蠕虫减量剩余活性污泥的影响因素

朱学峰,周明远,王志伟,杨泽斌

蠕虫减量剩余活性污泥的影响因素

朱学峰1,周明远1,王志伟2,杨泽斌1

(1.上海第二工业大学城市建设与环境工程学院,上海201209; 2.同济大学环境科学与工程学院,上海200092)

以温度、溶解氧浓度和pH为影响因素设计响应面实验,考察不同因素对蠕虫减量污泥的影响。实验结果表明,响应面模型拟合程度较好,温度是影响污泥减量的最重要因素;同时发现,随着温度的降低,污泥减量率由18%下降至9.7%,且低温会影响蠕虫活性;最后,通过对比反应前后污泥沉降性能发现,蠕虫可显著改善污泥沉降性能。关键词:响应面实验;污泥减量率;污泥沉降性能

0 引言

目前我国城市污水排放总量已经超过500亿m3/a,二级处理率达到15%,污泥产量大约为1 500万t/a(按含水率97%计)[1]。污泥的成分极其复杂,含有很多病原微生物、寄生虫卵及重金属等,必须进行适当的处理,否则会导致二次污染。污泥减量已成为研究的热点和难点。然而,传统的化学和物理方法存在着能耗高、设备技术要求高、不经济和有二次污染的问题。微型动物减量污泥技术具有能耗低、环保和无二次污染的优势。黄伟飞等[2]采用蠕虫原位消解污泥技术,大大降低了诸暨市污水处理厂的污泥产率。国外也有研究发现将蠕虫投入曝气池,可减量75%的污泥[3]。以上研究表明蠕虫减量污泥技术是切实可行的。然而,国内外对蠕虫减量污泥的影响因素的深入研究较少。本文以影响蠕虫减量污泥的主要因素(温度、溶解氧浓度、pH)为研究对象,设计响应面实验,同时以污泥减量率为响应值衡量因素影响效果,最后,对比了反应前后污泥沉降性能的变化,对蠕虫调理污泥性质的机理进行了初步探讨。

1 实验装置与方法

1.1实验装置

蠕虫减量污泥实验装置如图1所示,反应容器为1 000 mL烧杯。为了控制温度,实验装置被放入恒温柜中,约800 mL剩余污泥被加入到烧杯中,曝气采用小型曝气机,且可调节曝气量。溶解氧仪用于控制烧杯内的溶解氧;同时,pH计用来监测烧杯内混合液的pH变化。

图1 蠕虫实验装置图Fig.1 Schematic diagram of worm reactor

1.2实验方法

(1)污泥减量

污泥来源于上海市曲阳污水厂曝气池,污泥悬浮固体浓度约为2.7～4.2 g/L。加入800 mL曝气污泥,在反应结束后,由于曝气可能挥发等原因,需要加蒸馏水再次定容到800mL,并将杯子壁上的干泥刮下来。最后将虫用网兜从污泥中分离,并用蒸馏水冲洗粘附在虫体的污泥。然后取样200 mL,测量污泥混合液悬浮固体浓度(MLSS)。为了消除空曝气可能引起的污泥好氧消化,在不同条件下进行蠕虫减量污泥实验的同时,增加一组相同条件不加蠕虫的空白对照实验。

(2)蠕虫投加量及称重

蠕虫来自于上海白龙港污水厂,经微生物种属鉴别为颤蚓科,虫体平均长度约为1.5～2.3 cm。蠕虫投加以湿重(WetWeight)为基准,根据文献[4],确定投加量为2.5 g/L;由于蠕虫是从水中取出,如果湿重的称量方法不准确,其误差会很大。本实验参考了文献[5]的称重方法,将蠕虫放在2张带孔的锡箔纸之间,同时在两张锡箔纸的上下再各放2张滤纸(吸收水分)。在文献中是通过轻微挤压蠕虫来吸水的,但考虑到挤压可能会对蠕虫的活性产生影响,本文用一个恒重小实验来确定蠕虫水分吸干的具体吸附时间,即在滤纸吸附1 min后,将带孔的锡箔纸和蠕虫称重1次,然后继续将锡箔纸和蠕虫放在滤纸之间吸水,以后每隔1 min再次称重,直到其重量不再改变为止。结果表明,在滤纸吸附2 min后,锡箔纸和蠕虫的重量不再变化,即可认为在滤纸吸附2 min后,水分被完全吸走。

(3)污泥减量率

式中:J表示污泥减量率;ρ0为空白对照组污泥浓度;ρ1表示蠕虫反应后污泥浓度。

(4)污泥指标测试

MLSS、混合液挥发性悬浮固体浓度(MLVSS)采用重量法测定(GB11901-1987);溶解氧(DO)由溶解氧仪直接测定(美国YSI)。

2 实验结果与讨论

表1为响应面实验的不同因素取值及响应值最后结果,其中ρDO为溶解氧浓度。

表1 实验组参数设计及实验结果Tab.1 Parameter design and testresults

2.1方差分析

用Design Expert7.5软件对数据进行分析处理,方差分析见表2。表2中:P值表示其对应项的显著性,当P＜0.05时表示显著;R2和R2Adj表示拟合的可靠性,R2越接近1,表示拟合的可靠性越好,并且R2和R2Adj相差越小越好。表2模型的P值均小于0.05,说明模型具有显著性。表2中R2和R2Adj分别为0.89,0.79,说明该模型拟合程度良好,且该模型是合适的。同时模型中的B-温度对应的P值均小于0.05,说明温度对污泥减量具有重要影响。

表2 不同因素对污泥减量率影响的变量分析Tab.2 Analysis of differentfactors affecting sludge reduction rate

