进水基质对好氧颗粒污泥形成的影响及稳定性研究

张琳洁,张玉蓉,沈　忱,李艾莉,张哲文(兰州理工大学土木工程学院,甘肃兰州　730050)

进水基质对好氧颗粒污泥形成的影响及稳定性研究

张琳洁,张玉蓉,沈忱,李艾莉,张哲文
(兰州理工大学土木工程学院,甘肃兰州730050)

以网板式SBR反应器处理校园实际生活污水,考察了进水基质对好氧颗粒污泥培养过程的影响.通过试验对比实际生活污水与试验室人工合成生活污水对好氧颗粒污泥快速颗粒化的影响.结果表明:人工合成废水培养出的颗粒污泥处理效果与实际生活污水处理效果相当,进水基质不同并不会明显影响好氧颗粒污泥的形成及其稳定性,但是由于校园生活污水中有机物种类丰富,有机负荷较大,取用方便.从实际可行的角度出发,人工模拟合成废水成本较高,因此以校园生活污水为培养基培养好氧颗粒污泥并运行研究比人工模拟合成废水进行培养研究更有说服力和实际意义且可操作性更高.

好氧颗粒污泥;SBR;校园生活污水

引用格式:Zhang Linjie,Zhang Yurong,Shen Chen,et al．Influence of Influent Substrate to Formation of Aerobic GranG ular Sludge and Stability Study of Aerobic Granular Sludge[J]．Journal of Gansu Sciences,2016,28(2):101G105．[张琳洁,张玉蓉,沈忱,等．进水基质对好氧颗粒污泥形成的影响及稳定性研究[J]．甘肃科学学报,2016,28(2):101G105．]

近年来,随着我国城镇经济文化的快速发展,水环境受到前所未有的严峻挑战,城镇污水建设也受到重视,农村生活污水无处理随意排放引起点污染也随之加剧,而生物降解法是去除污水中有机物最有效的办法之一,且好氧颗粒污泥是近十几年来发展的新工艺,好氧颗粒污泥可以看作是一种特殊的生物膜[1].大多数的研究者都是在序批式反应器(SBR,seguencing batch reactor)中研究好氧颗粒污泥,通过SBR培养好氧颗粒污泥成功率高,具有沉降性好、容积负荷高等优点.同时好氧颗粒污泥在处理效果以及占地面积和操作费用等方面都具有很大的优势[2G4],可以广泛应用于处理农村生活污水,防止点源污染.影响好氧颗粒污泥形成的因素有很多,较短的沉降时间,较高的有机负荷,适当的水力剪切力都有利于污泥颗粒化.污泥龄、水力停留时间以及进水方式等也都影响着污泥颗粒化的进程.高景峰等[5]将沉淀时间降低为6 min时,出现了颗粒污泥,在沉淀时间降低为4 min的第6天,好氧颗粒污泥培养成熟,肉眼可见.从降低沉淀时间到好氧颗粒污泥培养成熟共耗时28天.在SBR系统中,瞬间进水条件下反应器内的底物浓度出现富营养向贫营养的很快过渡,从而引发污泥中的生物体对基质的竞争,活性较好的微生物将基质储存到细胞内部以便在贫营养条件下进行内源代谢[6].虽然荷兰DHV公司已经将AGS工程化[7],但是好氧颗粒污泥的快速培养和稳定维持还存在很多问题.目前,许多关于对好氧颗粒污泥的研究都是通过人工模拟合成废水进行的,不利于好氧颗粒污泥技术广泛应用,以实际生活污水作为进水基质使污泥迅速颗粒化的研究及有关颗粒特性的研究报道较少.试验通过维持相同的曝气量、水力剪切力以及温度等因素分别以人工模拟废水和校园实际生活污水为进水基质,分析研究不同的进水基质对好氧颗粒污泥的形成过程、稳定性能等方面的影响.

