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        番茄醬加工廢水的好氧顆粒污泥活性恢復(fù)研究

        2020-12-10 06:01:06王維紅康增彥董星遼許航包文婷
        應(yīng)用化工 2020年11期
        關(guān)鍵詞:沉降速度番茄醬污泥

        王維紅,康增彥,董星遼,許航,包文婷

        (1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830052;2.中建三局安裝工程有限公司,湖北 武漢 430079;3.中色科技股份有限公司,河南 洛陽 471000;4.河海大學(xué) 環(huán)境學(xué)院,江蘇 南京 210098)

        應(yīng)用好氧顆粒污泥技術(shù),可減少處理設(shè)施占地25%~75%,能耗降低20%~50%[1]。利用好氧顆粒污泥可處理畜禽養(yǎng)殖沼液、抗菌消炎PPCPs藥物污水等[2-3]。處理屠宰場廢水時,COD、氨氮和磷酸鹽的去除效率分別達到95.1%,99.3%和83.5%[4]。番茄醬加工排放的大量生產(chǎn)廢水,COD濃度范圍450~2 400 mg/L,氨氮4.5~26.5 mg/L,TP 0.5~5.5 mg/L[5]。番茄醬廢水處理需要在每年的生產(chǎn)季節(jié)提前馴化污泥,但好氧顆粒污泥儲存及快速效能恢復(fù)依舊限制了其在實際工程中的廣泛應(yīng)用[6]。本文探討番茄醬廢水培養(yǎng)的好氧顆粒污泥儲存后的性能恢復(fù),為處理番茄醬廢水應(yīng)用提供技術(shù)支持。

        1 實驗部分

        1.1 試劑與儀器

        無水乙酸鈉、氯化銨、磷酸二氫鉀、氯化鈣、硫酸鎂、氯化鐵、鉬酸銨、鄰菲啰啉等均為分析純。

        Olympus光學(xué)顯微鏡;JEOL Ltd掃描電子顯微鏡;BA410數(shù)碼顯微鏡;Olympus熒光顯微鏡;ZEISS體視顯微鏡;Quintix224-1電子分析天平;DR6000紫外分光光度計;ZEISS激光共聚焦顯微鏡;JB-2A磁力攪拌器;KQ5200DE超聲波清洗器;H1850臺式高速離心機等。

        1.2 實驗方法

        1.2.1 接種污泥 接種污泥取自以人工配制的番茄醬生產(chǎn)廢水為基質(zhì)培養(yǎng)了180多天的好氧顆粒污泥,裝入清水瓶經(jīng)冰箱在-18 ℃的環(huán)境中恒溫冷凍保存約260 d。

        1.2.2 進水水質(zhì) 進水為人工合成番茄醬生產(chǎn)廢水。以新鮮番茄為原材料榨汁提供碳源,COD濃度為800~1 300 mg/L,N、P元素由NH4Cl和Na2HPO4配制。pH值采用無水碳酸鈉調(diào)節(jié),保持在7.3~7.8之間。常量元素和微量元素成分和濃度配制模擬實際廢水[7]。

        1.2.3 實驗裝置 在SBR工藝模型中處理番茄醬生產(chǎn)廢水見圖1。反應(yīng)器模型尺寸為內(nèi)徑 8 cm,高度100 cm,有效容積4 L。工藝分為進水、曝氣、沉淀、出水4個階段,運行1個周期需要4 h,每天運行 6個周期。系統(tǒng)運行為進水時間10 min;進水完畢后自動啟動曝氣泵,曝氣反應(yīng)時間為 200 min,沉淀階段,初始沉淀時間28 min,排水時間 2 min。曝氣時混合液pH值保持在7.0~7.5之間,DO保持在 8 mg/L 左右。沉淀時間隨著實驗的需要逐漸縮短,實驗共進行130 d。

        圖1 SBR反應(yīng)器裝置Fig.1 SBR Schematic1.進水桶;2.蠕動泵;3.曝氣泵;4.流量計;5.自動控制裝置;6.電磁閥;7.出水桶;8.SBR反應(yīng)器;9.曝氣頭

        1.3 分析方法

        1.3.2 粒徑的檢測 采用Laguna等的濕篩分法[8]。接種污泥平均粒徑為7~8 mm的顆粒污泥,檢測使用體視顯微鏡和直尺可直接觀察測量。

        1.3.3 AGS的沉降速度 顆粒沉降速度參照王燕杉等[9]的方法,采用自由沉降法進行多次測定。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 粒徑分布

        圖2為拍攝的冷凍前185 d的接種好氧顆粒污泥。

        圖2 冷凍前培養(yǎng)185 d顆粒污泥Fig.2 Granular sludge was cultured for 185 dbefore freezing

