張海豐，呂 娜，孫寶盛

(1.東北電力大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，吉林吉林132012;2.天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津300072)

廢水生化處理過(guò)程將產(chǎn)生大量的剩余活性污泥，嚴(yán)重威脅周邊環(huán)境，剩余污泥有效處置已成為目前生化處理工藝面臨的重大問(wèn)題［1］。膜生物反應(yīng)器(membrane bioreactor，MBR)是廢水處理及回用領(lǐng)域具有極大競(jìng)爭(zhēng)力的新型工藝，與傳統(tǒng)生化處理工藝相比，MBR工藝可實(shí)現(xiàn)水力停留時(shí)間和污泥停留時(shí)間的分離，因而從理論上而言，MBR工藝可實(shí)現(xiàn)零污泥排放，這對(duì)于污泥減量化具有極大的工程意義。

從生物學(xué)角度而言，污泥有機(jī)負(fù)荷(F/M)直接決定了微生物特性、污泥產(chǎn)量、污泥濃度等指標(biāo)，是MBR運(yùn)行的一項(xiàng)重要參數(shù)。在較低的F/M下運(yùn)行，可降低MBR工藝的產(chǎn)泥率，節(jié)省處理剩余污泥的治理費(fèi)用［2，3］。然而較低的 F/M 值將致使MBR中微生物處于貧營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，該狀態(tài)下可加速微生物的內(nèi)源呼吸過(guò)程，從而引起微生物加速釋放代謝產(chǎn)物，盡管部分溶解性有機(jī)物可被微生物降解，然而部分惰性物質(zhì)累積可能對(duì)微生物活性及污泥混合液可濾性產(chǎn)生影響，從而影響MBR正常運(yùn)行［4］。本文主要研究微生物在內(nèi)源呼吸狀態(tài)下，污泥濃度、微生物活性及污泥混合液可濾性的變化，為MBR工藝運(yùn)用貧營(yíng)養(yǎng)條件實(shí)現(xiàn)污泥減量化提供理論依據(jù)。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

貧營(yíng)養(yǎng)條件下污泥減量化實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。反應(yīng)容器有效容積為10 L，活性污泥經(jīng)淘洗后轉(zhuǎn)移到圖1所示的裝置中。為了減小水分蒸發(fā)，反應(yīng)器上端密封，設(shè)置的機(jī)械攪拌為污泥提供混合動(dòng)力，裝置下端設(shè)置充純氧的氣球，為微生物提供溶解氧。

1.2 運(yùn)行條件

實(shí)驗(yàn)所用的污泥取自天津大學(xué)游泳館中水處理站MBR曝氣池，該中水站進(jìn)水為學(xué)生的洗浴廢水。為了去除污泥混合液中殘留有機(jī)物，將取來(lái)的活性污泥按如下操作進(jìn)行淘洗:首先將污泥靜沉2 h，去除上清液后，加蒸餾水至原來(lái)污泥樣品的體積，機(jī)械攪拌15 min，以進(jìn)一步去除粘附在污泥表面的有機(jī)物質(zhì)。以上的清洗過(guò)程重復(fù)3次后，對(duì)清洗后污泥樣品進(jìn)行分析，表1顯示了污泥樣品清洗前后的污泥指標(biāo)變化。

1.3 分析方法

常規(guī)分析項(xiàng)目:溶解性有機(jī)物(DOC)、污泥濃度(MLSS)、揮發(fā)性污泥濃度(MLVSS)、pH值均采用標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定［5］;

脫氫酶活性的測(cè)定［6］:采用氯化三苯基四氮唑(TTC)－脫氫酶活性測(cè)定法，將待測(cè)樣品振蕩懸浮后加入TTC，樣品混合液于30℃，130 rpm的恒溫水浴振蕩器中培養(yǎng)30 min，待測(cè)樣品取出后加2滴濃硫酸終止反應(yīng)，加入三羥甲基氨基甲烷振搖，離心比色。

修正污染指數(shù)(MFI)測(cè)定:采用死端過(guò)濾實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定MFI值，具體測(cè)定過(guò)程可見(jiàn)文獻(xiàn)［7］中的描述。

表1 污泥淘洗前后性質(zhì)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 污泥濃度變化

圖2反映了淘洗后污泥濃度(MLSS)隨運(yùn)行時(shí)間的變化。由圖2可知，MLSS隨運(yùn)行時(shí)間呈下降趨勢(shì)，其中在前3 d污泥濃度下降顯著。這說(shuō)明微生物在營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)極度匱乏的條件下，強(qiáng)化了內(nèi)源呼吸過(guò)程，大幅度消耗了自身貯存的物質(zhì)，顯著降低了MLSS。由圖2可見(jiàn)MLSS隨運(yùn)行時(shí)間呈乘冪的關(guān)系下降，由初始平均MLSS的6 203 mg/L降至3 d時(shí)的4 180 mg/L。Ni等前期研究表明內(nèi)源呼吸階段將引起胞外聚合物(EPS)濃度的衰減［8］。從空間角度而言，EPS可分為緊縛細(xì)胞的物質(zhì)(TB－EPS)和松散附著于TB外層的LB－EPS。本課題組前期研究表明［4］，在內(nèi)源呼吸條件下，LB－EPS含量降低顯著，TB－EPS含量變化并不明顯，這說(shuō)明對(duì)于污泥減量化而言，LB－EPS的減小是MLSS降低的主要原因。綜上所述，活性污泥可通過(guò)內(nèi)源呼吸作用而實(shí)現(xiàn)減量化，這對(duì)于剩余污泥處置具有重要意義。由圖2還可以看出，MLSS在最初3 d下降顯著，之后則緩慢降低，這說(shuō)明依靠污泥自身通過(guò)內(nèi)源呼吸減量化是有限度的，從工程實(shí)際而言，采用限制營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)而實(shí)現(xiàn)污泥減量化可在較短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)，過(guò)長(zhǎng)的內(nèi)源呼吸過(guò)程無(wú)助于污泥減量化過(guò)程。