1　材料和方法

1．1试验装置及运行流程

设置SBR为圆柱形反应器,高度为1．2 m,内径为17 cm,为提高颗粒所受的水力剪切在系统中架设水平网板,网板直径为16 cm,孔间距为5 mm,孔径为8 mm,网板之间的间距为20 cm,反应器有效容积为27 L,其装置如图1所示.

图1　网板式SBRFig．1　Screen type SBR

1．2试验用水

分别采用校园生活污水和人工模拟废水培养好氧颗粒污泥,其中校园生活污水,COD为500~ 1 800 mgűL－1、NH4GN为100~220 mgűL－1、TP为4~25 mgűL－1.人工模拟废水,即以乙酸钠为碳源,NH4Cl为氮源,KH2PO4为磷源,添加少量微量元素,反应器的进水、曝气、沉降、出水、闲置等各阶段都通过时间继电器自动变换控制.配比成分见表1.

1．3接种污泥

接种污泥均采用兰州市安宁区污水厂二沉池的污泥.污泥为黑色絮状体.

1．4试验方法

为落实上述目标，方案从完善可持续筹资政策、提高贫困人口待遇水平、促进就医公平可及、优化基层公共服务、加强医疗服务管理等方面提出了一系列重点措施，贯穿医保参保缴费、待遇支付、保障标准、管理服务、就医结算等全过程。

设置两组SBR作对比试验并且进行水质分析.据水质检测分析标准[8,9],COD的测定采用重铬酸钾法,NO2GN的测定用乙二胺光度法,NO3GN的测定用酚二磺酸光度法,NH4GN的测定用纳氏试剂分光光度法,TP的测定用钼锑抗分光光度法.

表1　模拟生活污水组成Table 1　Simulation of constitution of domestic sewage

1．5试验运行分析

试验周期为6 h,每个周期包括进水1 min,曝气5．5 h,沉淀,静置,出水3 min,共5个过程,通过沉淀时间加快颗粒污泥的形成,使稳定的颗粒保存下来,在试验温度为18~25℃的室内环境温度下进行.

2　结果与分析

2．1好氧颗粒污泥颗粒化的过程

利用光学数码显微镜对污泥的表面形态进行观察,接种污泥为黑色絮状体,培养10天后在SBR系统内形成小的颗粒污泥,但污泥中絮体占比例较大,在第35天时观察污泥形态并且发现污泥形成颗粒,呈现致密光滑椭球型,但粒径较小.

人工模拟废水培养出好氧颗粒污泥,在SBR中污泥培养7天时,有小的颗粒污泥,在系统运行30天时,发现较多的颗粒污泥.在试验后期,少数颗粒污泥发生膨胀.

2．2颗粒污泥的稳定性能

表2　颗粒污泥稳定性能Table 2　Stability of granular sludge

从表2中的相关数据可以看出,实际污水培养的好氧颗粒污泥的MLSS在第35天时为5 910 mg/L,而SV30为17%,污泥的沉降性能较之前变好.人工污水培养的颗粒污泥在第30天时,MLSS为4 030 mg/L,SV30为18．5%.从肉眼观察,二者在试验中期,都有颗粒污泥形成,结构较密实.通过对比数据发现,在实际的污水培养的颗粒污泥的沉降性能率只是略高于人工污水培养的,二者差别不大,这说明进水基质的不同对好氧颗粒污泥的形成没有太大的影响.

2．3反应器运行情况

在人工污水培养好氧颗粒污泥的前提下,王瑛等[10]考察反应器中架设网板对污泥颗粒化影响的研究表明,有网板的反应器对污水中COD以及脱氮除磷的效果较好.试验在有网板的反应器中,采用实际校园生活污水对好氧颗粒污泥进行培养研究.高负荷下进水COD去除率的效果对比如图2所示.