2.2回归检验

图2(a)是J的实际值和回归之后的预测值之间关系图。从图中可看出实际值与预测值具有较好的相关性。从图2(b)可看出,不同的J的残差值均匀地分布在中心线上下,这就说明模型对J具有显著性。

2.3响应面分析

从图3可看出,随着温度的降低,污泥减量率呈下降趋势,由最高约18%的污泥减量效果下降到最低约9.7%;当温度下降到15°C后,污泥减量化效果基本保持在9.7%左右,说明温度低会影响蠕虫活性。Hendrickx等[6]发现蠕虫在28°C时,对污泥的减量化效果最佳,其原因是温度较高时,污泥微生物以及酶的活性得到了加强,使得污泥更容易被蠕虫转化为食物。在图中我们发现,DO的变化对污泥减量率并没有大的影响。与文献[4]的结论不同,可能原因是本实验所用的溶解氧较大(均大于3 mg/L),与上述文献不同;另外,本实验蠕虫的密度(约为0.23 kg/m2)与文献中的蠕虫密度(2～3 kg/m2)相差较大。有研究表明,颤蚓的密度不同会影响其生长和繁殖速率[7]。

图4是不同温度和pH对污泥减量率影响的等高线图和响应面图。从图可看出,pH对污泥减量率的影响不是很显著。但值得注意的是,在温度不同的时候,pH对污泥减量的影响不同:在温度较高时, pH变化对污泥减量化几乎没有影响;在温度较低时,pH的变化会影响污泥减量。其原因可能是:在温度较高时,蠕虫活性较高,能适应pH的改变;而温度较低时,蠕虫活性降低,其对pH变化较敏感。

图2 回归检验图:(a)J实际值和预测值之间关系;(b)J预测值的残差图Fig.2 Regression testing diagram:(a)Relationship between J’s actualvalues and predicted value; (b)Residualdiagram of J’s predicted value

图3 不同温度和DO对污泥减量率的影响:(a)不同温度和DO对污泥减量率影响的等高线图;(b)不同温度和DO对污泥减量率影响的响应面图Fig.3 The influence ofdifferenttemperature and concentration of Dissolved oxygen(DO)on sludge reduction rate:(a)Contour plot ofthe influence ofdifferenttemperature and concentration of Dissolved oxygen(DO)on sludge reduction rate;(b)Response surface plotofthe influence of differenttemperature and concentration of Dissolved oxygen(DO)on sludge reduction rate

图4 不同温度和pH对污泥消化率的影响:(a)不同温度和pH对污泥消化率影响的等高线图;(b)不同温度和pH对污泥消化率影响的响应面图Fig.4 The influence of differenttemperature and pH on sludge reduction rate:(a)Contour plotof the influence of different temperature and pH on sludge reduction rate;(b)Response surface plotof the influence of differenttemperature and pH on sludge reduction rate

2.4蠕虫减量对污泥沉降性能的影响

图5是蠕虫对污泥体积指数(SVI)的影响。从图可看出,SVI从反应前的平均107 mL/g减少到反应后的平均56 mL/g,说明污泥的沉降性能大幅提高。Wei等[8]也发现寡毛类蠕虫能改善污泥的沉降性能。其原因是,蠕虫捕食污泥中的有机物质,使得污泥中无机污泥含量增加,SVI增大,污泥沉降性能得到提高。SVI的改善说明蠕虫对污泥有减容的作用。综上分析可知,蠕虫减量污泥的机理是:利用蠕虫对污泥中小颗粒有机质的吞食,从而达到污泥减量的目的。

图5 蠕虫对SVI的影响Fig.5 The influence of worms’predation on SVIof sludge

3 结论

1)通过模型方差分析及回归检验表明,响应面模型具有显著性,温度对污泥减量具有重要影响。

2)随着温度的降低,污泥减量率呈下降趋势,且低温会影响蠕虫活性;同时发现,DO和pH的变化对污泥减量率并没有大的影响。

3)SVI从反应前的平均107 mL/g减少到反应后的平均56 mL/g,蠕虫捕食污泥中的有机物质是沉降性能大幅提高的原因,同时污泥沉降性能的提高有利于污泥的减容。

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Influence Factors of Waste Activated Sludge Reduction by Worms’Predation

ZHU Xue-feng1*,ZHOU Ming-yuan1,WANG Zhi-wei2,YANG Ze-bin1
(1.Schoolof Urban Developmentand EnvironmentalEngineering,ShanghaiSecond Polytechnic University, Shanghai201209,P.R.China;2.Schoolof EnvironmentalScience and Engineering,TongjiUniversity, Shanghai200092,P.R.China)

With temperature,dissolved oxygen concentration and pH identified as the influencing factors,response surface experiment was conducted to study the influence ofdifferentfactors on wasted activated sludge reduction by worms’predation.The results indicated thatresponse surface modelfitted quite well,and temperature was con

sidered as the mostimportantinfluence factors ofsludge reduction by worms;Meanwhile,itwas found thatsludge reduction rate decreased by 18%to 9.7%with the temperature decreasing.Moreover, low temperature would affect the worm activity;Finally,compared with the difference of sludge settleability between pre and post reaction,results illuminated worms would significantly improve sludge settleability.

response surface experiment;sludge reduction rate;sludge settleability

TU991.2

A

1001-4543(2013)04-0253-05

2013-06-02;

2013-10-23

朱学峰(1983–),江苏人,男,讲师,博士,主要研究方向为污泥减量化及膜分离中水回用研究,电子邮箱xfzhu@sspu.edu.cn。

上海第二工业大学校基金项目(No.EGD13XQD16)资助