A/O两种工况条件下污泥胞外聚合物的比较研究

高占尧,仝攀瑞,徐甜甜

(1.西安工程大学 发展规划处,陕西 西安710048;2.陕西海蓝环保科技有限公司,陕西 西安710043)

0 引 言

随着化纤织物的发展和印染后整理技术的进步,PVA浆料新型助剂等难生化降解有机物大量进入印染废水,原有的生化处理系统对 CODCr去除率大都由原来的70%下降到50%左右,有的甚至更低,给处理增加了难度[1-3].面对这种状况,个别印染废水处理站对水解酸化-好氧生物处理工艺进行了改进,即将二沉池污泥全部回流到水解酸化池,取得了明显的处理效果;对此,学者展开了大量的研究,但对其活性污泥表面特性的分析研究,相关文献论述较少.

胞外聚合物(EPS)是生物聚集体的重要成分,对活性污泥的形成及其性质与性能都有重要的影响.EPS的化学成分比较复杂,其组分因来源不同而有所差别.总的说来,蛋白质和多糖是EPS的主要成分,约占有机物总量的70%～80%,而核酸脂类、腐殖酸、糖醛酸等仅占有机物总量的10%～20%[4-6].目前,人们对EPS的研究重点主要集中在蛋白质和糖类,对EPS中其他成分的研究和应用较少.

自20世纪40年代以来,大量学者经研究认为EPS是生物絮凝中的关键物质.Bruus等[7]研究认为:EPS中多糖在活性污泥的生物絮凝中起主要作用;而Matthew等[8]则报道,EPS中蛋白质在活性污泥的生物絮凝中起主要作用.不同的EPS含量可能会间接的反应出污泥活性的变化和污水CODCr去除率的变化,但对EPS的研究还仍停留在污泥微生物的絮凝沉降阶段,污泥活性的变化必然会引起EPS含量的变化,同样当污泥胞外EPS含量变化时,也间接的反应出污泥活性的改变,污泥降解性能也会随之改变,体现在数据上就是污水CODCr的去除率的不同.本文通过对各池中胞外聚合物总量与多糖/蛋白质值的对比分析,研究了A/O全部回流与部分回流工艺各处理阶段pH对污泥胞外聚合物组分的影响和污泥胞外聚合物对污泥性能的影响.

1 实 验

1.1 污泥及废水处理条件

实验采用水解酸化-好氧(A/O)工艺.在该工艺中,通常做法是将二沉池回流污泥部分回流到好氧池内,剩下的污泥排放;但极少数的做法是将二沉池回流污泥全部回流到水解酸化池内.为了描述方便,将部分回流到水解酸化池的工艺叫做部分回流工艺,全回流到水解酸化池的工艺称做全部回流工艺.

该实验配水池有效容积为70L,每次配水50L,一天两次.进水配比:葡萄糖1 000mg/L;NH4Cl 100mg/L;KH2PO420mg/L;Na2CO3300mg/L.微量元素:CaCl210mg/L;MgSO45mg/L;MnSO45mg/L;FeSO45mg/L.接种污泥来自咸阳某印染厂污水站二沉池回流污泥,将其静置沉降2h后倒掉上清液,隔绝空气发酵5～6 d后作为好氧池与水解酸化池的接种污泥.测定接种污泥MLSS为9.52g/L,为了使接种污泥更好地适应模拟废水,实验测试前对工艺进行了污泥的驯化培养.

水解酸化池和好氧池的有效容积分别为70L和40L,污泥接种量分别为37L和15L.为了加快挂膜速度以及更好地促进好氧池污泥的成熟,实验装置启动时,采取好氧池和水解酸化池单独驯化,然后再采用串联并连续运行的方式.好氧池和水解酸化池单独驯化的完成共耗时20d,随后,将2单元串联连续运行20d.连续运行期间水解酸化池出水CODCr为279.5～421.1mg/L,CODCr去除率高于50%,经过曝气池进一步处理后,CODCr和色度的总去除率分别为80%～90%和60%以上,可有效地将有机污染物质降解去除.试运行后期,系统运行稳定,对污染物质的去除率也比较稳定,达到预期设计的去除效果.驯化完成后连续进水,水解酸化池HRT为14 h,好氧曝气池HRT为8h.

1.2 实验方法

1.2.1 EPS提取 分别在池上、中、下3点各取样10mL,充分混合后取5mL混合液,在转速为3 500r/min条件下离心10min,并用超纯水洗涤3次,再在转速为12 000r/min条件下离心20min,将上清液移至干燥的试管中备用.

1.2.2 多糖测定 取2mL EPS提取液与4mL蒽酮试剂,摇匀,室温放置30 min后利用紫外-可见分光光度计在波长为625nm条件下测其吸光度,并记录吸光度值A,将A代入标准曲线中就可求出水样中多糖含量.

1.2.3 蛋白质的测定 取EPS提取液1mL与G-250试剂5mL,摇匀,室温放置5min后利用紫外-可见分光光度计在波长为595nm 条件下测其吸光度,并记录吸光度值B,将B代入标准曲线中就可求出水样中蛋白质含量.

2 结果与讨论

2.1 水质变化

污泥回流方式的不同必然会导致各反应器水质环境的变化,而这一变化也是使反应器内污泥微生物性质与对有机物去除率变化的根本所在.

表1 不同工艺各反应阶段pH值

不同工艺各反应阶段pH值见表1，从表1可以看出，两种工艺各自在半个月的稳定运行中,好氧池内pH值基本保持在中性与偏碱性状态,变化幅度不大,pH值在7～8之间变化;而水解酸化池内的pH值却变化较大,很显然部分回流工艺缺氧段的pH值较小,在5～6之间变化,而全部回流工艺缺氧段的pH值在6～7之间变化.

