不同饥饿时间下稳态好氧颗粒污泥系统的特性和动力学分析

Thecharacteristicsandkineticbehaviorsofsteady-stateaerobicgra-nulesunderdifferentaerobicstarvation高大文and刘琳Citation:中国科学:化学41,97(2011);doi:10.1360/032010-97Viewonline::《中国科学》杂志社ArticlesyoumaybeinterestedinPhotochemistryofhypocrellinderivativesunderaerobicconditionsChineseScienceBulletin45,1085(2000);GENERALIZEDFLUIDIZATIONⅠ.STEADY-STATEMOTIONScientiaSinica12,587(1963);CharacteristicsofPb2+biosorptionwithaerobicgranularbiomassChineseScienceBulletin53,948(2008);ACTIVEPOWERSTEADY-STATESECURITYREGIONOFPOWERSYSTEMScienceinChinaSeriesA-Mathematics,Physics,Astronomy&TechnologicalScience33,1488(1990);Generatinglargesteady-stateoptomechanicalentanglementbytheactionofCasimirforceSCIENCECHINAPhysics,Mechanics&Astronomy57,2276(2014);中国科学:化学2011年第41卷第1期:97~104SCIENTIASINICAChimica论文不同饥饿时间下稳态好氧颗粒污泥系统的特性和动力学分析高大文①②*,刘琳①①东北林业大学林学院,哈尔滨150040②哈尔滨工业大学;城市水资源与水环境国家重点实验室,哈尔滨150090*通讯作者,E-mail:[e-mail]收稿日期:2010-02-08;接受日期:2010-05-17;网络版发布日期:2010-09-14doi:10.1360/032010-97摘要较长的饥饿时间是好氧颗粒污泥驯化形成的关键条件.但在稳态颗粒污泥系统中,饥饿时间长短对颗粒污泥的影响还不清楚.因此本实验采用四个序批式反应器(SBR),分别在好氧饥饿时间为1、2、3和4h(R1~R4)条件下运行,研究了饥饿时间对稳态好氧颗粒污泥系统的运行和特性等方面的影响.结果表明:对于稳态的好氧颗粒污泥系统,较长饥饿时间已不是保持污泥颗粒化的关键因素,系统在饥饿时间缩短后依然会保持污泥颗粒化和稳定运行效果.四种饥饿时间条件下反应器中COD去除效果没有表现出明显差异,COD平均去除率都几乎为98%以上.但在不同饥饿时间条件下,好氧颗粒污泥的性质有很大差别.在35天实验运行中,与较长饥饿时间相比,饥饿时间的缩短会使污泥中胞外聚合物含量降低,但PN/PS值会提高约6%左右,好氧颗粒直径增大.同时,当饥饿时间大于2h会使颗粒污泥中丝状菌过度生长,SVI30值升高约1.5倍,并且导致颗粒的物理性质降低.但是,动力学分析指出R1~R4的有机污染物降解速率在0.25~0.29h−1之间,较短饥饿时间的系统虽具有较高的qmax值,可是并不明显.并且R1~R4系统的饱和常数(K)和产率系数(Y)分别在5.39~8.45mg/L和0.391~0.746kgMLVSS/kgCOD,较短饥饿时间的系统会具有较高的COD出水浓度和剩余污泥产率.