图2　高负荷进水COD的处理效果Fig．2　Treatment effect of COD of highGload intake water

从图3的数据可以看出,在试验培养颗粒污泥的阶段,氨氮的进水质量浓度在170~190 mg/L之间,去除效果并不理想,在试验进行30天后,去除效果逐渐上升,在试验进行到45天时,氨氮的进水浓度大幅度减小,但氨氮的脱氮效果并没有受到影响,处理效果平稳上升.初步分析是由于校园生活污水中COD充足,能够维持硝化菌和反硝化菌在脱氮过程中的碳源,同时,试验过程中保持曝气量充足,能够保证硝化菌对氧的需求,从而维持菌群活性,使得脱氮过程能够顺利进行.因此,在这个过程中,好氧颗粒污泥能去除校园生活污水中的氨氮,同时在氨氮浓度变化的情况下保证一定的去除率.

一般而言,在处理污水的过程中,对磷的去除是利用聚磷菌来完成的.首先,大量的微生物通过外部环境来摄取磷,并将磷以聚合的形态来贮存在菌体内,形成高磷污泥,排出系统外,达到除磷的效果.好氧颗粒污泥对TP去除率的效果对比如图4所示.

由图2可以看出,人工模拟的污水培养的颗粒污泥在前10天时,污泥处于培养驯化阶段,处理效果不稳定,在25~30天时,颗粒污泥絮体不稳定,导致处理效果跨度较大.而实际生活污水培养的好氧颗粒污泥处理效果稳定上升,且并没有因为高负荷下的进水浓度、外界环境的冲击等因素使颗粒污泥发生膨胀,因此实际生活污水培养的好氧颗粒污泥稳定性更好.

在处理校园生活污水的过程中,好氧颗粒污泥的脱氮主要进行的是传统的脱氮过程,即亚硝酸盐菌将氨氮转化为亚硝酸盐,再由硝酸盐菌将亚硝酸盐转化为硝酸盐,然后通过反硝化作用脱氮.处理效果见图3.

图3　好氧颗粒污泥对氨氮处理效果Fig．3　Treatment effect of granules to ammonia nitrogen

图4　好氧颗粒污泥对TP的处理效果Fig．4　Treatment effect of granules to TP

从图4中可以发现,不论进水浓度的高低,颗粒污泥对于TP的去除呈现稳定上升的趋势,尤其是校园生活污水培养的颗粒污泥没有受到外界环境的影响,最高去除率达到73%,平均去除率达到62．57%.而对于人工模拟的污水的颗粒污泥,效果上下幅度较大,最高达到79%.在外界冲力较大时,污泥的去除能力下降,平均去除率61．59%.由于好氧颗粒污泥自身结构的特点,颗粒污泥由外到内呈好氧、厌氧、缺氧的氧浓度梯度,外部的好氧区有利于聚磷菌在好氧阶段吸收磷,而内部的厌氧区利于聚GβG羟丁酸的富集,在外部碳源不足的情况下,聚磷菌可以将聚GβG羟丁酸作为碳源利用,进而有利于聚磷菌的富集,从而有助于除磷的过程.而相比于模拟污水,校园污水正是有这样的特点,模拟污水成分少,碳源比较单一,不利于氧浓度梯度的形成.而校园生活污水有机物种类丰富,有利于聚磷菌富集,碳源种类多,在碳源不够的情况下,有机物种类利于聚GβG羟丁酸产生,从而有助于除磷过程的顺利进行.

在网板式SBR中,虽然在个别时间段内人工模拟的污水颗粒污泥对有机物去除率要比实际校园生活污水的处理效果好,但校园生活污水培养的好氧颗粒污泥整体处理效果较好.试验数据见表3.

表3　好氧颗粒对COD,NH4GN,TP的去除效果对比Table 3　Removal effect contrast of aerobic granules to COD,NH4GN and TP%

通过以上数据的分析,从两者的处理效果来看,虽然人工模拟的污水培养的颗粒污泥最高的去除率比校园生活污水较好,但是整体去除率略低.这说明校园生活污水培养的颗粒污泥具有良好的脱氮除磷效果,能够较好的处理生活污水或有机废水.

