SBR系统中好氧颗粒污泥的培养及脱氮除硫研究

苏彩丽,余泳昌,任天宝,张莎莎,田 园 (河南农业大学机电工程学院,农业部可再生能源重点开放实验室,河南 郑州 450002)

SBR系统中好氧颗粒污泥的培养及脱氮除硫研究

苏彩丽,余泳昌*,任天宝,张莎莎,田 园 (河南农业大学机电工程学院,农业部可再生能源重点开放实验室,河南 郑州 450002)

采用SBR反应器进行了好氧颗粒污泥的培养和脱氮除硫研究.结果表明,以厌氧颗粒污泥为种泥,通过控制运行条件,在30d内可培养出好氧颗粒污泥.好氧颗粒污泥粒径以1~2mm为主, SVI为30~40mL/g,微生物组成以短杆菌为主,外部包裹大量丝状菌.当COD和NH4+-N负荷分别保持在1.65kg/(m3·d)和0.17kg/(m3·d),硫化物负荷从0.15kg/(m3·d)逐步提高到0.90kg/(m3·d)时,好氧颗粒污泥对硫化物、COD和NH4+-N的去除率分别>99%、>80%和>98%.在高硫化物浓度下,反应器仍然表现出良好的脱氮效果,可能是由好氧颗粒污泥的层状结构和硫化物能先于NH4+-N快速氧化的特点决定的.

序批式反应器；好氧颗粒污泥；脱氮除硫

Abstract：Cultivation and characters of the aerobic granules for ammonium and sulfide removal in a sequencing batch reactor were studied. The aerobic granules were cultivated using anaerobic granular sludge as seed sludge under controlled operational conditions in 30 days. The diameter of most of the aerobic granules was about 1~2mm and the SVI was 30~40mL/g. The granule was dominated by brevibacterium, and wrapped by a large number of filamentous bacteria. When the COD and NH4+-N loading were 1.65, 0.17 kg/(m3·d), and the S2-loading increased from 0.15 to 0.9 kg/(m3·d), the removal efficiencies of S2-, COD and NH4+-N were >99%, >80% and >98%, respectively. The reactor showed high removal capacity of NH4+-N under the high S2-concentration, which was possible due to the layered structure of aerobic granules or the characteristics that sulfide could be fast oxidized prior to the ammonium.

Key words：sequencing batch reactor(SBR)；aerobic granules；ammonium and sulfide removal

玉米、大豆、小麦、薯类等农产品加工过程所产生的废水中不仅有机物浓度高,而且还含有高浓度硫酸盐和NH4+-N.为解决该类废水污染问题,不少学者对高硫酸盐废水的厌氧处理工艺和设备进行了研究[1-4].但在厌氧处理过程中,硫酸盐会转化成有毒且对设备腐蚀性强的硫化物,NH4+-N也不能有效去除,需经过进一步处理才能有效解决农产品加工废水污染问题.目前采用的传统好氧生物处理工艺[5-6],存在着处理效率低、投资大等缺点.如何实现经济高效的脱氮除硫成为近几年国内外学者研究的热点[7-10].

好氧颗粒污泥工艺是近年来发展起来的污水处理新工艺,与传统的絮状活性污泥相比,具有容积负荷高、沉降性能好、占地小等优点[11].该工艺由于颗粒内部传质作用限制,使好氧颗粒污泥内部形成好氧区、缺氧区和厌氧区,可实现多种污染物的同步去除[12-14],具有良好的发展前景.本研究采用富含硫化物和NH4+-N的模拟废水,进行脱氮除硫好氧颗粒污泥的培养,并考察好氧颗粒污泥脱氮除硫的效果及硫化物对好氧颗粒污泥脱氮过程的影响,以期为好氧颗粒污泥在农产品加工废水处理中的应用提供理论指导.

1 材料与方法

1.1材料

试验用水采用人工模拟废水,通过控制Na2S·9H2O添加量控制进水硫化物浓度.其余各组分浓度(g/L)分别如下:NaAc 0.805,NH4Cl 0.21, K2HPO40.045, NaHCO31.20, CaC120.03, FeCl4·6H2O 0.02, MgCl2·6H2O 0.02.微量元素溶液1mL/L,其组成见文献[15].用0.50mol/L的HCl调节进水pH值为7.5~8.0.

接种污泥采自木糖厂厌氧颗粒污泥.污泥为黑色,MLVSS/MLSS=0.73,沉降速度28~75m/h,粒径1.0~2.0mm.接种之前对厌氧颗粒污泥进行淘洗,去除其中的细小颗粒和杂质.接种后反应器中污泥浓度为3.6g/L.

1.2试验装置

试验采用圆柱型SBR反应器,如图1所示. SBR反应器为有机玻璃制成,内径8cm,高度110cm,有效容积4.5L,用气泵和曝气砂头供气,通过转子流量计控制曝气量.SBR反应器各阶段的操作变换都通过时间控制器进行控制.反应器运行周期为4h,其中进水3min,曝气226~230min,静置沉淀3~8min,排水3min.每周期排水2.25L.反应器温度为25~30℃.

