 时 去除率有一定波动平均去除率略低于 这是因为随着进水 浓度的突然增加需要适应新的营养环境 运行 后去除率达到 以上此时 与 的去除性能接近直至系统稳定后的 去除率约为.在整个反应器支行中 和 的平均 去除率分别为.和.对 去除率更高且波动较小去除性能良好这是由于:具有更高的进水有机底物充足的有机基质使得微生物快速生长同时伴随对 同化利用的提高促进了 的高效去除 中 结构更为致密内部传质较好 采用 试纸测定中废水的 值为.为.中更适宜硝化菌生长、中 去除率在颗粒污泥培养第 天和第 天后趋于稳定平均去除率分别高达和 但 对 去除效果低于 这是因为 成熟颗粒污泥由丝状菌骨架构成颗粒内部含有大量丝状菌由于反应器存在溶解氧()梯度渗入到颗粒内部破坏了颗粒内部的缺氧环境反硝化作用随之减弱导致 去除不佳在反应器接种初期、出水中存在大量 和 积累絮状污泥的氨氧化性能较差反硝化能力有限(见图 中()和()随后反应器在运行期间、出水 浓度呈显著下降趋势、出水 浓度在./和 /之间直至各处理出现颗粒污泥后出水 浓度基本保持“检出线”以下.去除效果 培养过程中各处理中 浓度及去除率变化如图 所示 由图 可以看出各处理经“空载曝气”驯化后 的去除率分别在.和.左右 在阶段 进水 浓度较高有机质和营养源较丰富聚磷菌()在选择压作用下迅速生长、增殖系统对 的去 除 呈 上 升 趋 势 去 除 率 在.之间 相反尽管 也增加了进水 浓度但由于有机质较低丝状菌大量增殖导致污泥膨胀系统对 的去除呈波动状态 在阶段各处理均出现大量细小的微粒物 的去除率上升至 以上 而 对 的去除速率更快可能是与 中颗粒粒径有关粒径越小颗粒内部传质阻力越低有利于颗粒内部的 充分利用碳 长江科学院院报 年 图 各处理中进、出水 浓度及去除率的变化.源 在阶段 各处理出水 明显减少浓度均在 /以下这与调整曝气时间有关 随着曝气时间的增加好氧段时间也相应增加在好氧段好氧聚磷菌利用厌氧段储存的 作为碳源以氧原子为电子受体进行代谢同时吸磷使得 浓度迅速降低 运行至第 天 的去除率未因短时断电而发生显著变化这是因为各处理中仍存在对 具有特殊降解作用的菌属这也维持了系统的稳定性颗粒污泥成功启动后各处理对 的平均去除率分别为.和 处理较优.分析在污染物处理之后利用 技术对 内微生物进行剖析结果如图 所示 图 中细菌总数(亚蓝色)、(青色)、(浅青色)、(绿色)和聚糖菌(枚红色)从图()、图()可以看出 主要富集在污泥颗粒的外层 在颗粒的外层和次外层均有富集 和 属于好氧菌成熟的颗粒粒径大比表面积大有助于为这两种菌提供适宜的生长环境这是因为随着颗粒污泥粒径的增大颗粒内部的传质和 受到限制内部结构形成厌氧层和缺氧层以及 浓度相对较低不适合好氧菌生长 同时 比 对 有更强的亲和力在后期培养过程中污泥沉淀时间较短 生长速度较快这也造就了 集中在颗粒的外层优先利图 成熟的 的 图像.用 进行氨氧化反应而 的生长需要依靠 代谢产生的 两者之间的关系使得 紧挨着 生长 张铭川发现在较高的进水 负荷条件下 可以生长到颗粒污泥的更外层 结合、出水 和 浓度可以看出 的降解速率明显高于 印证了上述结论从图()可以看出 是优势菌群 含量相对较少并且发现 主要存在于反应器底部的大颗粒污泥中颗粒粒径越大越有利于 生长且吸收碳源 和 生存在厌氧好氧环境中而 反应器的周期性交替循环过程恰好为 和 提供厌氧好氧环境同时污泥颗粒独特的结构也为其提供了适宜的空间 讨 论 形成较复杂影响因素较多 一般认为/的 反应器利于 形成 本试验采用/为 的圆柱形 颗粒形成时间平均需要 而王瑛等采用相同/的 培养 发现颗粒形成时间为 这与本试验的结果不同 这是因为 中增设等间距水平网板网板的存在改善了反应器内流动环境和絮凝条件为微生物的繁殖和生长提供了适宜的场所同时伴随着生物膜的生长使网板上的过水断面逐渐减小流过网板的水流流速以及 中的水力剪切力逐渐增加在紊流和涡旋的作用下生物膜脱落且相互发生碰撞形成生物絮凝的核心最终形成 第 期肖 飞 等 梯度进水对好氧颗粒污泥特性及番茄酱废水去除性能的影响在本试验中 为间歇式曝气控制表观气速()为./不同 负荷条件下颗粒污泥的 组成成分变化如表 所示表 含量及成分 处理浓度/()/()/()/腐殖酸含量/()总量/().