        由圖2可知,污泥外觀結(jié)構(gòu)密實、光滑,富有彈性,顆粒直徑最大達到11 mm,平均粒徑約7~8 mm左右。因內(nèi)部形成晶核,絲狀菌交錯纏繞,且微生物相對豐富,一些顆粒表面存在孔洞溝壑,用于向顆粒內(nèi)部傳遞營養(yǎng)物質(zhì)和排出氣體,此時的顆粒污泥活性已經(jīng)有所下降,顆粒趨于解體。

        冷凍期間,接種顆粒污泥顏色逐漸由淺褐色向深褐色、黑色轉(zhuǎn)變,顆粒污泥長期在低溫環(huán)境中,處于缺氧饑餓狀態(tài),細菌逐漸死亡,活細菌減少,死細菌增多,生物活性下降,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低,一些顆粒污泥出現(xiàn)破裂現(xiàn)象,冷凍期結(jié)束后,大部分好氧菌在饑餓缺氧環(huán)境中死亡,失去活性。隨著培養(yǎng)時間的推移,好氧顆粒污泥的粒徑不斷發(fā)生變化,圖3給出了130 d內(nèi)不同培養(yǎng)階段的顆粒分布情況。

        接種時,顆粒污泥的粒徑主要以大粒徑為主(接種污泥平均粒徑為8 mm),當(dāng)反應(yīng)器運行到第13 d時,粒徑>4 mm的顆粒污泥占到34.7%左右,22.3%的污泥粒徑<0.45 mm,這部分主要是新生絮體污泥和破裂的懸浮物。培養(yǎng)到第30 d時,>4 mm 的顆粒污泥只占10%,絮體污泥占到19%,2~4 mm的顆粒,主要是大顆粒污泥不斷解體破裂,重造的穩(wěn)定顆粒。而產(chǎn)生的絮體污泥成長為 <2 mm 的顆粒污泥。隨后實驗繼續(xù)進行到第100 d時,0.45~2 mm的新生顆粒污泥占到68%,實驗進行到第130 d時,絮狀污泥占16%,0.45~4 mm的污泥起到主導(dǎo)作用,占比超過75%,而新長成2~4 mm 顆粒污泥占比逐漸增加,但一直沒有出現(xiàn)粒徑較大的顆粒污泥,且絮狀污泥一直偏高。粒徑隨時間增長變化緩慢,整個過程雖然粒徑分布均勻,但前期的顆粒是以接種顆粒污泥的裂解再造而形成的,而后期的顆粒主要是以絮體污泥不斷顆?;纬傻?。

        圖3 粒徑分布Fig.3 Particle size distribution

        2.2 顆粒污泥的沉降速度

        AGS沉降性能主要與顆粒污泥的結(jié)構(gòu)和大小密切相關(guān)。當(dāng)顆粒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定密實、污泥比重,沉降速度越大。粒徑0.45~1 mm的顆粒污泥平均比重約為1.011 g/L,粒徑在1.6~2 mm時比重在1.1~1.07 g/L之間。粒徑越大,密實度越高,其比重越大。

        本實驗培養(yǎng)的顆粒污泥沉降速度,隨著顆粒粒徑增大而增大。不同粒徑范圍的平均沉降速度見表1。

        表1 顆粒污泥粒徑與沉速Table 1 Change of particle size and sedimentationrate of granular sludge

        由表1可知,與培養(yǎng)的接種顆粒污泥階段的沉降速度[10]相比,同粒徑范圍下的最高沉速也只有第一代顆粒污泥的0.81倍,說明顆粒的密實度下降,比重及濕密度測試也證明了這一點。