图1 全部回流工艺水解酸化池DO与CODCr去除率关系图

部分回流工艺水解酸化池溶解氧稳定在0.5mg/L,全部回流工艺水解酸化池由于二沉池回流污泥带入的一部分溶解氧会使池内的溶解氧值有一定的波动,很难稳定到0.5mg/L,而是在其附近波动.全部回流工艺水解酸化池DO与CODCr去除率关系如图1所示.从图1可以看出,连续10d溶解氧DO在0.3～0.8mg/L的范围内变化,对应的CODCr去除率围绕在57%附近上下波动,而且波幅并不是太大,并未呈现出明显的规律性.

综上所述,可以说明回流污泥带入的一小部分溶解氧没有太大的影响.导致全部回流工艺与部分回流工艺水质环境变化,进而影响活性污泥微生物性质变化的主要因素是2种工艺前处理阶段——水解酸化段pH值的不同.

2.2 多糖与蛋白质总浓度

图2 缺氧段多糖与蛋白质总浓度对比图

本文2.1中提到影响全部回流与部分回流工艺污泥性质与降解效率变化的主要原因就是缺氧段水解酸化池内pH值的不同,结合图2,全部回流工艺缺氧段pH值在6～7之间,多糖与蛋白质总量最大为25.86mg/L,平均值为11.55mg/L;部分回流工艺缺氧段pH值在5～6之间,多糖与蛋白质总量最大为17.45mg/L,平均值为7.42mg/L,显然全部回流工艺缺氧段的多糖与蛋白总量较大.这是由于回流污泥微生物为了抵抗恶劣的酸性环境,分泌出较多的粘性物质即多糖将自己包裹起来,所以会在胞外分泌出大量多糖;同时,由于较低的可生化性和较高的有机负荷,一部分回流微生物不能适应新的环境而死亡解体,释放出胞内糖类、蛋白质和DNA等物质,回流的污泥越多,内源呼吸是自身消解的微生物就越多,所以总体上全部回流工艺缺氧段多糖与蛋白总量较大.总的说来,蛋白质和多糖是EPS的主要成分,约占有机物总量的70%～80%,目前人们的研究重点主要集中在EPS中的蛋白质和糖类,而对EPS中其他成分的研究和应用较少.

图3 好氧段多糖与蛋白质总量对比图

从图3可以看出,全部回流时好氧池内微生物胞外多糖与蛋白质总量远高于部分回流时的值,全部回流时平均值为10.71mg/L,部分回流时的平均值是3.34mg/L.二沉池污泥的全部回流使得整个系统的污泥形成一个大循环,各反应器内污泥处于不停的消解转化状态,这使得污泥微生物在不断适应新环境时分泌出的多糖与蛋白质含量远高于部分回流系统;部分回流工艺好氧池内污泥含量微生物的生长繁殖和二沉池污泥的间歇回流通过两方面维持:全部回流工艺好氧池污泥含量的也是通过微生物的生长繁殖和水解酸化池缺氧泥的连续流入两方面维持.

众所周知,微生物的生长繁殖速度远没有污泥流失的速度快,所以不管是何工艺,好氧池污泥含量的维持主要还是靠外界的加入,而部分回流工艺好氧段补充的是二沉池沉降下来的污泥,仍属于好氧污泥,全部回流工艺好氧段补充的是水解酸化池流出的缺氧污泥.所以部分回流工艺基本上不存在污泥的驯化适应,自然污泥微生物分泌出的胞外多糖与蛋白质总量就较小.

图4 缺氧段多糖/蛋白质对比图

2.3 多糖/蛋白质值

研究了不同水质环境下,胞外聚合物多糖与蛋白质总量的变化规律,我们发现不同的pH环境下,多糖与蛋白质的总量不同.糖类物质的粘性较大,所以多糖与蛋白质的总量中哪类物质的贡献较大,直接关系到污泥的絮凝效果,糖类占的比重多时,污泥的沉降性就差.

图5 好氧段多糖/蛋白质对比图

图4，5分别为缺氧段与好氧段多糖/蛋白质对比图.从图4，5可以掉看出，部分回流工艺缺氧段的多糖/蛋白质值最小,平均值为4.72,越接近中性,比值最大,全部回流工艺缺氧段的平均比值是32.7,部分回流工艺与全部回流工艺好氧段的水质偏碱性,平均比值分别为7.48和9.47.酸性环境下,虽然总量最大,多糖/蛋白质值最小,所以污泥的沉降性最好;中性环境虽说是较温和的环境,但多糖/蛋白质值最大,导致经常有污泥絮凝性下降,由于多糖的黏粘性,菌胶团之间会相互粘接到一块形成以镂空状物块,使得整体表面积增大,密度降低,沉降性下降,有时还会出现浮泥现象.而这一环境恰恰是微生物生成代谢的最适环境.所以日常运行中,适当控制曝气池内的pH值,有助于维持活性污泥的较高活性.

3 结 论

(1) 导致全部回流工艺与部分回流工艺水质环境变化,进而影响活性污泥微生物性质变化的主要因素就是水解酸化段pH值的不同.

(2) 部分回流工艺缺氧段pH值在5～6之间,多糖与蛋白质总量最大为25.86mg/L,平均值为11.55mg/L;全部回流工艺缺氧段pH值在6～7之间,多糖与蛋白质总量最大为17.45mg/L,平均值为7.42mg/L,显然多糖与蛋白质总量在酸性环境下较大,且全部回流工艺好氧池内微生物胞外多糖与蛋白质总量远高于部分回流工艺.

(3) 中性环境多糖/蛋白质值最大,碱性次之,酸性环境下,多糖/蛋白质值最小.

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