实际生活污水成分复杂,微生物相丰富,进水浓度不稳定,但经驯化后成功培养的好氧颗粒污泥的稳定性更强,选择药品进行人工配比来实现污泥迅速颗粒化会导致水体二次污染,购买药品成本较高、人工配比的水成分单一,浓度稳定,颗粒污泥抗冲击性能较差,在高负荷下或试验的后期,污泥会发生膨胀、解体等不理想的效果.

3　结论

(1)进水基质并不是好氧颗粒污泥形成的必要条件.

(2)实际生活污水培养好氧颗粒污泥处理有机废水的可行性方面远远地超过了人工模拟废水,更加高效、节能,在处理污水过程中更具有实际意义.

[1]竺建荣,刘纯新．好氧颗粒活性污泥的培养及理化性研究[J]．环境科学,1999,24(2):39G42．

[2]龙北生,孙大群,边德军,等．采用两级SBR工艺优化除磷脱氮[J]．给水排水,2003,40(11):34G37．

[3]Seo G T,Lee T S,Moon B H,et al．Two Stage Intermittent Aeration Membrane Bioreaetor for Simultaneous Organic NiG trogen and Phosphorus Removal[J]．Water Sei Teclmol, 2000,41(10G11):217G225．

[4]杨国靖,李小明,曾光明,等．利用好氧颗粒污泥实现同时除磷脱氮[J]．中国给水排水,2005,21(2):18G22．

[5]高景峰,郭建秋,毕环宇,等．间歇式除磷好氧颗粒污泥反应器的快速启动[J]．环境工程,2008,27(1):15G18．

[6]He X Q,Liew K M,Ng T Y,et al．A FEM Model for the AcG tive Control of Curved FGM Shells Using PiezoelecGtric SenG sor Actuator Layers[J]．International Journal for Numerical Methods in Engineering,2002,54:853G870．

[7]de Bruin L M M,De Kreuk M K,Giesen A,et al．Biological Waste Water Treatment Using Aerobic GranulesGNereda TM [C]//2nd Workshop on Aerobic Granular Sludge．TU Delft, the Netherlands,2012．

[8]国家环保局编委会．水和废水监测分析方法[M]．第3版．北京:中国环境科学出版社,1997．

[9]顾夏声,黄铭荣．水处理工程[M]．北京:清华大学出版社, 1985．

[10]王瑛,郝启东,孟爱,等．网板及曝气量对SBR中好氧颗粒污泥形成影响的试验研究[J]．甘肃科学学报,2014,26(1): 58G61．

Influence of Influent Substrate to Formation of Aerobic Granular Sludge and Stability Study of Aerobic Granular Sludge

Zhang Linjie,Zhang Yurong,Shen Chen,Li Aili,Zhang Zhewen
(School of Civil Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China)

The influence of influent substrate to cultivation process of the aerobic granular sludge was inG vestigated in treatment of real domestic wastewater of campus by using screen type SBR reactor．Through experimental comparison the influences of the real domestic wastewater and the synthetic domestic wastewater in lab to quick granulation of the aerobic granular sludge,the result showed that the treatment effect of the granular sludge cultivated from synthetic wastewater was equivalent to that of the real domesG tic wastewater,and the formation of the aerobic granular sludge and stability of the same should not be inG fluenced obviously when different influent substrates are applied;however,the domestic wastewater of campus had great organic load and convenient access as a result of rich varieties of organic substances．The synthetic wastewater is featured with high cost from the practical and feasible point;therefore,the cultivaG tion and research of aerobic granular sludge taking the domestic wastewater of campus as culture medium shall be more persuasive and have actual significance and higher operability than those of synthetic wastewater．

Aerobic granular sludge;Seguencing batch reactor;Domestic wastewater of campus

X703

A

1004G0366(2016)02G0101G05

10．16468/j．cnkii．ssn1004G0366．2016．02．022．

2015G01G04;

2015G04G26．

张琳洁(1988G),女,河南省漯河人,硕士,研究方向为污水处理及回用．EGmail:609810945＠qq．com．