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(yáng) 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(chǎng)廢水時(shí),COD、氨氮和磷酸鹽的去除效率分別達(dá)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(chǔ)存及快速效能恢復(fù)依舊限制了其在實(shí)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(chǔ)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。
無(wú)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(jì);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(tái)式高速離心機(jī)等。
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(jìn)水水質(zhì) 進(jìn)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(wú)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(shí)際廢水[7]。
1.2.3 實(shí)驗(yàn)裝置 在SBR工藝模型中處理番茄醬生產(chǎn)廢水見(jiàn)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(jìn)水、曝氣、沉淀、出水4個(gè)階段,運(yùn)行1個(gè)周期需要4 h,每天運(yùn)行 6個(gè)周期。系統(tǒng)運(yùn)行為進(jìn)水時(shí)間10 min;進(jìn)水完畢后自動(dòng)啟動(dòng)曝氣泵,曝氣反應(yīng)時(shí)間為 200 min,沉淀階段,初始沉淀時(shí)間28 min,排水時(shí)間 2 min。曝氣時(shí)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(shí)間隨著實(shí)驗(yàn)的需要逐漸縮短,實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行130 d。
圖1 SBR反應(yīng)器裝置Fig.1 SBR Schematic1.進(jìn)水桶;2.蠕動(dòng)泵;3.曝氣泵;4.流量計(jì);5.自動(dòng)控制裝置;6.電磁閥;7.出水桶;8.SBR反應(yīng)器;9.曝氣頭
1.3.2 粒徑的檢測(cè) 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(cè)使用體視顯微鏡和直尺可直接觀察測(cè)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(jìn)行多次測(cè)定。
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(shí)、光滑,富有彈性,顆粒直徑最大達(dá)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(cuò)纏繞,且微生物相對(duì)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和排出氣體,此時(shí)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(zhǎng)期在低溫環(huán)境中,處于缺氧饑餓狀態(tài),細(xì)菌逐漸死亡,活細(xì)菌減少,死細(xì)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(shí)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(shí),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(yùn)行到第13 d時(shí),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(shí),>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(zhǎng)為 <2 mm 的顆粒污泥。隨后實(shí)驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行到第100 d時(shí),0.45~2 mm的新生顆粒污泥占到68%,實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到第130 d時(shí),絮狀污泥占16%,0.45~4 mm的污泥起到主導(dǎo)作用,占比超過(guò)75%,而新長(zhǎng)成2~4 mm 顆粒污泥占比逐漸增加,但一直沒(méi)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(shí)間增長(zhǎng)變化緩慢,整個(gè)過(guò)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
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(shí)、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(shí)比重在1.1~1.07 g/L之間。粒徑越大,密實(shí)度越高,其比重越大。
本實(shí)驗(yàn)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(jiàn)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(shuō)明顆粒的密實(shí)度下降,比重及濕密度測(cè)試也證明了這一點(diǎn)。
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(biāo)均有下降。見(jiàn)圖4,接種2 d時(shí)MLSS、MLVSS、MLVSS/MLSS分別為4.33 g/L,2.37 g/L,0.58,沉淀時(shí)間為25 min。隨著恢復(fù)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行,第9 d時(shí)各指標(biāo)達(dá)到穩(wěn)定,MLSS、MLVSS為5.57,4.93 g/L,MLVSS/MLSS為0.88。此時(shí)污泥指標(biāo)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(shí)達(dá)到8.31 g/L和 7.43 g/L,隨后2 d內(nèi)沉淀時(shí)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(yùn)行到第47 d時(shí),沉淀時(shí)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(shí),沉降時(shí)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(shí),沉降時(shí)間再次縮短到5 min,此時(shí)的MLSS、MLVSS分別為3.97 g/L和3.52 g/L。由于此時(shí)好氧顆粒污泥生長(zhǎng)緩慢,接下來(lái)的很長(zhǎng)一段時(shí)間絮狀污泥增多。為培養(yǎng)好氧顆粒污泥,沉淀時(shí)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(shí)間由25 min逐漸降至15 min,之后的培養(yǎng)一直保持沉降時(shí)間。后期的MLSS和MLVSS再次達(dá)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(shí)間段達(dá)到0.9以上。沉降時(shí)間對(duì)污泥濃度的影響顯著,污泥濃度隨著沉降時(shí)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(jìn)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(shí),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。
由圖6可知,在本實(shí)驗(yàn)中進(jìn)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(gè)恢復(fù)期,恢復(fù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到第2 d時(shí),進(jìn)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(dá)到排水標(biāo)準(zhǔn)?;謴?fù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到第12 d時(shí),去除率能達(dá)到90%以上。然而在第60~90 d的污泥波動(dòng)中,并沒(méi)有對(duì)COD的處理能力造成影響,去除率依然保持在90%以上,說(shuō)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(méi)有降低COD的去除率。COD去除率最高達(dá)到98.3%,平均去除率保持在95%。
圖6 系統(tǒng)對(duì)COD的去除Fig.6 System removal rate of COD
圖7 系統(tǒng)對(duì)的去除Fig.7 System removal rate of
(1)恢復(fù)實(shí)驗(yàn)初期,顆粒污泥開(kāi)始膨脹、破裂出現(xiàn)解體現(xiàn)象,7~10 d儲(chǔ)存的污泥活性已經(jīng)恢復(fù);20 d 時(shí),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(zhǎng)顆粒,顆粒污泥基本完成解體“再造”,并趨于一段時(shí)間的穩(wěn)定,但仍有少量顆粒繼續(xù)解體再生;此時(shí),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(zhǎng)的飽滿凝實(shí),粒徑分布梯度明顯,0.45~1 mm粒徑顆粒占優(yōu)勢(shì),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(dá)到8.31 g/L和7.43 g/L,系統(tǒng)運(yùn)行效能趨于穩(wěn)步提高。
(2)相比之下,在整個(gè)恢復(fù)再生培養(yǎng)期內(nèi),顆粒的粒徑偏小,增長(zhǎng)緩慢,在相同粒徑范圍下的顆粒污泥沉速、密實(shí)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。