图1 试验装置示意Fig.1 Schematic diagram of the experiment installation

1.3实验方法

1.3.1好氧颗粒污泥的培养 反应器接种厌氧颗粒污泥后开始启动,考虑到接种污泥本身具有较高的硫化物耐受性,因此进水硫化物浓度直接以100mg/L启动,曝气量保持在0.12m3/h,沉降时间为8min.反应器运行3d后,厌氧颗粒污泥由黑色逐渐转变为灰白色、褐色,反应器中出现淡黄色絮状污泥;1周后,大部分颗粒污泥破碎成细小的颗粒,新形成的絮状污泥增长很快,并以破碎的污泥颗粒为核心逐渐聚集;第12d,为防止污泥膨胀,从下部取样管排出500mL絮状污泥,并将进水硫化物浓度降低为50mg/L,同时逐渐缩短沉降时间,SVI开始下降,并且反应器表现出较好的污染物去除效果,污泥驯化完成.第15d,反应器中开始出现颗粒污泥;第21d,反应器中污泥颗粒化基本完成,SVI降至44.6mL/g,MLSS达3.73g/L;30d后SVI保持在30~40mL/g,颗粒污泥达到成熟稳定.

1.3.2好氧颗粒污泥对污染物的去除效果 实验中保持配水中NaAc和NH4Cl浓度不变,相当于COD 550mg/L, NH4+-N55mg/L,即进水负荷分别为1.65kg/(m3·d)和0.17kg/(m3·d),通过提高进水硫化物浓度(50~300mg/L)逐步提高硫化物负荷[0.15~0.9kg/(m3·d)],考察好氧颗粒污泥对硫化物、COD和NH4+-N的去除效果及硫化物对NH4+-N和COD去除能力的影响.

1.4分析项目和方法

COD采用重铬酸钾法测定;硫化物采用碘量法测定;硫酸根采用铬酸钡光度法测定;NH4+-N、NO3--N和NO2--N采用哈纳C200系列多参数台式离子浓度分析仪测定;pH值、DO采用哈纳便携式pH值、DO测定仪测定;SVI、MLSS 采用标准方法[16]测定;颗粒污泥形成过程观察采用Olympus光学显微镜;颗粒污泥结构观察采用Hitachi S-3400NⅡ型扫描电镜.

2 结果与讨论

2.1好氧颗粒污泥的特征

2.1.1表观特征 成熟的脱氮除硫好氧颗粒污泥中间呈黄褐色,边缘颜色较浅,形状呈圆形或椭圆形(图2a).粒径主要分布在1~2mm.

2.1.2微观结构 由图2c可以看出,培养出的好氧颗粒污泥表面较不规则,而接种的厌氧颗粒污泥表面较光滑(图2b);从微生物组成来看(图2d~图2f),接种的厌氧颗粒污泥微生物以球菌为主,培养为好氧颗粒污泥后,微生物以短杆菌为主,外部还包裹着大量丝状菌.可见,厌氧颗粒污泥在培养为好氧颗粒污泥后,其外观和内部组成均发生了较大变化.另外,丝状菌上面附着有很多硫粒(图2f),说明反应器中有单质硫生成.

图2 接种污泥与好氧颗粒污泥SEM照片Fig.2 SEM photographs of the inoculated sludge and aerobic granular sludge

图3 颗粒污泥培养过程中MLSS与SVI的变化Fig.3 Variation of MLSS and SVI in the process of cultivating aerobic granules

2.1.3沉降性能 由图3可知,由于好氧颗粒污泥增长很快,反应器中MLSS在不排泥的情况下逐渐增加;SVI值先增加再逐渐降低.前期由于厌氧颗粒污泥的解体和絮状污泥的增长,使污泥沉降性变差,SVI值升高;随着好氧颗粒污泥的形成,污泥沉降性逐渐提高,SVI值又开始下降.颗粒污泥达到成熟后,MLSS约3.9g/L,SVI值保持在30~ 40mL/g,沉降性良好.

2.2污染物去除效果

由图4a可见,当硫化物负荷从0.15kg/(m3·d)逐步提高到0.9kg/(m3·d)时,出水硫化物浓度均小于检出限.硫化物去除率保持在99%以上,其去除率在好氧颗粒污泥形成前后,变化不大.

由图4b和图4c可以看出,当COD和NH4+-N负荷分别保持在1.65,0.17kg/(m3·d)时,在反应器运行第6d,出水COD和NH4+-N浓度分别为227, 25.70mg/L,COD去除率只有58.73%,NH4+-N去除率为53.27%.随着厌氧颗粒污泥向好氧颗粒污泥的转化,COD和NH4+-N去除率不断提高,在好氧颗粒污泥形成之后,出水COD浓度保持在80mg/L左右,去除率>80%;出水NH4+-N浓度小于1.0mg/L,去除率>98%.

当进水硫化物负荷提高时,COD去除率在提高负荷初期略微下降,但随着好氧颗粒污泥对高硫化物的适应,COD去除率又能逐渐恢复到约80%;硫化物对NH4+-N的影响同样也发生在提高负荷初期,使NH4+-N去除效率稍下降,但对NH4+-N去除效果影响不大.说明进水硫化物负荷提高对COD和NH4+-N的去除效果影响不大.