圖2 污泥濃度隨運(yùn)行時(shí)間的變化

圖3 脫氫酶活性隨運(yùn)行時(shí)間的變化

2.2 微生物活性分析

圖3表示在貧營(yíng)養(yǎng)條件下微生物脫氫酶活性隨時(shí)間的變化，由圖3可見(jiàn)，脫氫酶活性降低可分為3階段:在第一階段(1－5 d)，由于反應(yīng)器內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)匱乏，引起微生物脫氫酶活性大幅度降低，由運(yùn)行初期的43.45 μgTF/(mgMLSS·h)下降至第 5 d 時(shí)的 8.33 μgTF/(mgMLSS·h)，第一階段脫氫酶活性的降低主要緣于反應(yīng)器內(nèi)優(yōu)勢(shì)菌群由于營(yíng)養(yǎng)匱乏，顯著降低微生物活性;另一個(gè)原因可能是內(nèi)源呼吸過(guò)程強(qiáng)化了微生物分泌大量溶解性微生物代謝產(chǎn)物(SMP)，對(duì)微生物活性產(chǎn)生抑制作用［9］，這種抑制作用導(dǎo)致部分微生物處于休眠狀態(tài)，表現(xiàn)出脫氫酶活性降低。在第二階段(5－11 d)，微生物脫氫酶活性基本保持穩(wěn)定降低狀態(tài)，由8.33 μgTF/(mgMLSS·h)減少到第11 d 時(shí)的 7.08 μgTF/(mgMLSS·h)，這表明在營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)匱乏的情況下，反應(yīng)器內(nèi)仍存在部分種屬的微生物具有活性，可以利用微生物內(nèi)源呼吸過(guò)程中產(chǎn)生的SMP，以維持微生物自身的需要。此階段具有活性的微生物如果能分離提純，并加以培養(yǎng)，這對(duì)于MBR工藝實(shí)現(xiàn)原位污泥減量化將具有重要意義。第三階段(11－16 d)，污泥的脫氫酶活性由7.08 μgTF/(mgMLSS·h)降低至第16 d時(shí)的0.47 μgTF/(mgMLSS·h)，這表明過(guò)長(zhǎng)的內(nèi)源呼吸過(guò)程，將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)喪失生化處理能力，因而利用貧營(yíng)養(yǎng)環(huán)境實(shí)現(xiàn)污泥減量化需關(guān)注微生物活性，以維持MBR生化處理能力。

2.3 污泥可濾性分析

盡管MBR工藝已成功運(yùn)行了近30年，然而膜污染問(wèn)題一直是該工藝發(fā)展的瓶頸。膜污染是膜與污泥混合液相互作用的結(jié)果，污泥混合液的可濾性直接關(guān)系到膜污染問(wèn)題［10］。圖4顯示了運(yùn)行過(guò)程中污泥混合液可濾性(MFI)隨時(shí)間的變化，MFI值的大小一方面可反映污泥可濾性的優(yōu)劣，同時(shí)可表征污泥脫水性能。由圖4可見(jiàn)，在運(yùn)行第一階段(1－5 d)，MFI的值隨著運(yùn)行時(shí)間有減小的趨勢(shì)，這說(shuō)明強(qiáng)化內(nèi)源呼吸過(guò)程，可改善污泥混合液的可濾性。在第二階段(7－16 d)，MFI隨運(yùn)行時(shí)間顯著增加，表明持續(xù)加劇內(nèi)源呼吸過(guò)程導(dǎo)致了污泥混合液可濾性的惡化。筆者分析認(rèn)為，在7－16 d期間，MLSS有所下降(見(jiàn)圖2所示)，但是污泥混合液的可濾性并未提高，反而MFI值顯著增加，這說(shuō)明MLSS不是決定污泥混合液可濾性的決定性因素，污泥其他特性，如絮體大小、表面電荷、絮體結(jié)構(gòu)及形狀等，對(duì)污泥可濾性的影響更為關(guān)鍵，本課題組前期研究中也證實(shí)了這一結(jié)論［11－13］。綜上所述，對(duì)于MBR工程實(shí)際而言，較短時(shí)間實(shí)施貧營(yíng)養(yǎng)環(huán)境可改善污泥混合液的可濾性，然而隨著內(nèi)源呼吸加劇，將導(dǎo)致污泥混合液可濾性發(fā)生嚴(yán)重惡化現(xiàn)象。

圖4 污泥可濾性能隨運(yùn)行時(shí)間的變化

3 結(jié) 論

(1)MBR污泥在貧營(yíng)養(yǎng)條件下前3 d污泥減量顯著，其中主要是LB－EPS發(fā)生水解現(xiàn)象，延長(zhǎng)內(nèi)源呼吸時(shí)間發(fā)現(xiàn)MLSS下降緩慢，表明依靠污泥自身通過(guò)內(nèi)源呼吸減量化是有限度的，過(guò)分強(qiáng)化內(nèi)源呼吸過(guò)程將無(wú)助于污泥減量化;

(2)在貧營(yíng)養(yǎng)條件下，5 d內(nèi)污泥活性下降顯著，強(qiáng)化內(nèi)源呼吸過(guò)程將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)喪失生化處理能力;

(3)對(duì)于MBR工藝，5 d內(nèi)實(shí)施貧營(yíng)養(yǎng)措施可改善污泥混合液的可濾性，但隨著內(nèi)源呼吸時(shí)間增加，污泥混合液可濾性將嚴(yán)重惡化。

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