综上,好氧颗粒污泥驯化成功后,稳态的颗粒污泥系统不再需要在较长饥饿时间条件下运行,可以适当缩短反应时间,这不仅仅可以节约运行成本,降低不必要的能源消耗,还可以使系统具有较高的稳定性能.关键词好氧颗粒污泥饥饿时间SBR动力学污水生物处理1引言目前,好氧颗粒污泥技术日益成为废水生物处理领域中的研究热点[1].相比传统的活性污泥系统,好氧颗粒化污泥具有良好沉降性能,可使反应器保持较高的污泥浓度和容积负荷.同时,由于好氧颗粒污泥的形态结构,使其具有更好的脱氮除磷能力[2~4].在好氧颗粒污泥的培养过程中,研究者大多采用的都是SBR工艺.SBR工艺在运行过程中存在基质充足期和好氧饥饿期两个阶段,有机物在基质充足期内被基本降解完成后,系统内的微生物便开始处于好氧饥饿期.众多研究表明饥饿时间在好氧污泥颗粒化过程中起着极为重要的做用,较长的好氧饥饿时间是污泥颗粒化的关键条件[5,6].但是,在颗粒污泥形成并稳定后,在颗粒污泥系统中较长的好氧饥饿期是否仍为关键运行条件的研究还未见报道.DownloadedtoIP:192.168.0.24On:2019-03-3110:20:05高大文等:不同饥饿时间下稳态好氧颗粒污泥系统的特性和动力学分析98好氧饥饿时间对稳态颗粒污泥系统运行效果和稳定性能的影响也不清楚.本研究分别以1、2、3和4h时分别作为稳态颗粒污泥系统的饥饿时间,在维持相同的入水基质、曝气量、温度等因素的条件下,研究了SBR中饥饿时间对稳态好氧颗粒污泥系统的运行效果方面的影响,分析了在饥饿时间不同条件下好氧颗粒污泥的物化性质方面的差异,以期为好氧颗粒污泥技术在实际中的应用提供理论依据.2材料与方法2.1实验装置与材料实验采用SBR反应器,反应器高60cm,直径22cm,有效容积12L.采用鼓风曝气,转子流量计调节曝气量,维持曝气量在0.4m3/h,运行温度控制为24±1℃.实验接种污泥取自前期成功实现好氧污泥颗粒化的反应器.接种污泥颜色为黄色,SVI值约为33,MLVSS/MLSS为90.5%,接种污泥浓度为3000mg/L.实验用水采用人工配置,配水组份见表1.由于实验采用人工配水,因此进水基质的波动很小.并且因为进水硝态氮和亚硝态氮含量很低,可以忽略不计,所以反应器中氮素主要来源于入水的氨氮.表1试验模拟废水配置组分进水成分浓度(mg/L)微量元素浓度(mg/L)COD(C6H12O6)420~450CaCl2100N(NH4Cl)32~36MgSO4·7H2O100P(K2HPO4)5~7FeCl350NaHCO3250CuSO4502.2实验方法实验以活性污泥系统中COD去除进入难降解阶段为饥饿时间的起始点.R1~R4的饥饿时间分别为1、2、3和4h.根据此设置,四个反应器运行方式如图1图1四个SBR反应器的运行方式所示.2.3分析项目和方法实验中COD、氨氮、SVI、MLSS、含水率等测定均按照国家环境保护总局颁发的标准方法进行分析[7].好氧颗粒污泥图像观察采用奥林巴斯CX31光学显微镜.颗粒污泥粒径分析采用湿式筛分析法[8].胞外聚合物(EPS)采用加热法提取[9],多糖(PS)和蛋白质(PN)含量分别采用苯酚-硫酸法[10]和Lowry法测定[11],EPS含量为PS和PN含量之和.好氧颗粒污泥的机械物理强度用完整系数表示[12].沉降速率的测定采用重力沉降法[13].污泥湿密度采用离心法测定[14].3结果与讨论3.1饥饿时间对稳态好氧颗粒污泥系统运行效能的影响有机物降解效果是污水生物处理系统运行稳定的重要表征.反应器运行阶段R1~R4的出水COD浓度一直低于7mg/L,去除率几乎都保持在98%以上,不同饥饿时间条件下反应器中的COD降解效果没有表现出任何差异.由此可见,当进水COD浓度不变时,4个反应器都可长期保持对COD稳定高效的去除效果.