SBR系统中好氧颗粒污泥的培养以及应用

钟志贤,张新兵,宋 勇

(1.中国核工业二三0研究所,长沙 410011;2.中国中机国际工程设计研究院,长沙410007;3.长沙学院生物工程与环境科学系,长沙 410003)

好氧颗粒污泥是微生物在好氧条件下形成的自身固定化聚集体,其结构致密、沉速快、含水率低,在污水处理领域具有较好的应用前景[1-8].本实验采用SBR反应器以厌氧污泥为接种污泥培养形成了好氧颗粒污泥;考察了当以制药废水为营养基质时,反应器的运行情况.

1 实验材料与方法

1.1 实验装置与实验方法

试验采用的装置及工艺流程如图1所示.主体部分为SBR反应器,由有机玻璃制成,内径4 cm,高90 cm,总体积3.6 L,有效容积为3.0 L.采用气泵和曝气砂头进行供气,通过转子流量计控制曝气量.反应器进水、曝气、沉淀、排水、闲置等各阶段的操作变换都通过时间控制器自动控制.

图1 实验装置图

1.2 接种污泥

接种污泥为本实验室 UASB反应器中的厌氧颗粒污泥,接种污泥体积为0.5 L,接种后反应器中污泥浓度为8.2 g/L.

1.3 废水水质

驯化阶段的废水采用人工配.以醋酸钠为碳源,氯化铵为氮源,还包括磷酸二氢钾、碳酸氢钠、硫酸镁、氯化钙以及其他微量元素.驯化过程中废水的CODCr和氨氮的质量浓度分别控制在500 mg/L和50 mg/L.

1.4 运行方式

反应器的一个运行周期为 6 h,其中进水10 min,曝气运行5.5 h,静置沉淀10 min(5 min,2 min),剩余时间为排水及闲置.每周期排水0.5 L,即反应器每周期实际处理水量为0.5 L.

1.5 分析方法

CODCr:重铬酸钾法;氨氮:水杨酸-次氯酸盐光度法;硝酸盐氮:酚二磺酸光度法;溶解氧:HI 9133型溶解氧仪;颗粒污泥的外观:生物电子显微镜(型号DMLB)

2 实验结果与讨论

2.1 驯化阶段

SBR反应器从接种污泥启动到反应器内厌氧颗粒污泥转化为好氧颗粒污泥为止共运行36 d,每天4个周期.

2.1.1 COD降解能力分析

如图2所示在运行的前12 d内,SBR反应器中的溶解氧浓度控制在3～4 mg/L,微生物适应较快;原有的厌氧颗粒污泥在曝气的搅拌作用下,部分发生了解体,但并不明显.12 d左右COD去除率提升到60%,此时调整溶解氧浓度为2～3 mg/L.在随后的运行中,污泥的颗粒化以及沉降速度得到提高,对COD的去除保持在75%～80%左右,并逐渐达到85%以上.25 d以后,COD去除率稳定在90%以上.通过观测颗粒污泥为球形,呈淡黄色,直径在1.2～1.4 mm之间,好氧颗粒污泥驯化成熟.

图2 污泥驯化阶段COD去除率

2.1.2 颗粒污泥实现同步硝化与反硝化

硝酸盐氮的检测从运行一个星期后开始.在运行的前15 d内,由于污泥颗粒尚处于适应期,活性较差,此时硝酸盐氮的含量较低,在2 mg以下.在随后的运行过程中,硝酸盐氮含量逐渐增加,最高时达到15 mg左右,污泥的硝化能力在运行过程中得到增强.随着反应器继续运行,硝酸盐氮的浓度反而开始降低,这说明污泥的反硝化能力得到提高.进入成熟期后,出水硝酸盐氮值保持在5 mg左右,硝化与反硝化达到了平衡,如图3所示.分析原因,这主要是因为随着驯化过程的进行,污泥粒径增加,氧的扩散受到一定限制.在污泥颗粒内部形成缺氧区,为反硝化细菌的生长提供了有利条件,颗粒污泥形成了硝化和反硝化的微环境.

图3 污泥驯化阶段硝酸盐氮含量

对出水中氨氮的含量分析发现,氨氮去除率也从15 d左右开始上升.25 d以后,氨氮的去除率一直保持在90%左右,如图4所示,这也进一步说明硝化与反硝化达到了平衡,颗粒污泥形成了硝化与反硝化的微环境.

图4 污泥驯化阶段氨氮去除率

2.2 制药废水处理阶段

用驯化成熟的颗粒污泥降解化学制药厂的废水.废水用水稀释,稀释后水质如表1所示.

表1 废水组成

每天运行4个周期,每天取一次样进行分析.通过将近一个月的运行,COD的降解效果如图5所示.

图5 废水处理阶段COD降解率

在运行的前3天内,COD的降解率快速下降,这主要是因为颗粒污泥对新营养环境的不适应.接下来的一周内COD的降解率逐渐恢复到80%以上.好氧颗粒的粒径比驯化成熟期长大了2～3 mm.但半个月后,COD降解效率却开始下降,出水变得浑浊.起先认为可能是气体的搅拌作用过大所致,于是适当地减少了进气量,DO值控制在1 mg/L左右,沉淀时间延长到12 min.但在随后的运行过程中,出水混浊没有明显的改观,COD的降解效率继续下降.对颗粒的观测发现,好氧颗粒污泥发生了解体,部分污泥随出水排走.对出水中氨氮的含量也进行了同步分析,检测结果如图6所示.

图6 废水处理阶段氨氮值

出水中氨氮含量在初期适应阶段较高,然后急剧降低.在随后的运行中,随着颗粒污泥的解体和出水的混浊,含量又不断升高.特别是二十天后,污泥几乎对氨氮没有多少降解效果.究其原因,笔者认为:在经历短暂的适应期后,由于进水的COD升高,高浓度的基质可能渗透到颗粒的内部,颗粒体积增大.但由于颗粒内部的厌氧作用和制药废水中含有的其它污染物的影响作用,颗粒发生了解体,污泥的沉降性能变差,颗粒形成的硝化和反硝化的微环境被破坏,从而引起COD和氨氮的降解效率都急剧下降.

3 结 论

(1)SBR反应器中接种厌氧颗粒污泥,以醋酸钠作为碳源,培养出了好氧颗粒污泥.颗粒污泥为球形,呈淡黄色,直径在 1.2～1.4 mm之间.成熟的好氧颗粒污泥具有良好的沉降性能.

(2)污泥颗粒内部形成了硝化和反硝化的微环境.出水中的硝酸盐氮最后稳定到5 mg左右,这时硝化与反硝化达到了平衡.

(3)当选用制药废水作为营养来源时,氨氮和COD的降解率都很低.颗粒污泥发生了解体,出水变得浑浊.

(4)为了考察好氧颗粒污泥对制药废水的处理效果,在不改变营养来源的情况下,通过改变反应器的运行条件去消除颗粒解体的现象,结果都不理想.

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