        2.3 污泥指標變化

        接種污泥冷凍前的MLSS為5.75 g/L,MLVSS為4.83 g/L,MLVSS/MLSS在0.84。冷凍保存 260 d 后,各指標均有下降。見圖4,接種2 d時MLSS、MLVSS、MLVSS/MLSS分別為4.33 g/L,2.37 g/L,0.58,沉淀時間為25 min。隨著恢復(fù)實驗的進行,第9 d時各指標達到穩(wěn)定,MLSS、MLVSS為5.57,4.93 g/L,MLVSS/MLSS為0.88。此時污泥指標已恢復(fù)到接種前的污泥活性,隨后的20 d內(nèi)污泥濃度穩(wěn)定,MLVSS/MLSS平均值在0.9以上。MLSS和MLVSS在第30 d時達到8.31 g/L和 7.43 g/L,隨后2 d內(nèi)沉淀時間逐漸縮短到15 min,MLSS和MLVSS分別降至4.34 g/L和3.85 g/L。反應(yīng)器持續(xù)運行到第47 d時,沉淀時間縮短到 10 min,MLSS和MLVSS由7.43 g/L和6.68 g/L降低到6.47 g/L和5.81 g/L。在第65 d時,沉降時間縮短到8 min,MLSS和MLVSS由 8.33 g/L,7.43 g/L 降至 4.66 g/L,4.18 g/L。在第69 d時,沉降時間再次縮短到5 min,此時的MLSS、MLVSS分別為3.97 g/L和3.52 g/L。由于此時好氧顆粒污泥生長緩慢,接下來的很長一段時間絮狀污泥增多。為培養(yǎng)好氧顆粒污泥,沉淀時間再次調(diào)至 25 min。在第90 d前后,顆粒污泥再次恢復(fù),隨后沉淀時間由25 min逐漸降至15 min,之后的培養(yǎng)一直保持沉降時間。后期的MLSS和MLVSS再次達到了8 g/L以上。

        圖4 MLSS、MLVSS、MLVSS/MLSS的變化Fig.4 The changes of MLSS,MLVSS,MLVSS/MLSS

        自從顆粒污泥活性恢復(fù)后,MLVSS/MLSS一直穩(wěn)定在0.89左右,最后時間段達到0.9以上。沉降時間對污泥濃度的影響顯著,污泥濃度隨著沉降時間的縮短而降低。

        圖5 SVI 的變化Fig.5 The changes of SVI

        由圖5可知,接種污泥的沉淀性能一直很好,前60 d內(nèi)SVI5和SVI30均保持在50~60 mL/g之間,高于冷凍前的10 mL/g。在60~90 d之間污泥沉淀性較差,隨著反應(yīng)進行,絮狀污泥逐漸轉(zhuǎn)化為顆粒污泥,SVI30/SVI5的比值為95%左右,比例趨近于1。這意味著在降解合成番茄加工廢水時,顆粒形成獲得了優(yōu)異的沉降性。Caluwé等[11]在石化廢水處理中,污泥的SVI30/SVI5比率等于1,與此研究結(jié)果接近。

        2.4 系統(tǒng)對污染物的去除能力

        由圖6可知,在本實驗中進水COD保持在800~1 300 mg/L之間。剛接種前期,好氧顆粒污泥有一個恢復(fù)期,恢復(fù)實驗進行到第2 d時,進水COD約為1 100 mg/L,出水COD為203.6 mg/L,去除率在83.8%,水質(zhì)不能達到排水標準?;謴?fù)實驗進行到第12 d時,去除率能達到90%以上。然而在第60~90 d的污泥波動中,并沒有對COD的處理能力造成影響,去除率依然保持在90%以上,說明好氧菌的活性良好,且菌群結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,絮狀污泥并沒有降低COD的去除率。COD去除率最高達到98.3%,平均去除率保持在95%。

        圖6 系統(tǒng)對COD的去除Fig.6 System removal rate of COD

        圖7 系統(tǒng)對的去除Fig.7 System removal rate of

        3 結(jié)論

        (1)恢復(fù)實驗初期,顆粒污泥開始膨脹、破裂出現(xiàn)解體現(xiàn)象,7~10 d儲存的污泥活性已經(jīng)恢復(fù);20 d 時,粒徑由最初的8 mm裂變?yōu)? mm左右,內(nèi)部有空洞的“稻殼”型扁長顆粒,顆粒污泥基本完成解體“再造”,并趨于一段時間的穩(wěn)定,但仍有少量顆粒繼續(xù)解體再生;此時,出水清澈,“再造顆?!被謴?fù)了好氧顆粒污泥的優(yōu)良性質(zhì)。在30 d以后,新生成的顆粒生長的飽滿凝實,粒徑分布梯度明顯,0.45~1 mm粒徑顆粒占優(yōu)勢,微生物活性高,出水清澈,去除率高,基本完成了系統(tǒng)的恢復(fù)再生。MLSS和MLVSS分別達到8.31 g/L和7.43 g/L,系統(tǒng)運行效能趨于穩(wěn)步提高。

        (2)相比之下,在整個恢復(fù)再生培養(yǎng)期內(nèi),顆粒的粒徑偏小,增長緩慢,在相同粒徑范圍下的顆粒污泥沉速、密實度均較低;但SVI30/SVI5的比值為95%左右,比例趨近于1,沉降性能良好。

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