在30天运行中,四个反应器中NH4+-N的去除率几乎都保持在80%以上,并且去除率波动皆小于10%,可见好氧饥饿时间不会影响氨氮降解的稳定性.但是,四个反应器在进水氨氮浓度相同的情况下氨氮的去除效果略有差异,R1~R4反应器中NH4+-N的平均去除率分别为83.6%、85.2%、87.7%和88.2%,可见氨氮去除效果会随着饥饿时间延长而增强.此结果与先前的研究结论相似,在污水生物处理系统中,氮素的去除效果和SBR反应器的运行时间成正比关系[15].因此,较长好氧饥饿时间的存在有利于反应器中较高的氮素去除效果.3.2饥饿时间对颗粒污泥性状的影响3.2.1饥饿时间对颗粒污泥形态的影响反应器运行第30天对好氧颗粒污泥的结构进行观察(图2),从图片可见,四个反应器中污泥依然保持完好的颗粒化形态,没有出现好氧颗粒解体现象.DownloadedtoIP:192.168.0.24On:2019-03-3110:20:05中国科学:化学2011年第41卷第1期99图2不同饥饿时间下好氧颗粒污泥的形态(bar=2mm)但较长饥饿时间条件下颗粒污泥的颜色从开始时的黄色转变为白色,并且R3和R4中颗粒表面出现了大量肉眼可见的丝状菌.而较短饥饿时间条件下颗粒污泥形态依然保持紧致密实结构,没有发现丝状菌过度生长的现象.关于引发丝状菌的过度生长的因素有很多,例如温度、pH、营养物质比例、溶解氧等.但在本实验中除了饥饿时间不同,四个反应器运行方式和因素都保持一致.并且反应器运行31天后,将R3和R4的运行时间缩短,使两个反应器的好氧饥饿时间保持较短的水平(约为1h).实验发现R3和R4中SVI30值不再有明显上升趋势,并保持在相对稳定状态.Liu等[16]也指出在底物基质缺乏阶段(即好氧饥饿时间)拥有较大比表面积、耐低营养等特点的丝状菌群会在反应器内占据优势.因此,较长好氧饥饿期的存在会导致丝状菌过度生长,从而不利于稳态好氧颗粒污泥系统的沉降性能.3.2.2饥饿时间对胞外聚合物(EPS)的影响目前,EPS被广泛的认为对污泥颗粒化和好氧颗粒污泥的稳定性能起到重要的作用[17,18].EPS是微生物(主要是细菌)在一定环境条件下所分泌的有机黏性物质,它的成分为蛋白质、多糖、腐殖酸、核酸、脂类物质和许多杂聚物如糖蛋白等,其中以多糖(PS)和蛋白质(PN)为主要成分[19].图3为不同饥饿时间条件下好氧颗粒污泥中EPS的变化情况.在实验启动时,R1~R4的接种污泥相同,其蛋白质和多糖含量分别为58.74mg/gVSS和23.67mg/gVSS,PS/PN的比值是0.4,EPS成分中蛋白质含量大大高于多糖含量.在反应器运行5天后,R1~R3中多糖和蛋白质含量都存在降低,而R1中EPS降低趋势更为明显.但在之后运行中,各个反应器中多糖和蛋白质含量不再发生明显变化,EPS含量都保持相对平稳趋势.R1~R3中分别维持在67.07~71.16mg/gVSS、71.36~75.92mg/gVSS和74.54~81.49mg/gVSS.相比之下,R4中多糖和蛋白质含量变化不大,EPS含量长期保持着接种污泥的含量水平,并略有提高(82.41~87.68mg/gVSS).由此可见,在稳态好氧颗粒污泥系统中,污泥EPS含量并不是稳定的,其会明显受到运行条件的影响.活性污泥中EPS含量与饥饿时间成正比关系,较长好氧饥饿期会使颗粒污泥中EPS的含量维持在较高的水平.在好氧颗粒污泥培养阶段,较长的饥饿时间会刺激微生物分泌大量的EPS来应对饥饿状态,从而提高微生物之间的凝聚能力,促进颗粒化的形成[20,21].但较高的EPS分泌量对稳态好氧颗粒污泥系统的影响并不明确.在好氧颗粒污泥密实结构中分布着许多孔隙,这些孔隙可以为颗粒内层细菌提供营养