().注:括号内的数值 表示 的起始 浓度由表 可知随着 负荷的增加和间歇式曝气的运行两者相互作用所提供的饱食/饥饿交替有利于微生物分泌 中 具有高黏性能够将细菌结合在一起形成“聚集体”这为颗粒污泥的形成奠定了基础 和 呈现不同的变化趋势而腐殖酸含量均呈现增加的趋势 进水 浓度为 /时 含量低于 进水 浓度为 /时的含量由于 刚形成的 中 含量较低颗粒污泥结构相对疏松主要为丝状菌骨架并且颗粒外形不够光滑 随之提高 负荷 颗粒污泥成熟期的外形得到改善但存在不规则破碎状的颗粒 这是因为丝状菌具有较高的比表面积可以快速吸收进水中的营养物质有助于微生物的聚集/可以反映污泥颗粒化进程的形态变化 从/可以发现当 负荷为 /时/为.比值最小但 总量却达到最大最大值为.此时 中颗粒污泥虽然发生解体现象但颗粒化程度较低较高的进水 浓度仍可继续维持细胞的新陈代谢 解体后颗粒成为絮体污泥比表面积逐渐增大会吸附更多地腐殖酸 腐殖酸浓度增加会抑制微生物活性导致活性污泥的絮凝性能变差细胞表面自由能减弱细菌的黏附力降低微生物难以从水相中脱离从而新生成的颗粒污泥较为松散 因此 的颗粒污泥多为块状结构内部有明显的缺氧或厌氧区域 进一步发现进水 浓度越高颗粒污泥越易形成形成后的颗粒粒径越大且内部形成暗深色区域进水 浓度越低系统内有机物不足以提供微生物的生长微生物处于负营养环境消耗自身能量少量 解体崩溃而新生后的颗粒污泥因无法实现颗粒之间的有效频繁碰撞与剪切作用还会造成颗粒呈现一定棱角从 和 中 对污染物处理可以看出各处理对进水 和 降低较大而对 降低较小 其原因如下:()随着进水 负荷的增加各处理的颗粒污泥内部含有较高的营养物质浓度梯度这为微生物提供了更加多样的微观环境使得微生物生长对 的同化利用较多提高了微生物降解 的能力()在阶段各处理每完成一次 交替颗粒污泥都会受到一定刺激 的分泌将会增加 的颗粒强度随之增强颗粒愈加稳固这有利于颗粒粒径的增加 随着颗粒粒径的增加颗粒中富集了大量的除磷菌 的去除率升高出水 显著降低 相反在整个运行过程中 去除率变化不大 这是因为即使 增加微生物受到有机负荷冲击但微生物具有一定的自我修复能力能够快速适应新环境的变化人工模拟番茄酱废水颜色为鲜红色进水采用蠕动泵方式进水管处于进水桶底部而番茄酱废水会产生色素沉淀大部分集中于进水桶底部造成番茄酱废水浓度不均匀 单管曝气泵存在不足之处曝气强度易受到限制曝气头处于进水桶底部中央局部死角可能还会使得番茄酱浓度不均匀等本文将在后续设置无死角的曝气方式用于进水桶 结 论()以人工配制番茄酱加工废水为进水基质的 系统阶梯式进水 负荷可为微生物储存更多内碳源 启动成功后各处理(、)对废水中、和 的平均去除率分别达到.、.、.、和、.、颗粒污泥初步形成需要 和 时颗粒粒径分别为 和 各处理在此条件下能够稳定运行形成的颗粒污泥形态为块状()和丝状菌骨架()分别稳定在/和 /沉降性能良好 阶梯式进水更有利于生长缓慢的微生物富集各处理生物量可高达 /和 /()蛋白质和 多糖主要构成 的骨架多糖分布在颗粒表面少量分布在颗粒内部总细胞积聚在颗粒的外边缘()成熟的 中存在大量的、和 本研究结果意味着利用 降解番茄酱加工废水时可通过改变 负荷的方式实现硝化细菌和反硝化细菌的靶向生长使得颗粒污泥在好氧 长江科学院院报 年 条件下进行反硝化作用成为可能 同时还可通过控制异养菌来强化 的脱氮除磷效果参考文献:李 冬 魏子清 劳会妹 等.阶梯曝气对城市污水好氧颗粒污泥系统的影响.环境科学():.:./():.:.():.:.江 孟 胡学伟 等.好氧颗粒污泥对、的 吸 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