图4 硫化物、COD和NH4+-N去除效果Fig.4 Removal efficacy of S2-, COD and NH4+-N

2.3讨论

图5 SBR反应器典型周期内COD、NH4+-N、NO3--N、S2-、SO42-、DO和pH值的变化Fig.5 COD, NH4+-N, NO3--N, S2-, SO42-, DO and pH value profiles in a typical cycle of the SBR

硝化细菌对有毒物质非常敏感[17-18].竺美等[19]采用一体式厌氧-好氧流化床反应器进行同步脱氮除硫实验研究时发现,当好氧区进水硫化物浓度>15mg/L时,将对硝化过程产生一定的抑制作用,NH4+-N去除率降至12%~30%.本实验在进水硫化物浓度高达300mg/L时,NH4+-N去除率仍>98%.为分析其原因,实验研究了SBR反应器内一个代表性周期好氧颗粒污泥脱氮除硫过程中各参数的变化规律,结果见图5.

由图5可见,硫化物的去除主要发生在前20min内,进水pH值为8.0,可忽略挥发到空气中的H2S[20],根据SO42-的浓度变化分析可知,硫化物氧化的产物前20min主要是S0,约占产物的60%,图3f中丝状菌上的硫粒也说明有S0生成.随着反应的进行S0逐渐被氧化为SO42-,由于试验中曝气量较大,去除的硫化物几乎全部被转化为SO42-.由S2-变为S0是一个产碱的过程,反应器内pH值由8.0快速升至8.33;在30~120min,由于S0逐渐被氧化为SO42-,同时硝化过程需要消耗碱度,致使反应器内pH值缓慢下降.120min之后,硫化物几乎全部转化为SO42-,大部分NH4+-N也被去除,使系统pH值又开始缓慢上升.

由NH4+-N的去除过程可以看出, NH4+-N的去除主要发生在30~120min,产物主要是NO3--N, NO2--N浓度极低,图5中没有显示.由NH4+-N和NO3--N的变化过程分析可知, NO3--N的生成量小于NH4+-N的去除量,说明NH4+-N被硝化细菌氧化为NO3--N后,又被反硝化细菌利用进行了反硝化,即系统中发生了同步硝化反硝化过程.DO与NO3--N的变化过程还可以看出,系统的DO对同步硝化反硝化影响较大.反应前30min,由于硫化物的快速氧化和COD的大量去除,使系统DO消耗很快,DO浓度维持在3mg/L以下,反硝化菌在低DO下表现出较强的活性,从而表现出较强的反硝化作用;30min之后,DO浓度逐渐升高,使反硝化菌的活性有所抑制,反硝化作用减弱.

分析硫化物和NH4+-N的去除过程可以得出,硫化物在NH4+-N去除之前被快速氧化,从而避免了硫化物对硝化细菌和反硝化细菌产生毒害作用.同时,由好氧颗粒污泥的结构可以看出,好氧颗粒污泥表面缠绕大量的丝状菌,在丝状菌里面分布着杆菌,这种层状的结构特点,使硫化物在颗粒内的扩散受到限制,从而使位于颗粒内的硝化细菌和反硝化细菌所接触的硫化物浓度有限,而不致丧失活性.

3 结论

3.1以厌氧颗粒污泥为种泥,采用人工模拟含氮含硫废水在SBR反应器中通过30d的驯化培养,获得好氧颗粒污泥.好氧颗粒污泥粒径以1~2mm为主,SVI保持在30~40mL/g.扫描电镜观察可知,接种污泥微生物组成以球菌为主,转变为好氧颗粒污泥后,微生物以短杆菌为主,外部还包裹着大量丝状菌.

3.2当进水COD和NH4+-N负荷分别保持在1.65,0.17kg/(m3·d),硫化物负荷从0.15kg/(m3·d)逐步提高到0.9kg/(m3·d)时,好氧颗粒污泥对硫化物、COD和NH4+-N均表现出较好的去除效果,去除率分别为>99%、>80%和>98%.

3.3通过对一个典型周期内COD、NH4+-N和NO3--N、S2-和SO42-、DO和pH值的变化情况及好氧颗粒污泥结构分析认为,在高硫化物浓度下,反应器仍然表现出良好的脱氮效果可能是由好氧颗粒污泥的层状结构和硫化物能先于NH4+-N快速氧化的特点决定的.

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Cultivation and characters of the aerobic granules for ammonium and sulfide removal in SBR system.

SU Cai-li, YU Yong-chang*, REN Tian-bao, ZHANG Sha-sha, TIAN Yuan (Key Laboratory of Renewable Energy, Ministry of Agricultural, College of Mechanical and Electrical Engineering, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China). China Environmental Science, 2010,30(4)：522~526

X703.1

A

1000-6923(2010)04-0522-05

苏彩丽(1975-),女,河南宝丰人,工程师,河南农业大学机电工程学院博士研究生,主要从事废水的生物脱氮除硫研究.发表论文4篇.

2009-09-08

* 责任作者, 教授, yych@henau.edu.cn