连续流好氧颗粒污泥系统的稳定运行——通过调控回流比及有机负荷

李 冬,杨敬畏,李 悦,张 杰,2

连续流好氧颗粒污泥系统的稳定运行——通过调控回流比及有机负荷

李 冬1*,杨敬畏1,李 悦1,张 杰1,2

(1.北京工业大学,水质科学与水环境恢复工程北京市重点实验室,北京 100124；2.哈尔滨工业大学,城市水资源与水环境国家重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150090)

室温下接种成熟的好氧颗粒污泥于由独立的厌氧池和好氧池组成的交替厌氧/好氧连续流系统中,成功通过控制混合液回流比和有机负荷实现了连续流好氧颗粒污泥工艺的稳定运行.结果表明,通过调控较低进水有机负荷(300mg/L)及较低回流比(200%)使连续流系统有较好的脱氮除磷性能,出水COD,TN和TP平均浓度分别为18.78,5.79和0.49mg/L,平均去除率分别为93.76%,84.3%和83.12%.在COD浓度为500mg/L时,长期运行的连续流系统缺乏饱食饥饿的环境胁迫,导致丝状菌的生长,系统性能的恶化.用平行因子模型对不同阶段的颗粒污泥和系统出水进行表征,结果表明,有机负荷对外源底物利用相关中间产物的产生有较大影响,进水COD为300mg/L时既能有较好的脱氮除磷性能,亦能有效降低出水中基质代谢中间产物的生成量,避免了为后续消毒工艺产生消毒副产物.因此在实际的城镇污水处理厂应用中,交替厌氧/好氧连续流长期在排放限额的有机浓度(500mg/L)下运行需要增加预处理设施降低进水有机负荷,以实现连续流好氧颗粒污泥的稳定运行.

交替厌氧/好氧；连续流好氧颗粒污泥；回流比；有机负荷

与传统活性污泥工艺相比,好氧颗粒污泥工艺具有更高的处理性能和更高的生物量[1-2],近几十年来,国内外学者对于好氧颗粒污泥工艺的反应器构型和工艺参数优化等方面做了很多研究.好氧颗粒连续流工艺虽然比间歇操作有很多优点,但由于连续流条件不利于污泥颗粒化和颗粒污泥稳定限制了其在实际生产中的应用.因此,探寻更加经济环保和稳定的同步脱氮除磷好氧颗粒污泥连续流工艺具有重要的现实意义[3-4].

Li等[5]研究了新型的可控制颗粒沉淀时间连续流的生物除磷工艺启动和长期运行,结果表明,16d内连续流反应器启动成功且稳定运行时除磷效果和COD去除效果良好,然而不具备脱氮功能.同时Chen等[6]对一种新型颗粒污泥连续流膜生物反应器的启动和影响颗粒化过程的主要因素进行了试验,结果表明,该反应器对 COD和 TN的去除率均超过 80%,但其不具有除磷功能,故Li等[7]使用一体式连续流反应器在内部分割出厌氧区,好氧区和颗粒污泥选择区,在4个月的运行时间里,该系统具有较好的脱氮除磷性能,COD,TN和TP的平均去除率分别为95%,70.6%和77.4%.所以,上述研究针对的是好氧颗粒污泥连续流工艺中的脱氮或者除磷,在连续流工艺中同步脱氮除磷的研究相对较少,并且一体化反应器中厌氧区并未达到实际的微生物所需生存环境,异养菌未能充分利用碳源,致使好氧区的COD过高,C,N和P比例失调,导致丝状菌繁殖,系统脱氮除磷性能受到影响.因此具有同步脱氮除磷性能的连续流工艺的操作模式有待进一步研究.

基于上述认识,采用自行研制的交替厌氧/好氧连续流系统处理废水.该连续流反应器在Li[7]等人的一体式反应器的基础上附加独立的厌氧区,在两级连续流系统内呈现出明显的COD浓度差,不仅提高了传质动力,亦有效抑制了丝状菌的过度生长,这种空间上形成的厌氧/好氧间歇运行方式使得脱氮除磷过程不只依赖于颗粒本身,连续进水的基质补充条件下使连续流系统有着较高的脱氮除磷效率.弥补了一体式反应器易丝状菌过度繁殖和不能同步脱氮除磷的缺陷[8].

该反应器的交替回流增加了废水在反应器中的上升流速,一方面会增强系统内废水与颗粒污泥间的传质作用,对系统稳定运行具有促进作用,但另一方面过大的剪切力又会对颗粒污泥产生冲击作用,进而影响到系统对污染物的去除能力.同时回流比作为一项重要的反应器调控参数,具有稀释和减弱系统中的污染物浓度,改变进水的COD/TN比,调节系统中的溶解氧浓度,改变系统中水流流速以及影响系统的处理效能的作用.对颗粒的形成速度,结构和稳定性影响显著,被认为是影响连续流好氧颗粒污泥稳定性的关键因素,为实现交替厌氧/好氧连续流的稳定运行,有必要研究回流比对连续流系统的影响.

同样,有机负荷对连续流好氧颗粒污泥稳定性有重要影响,这是因为以异养菌为主的好氧颗粒污泥需要以有机物为食进行新陈代谢反应,同样,沈耀良等[9]对连续搅拌反应器中培养好氧颗粒污泥的运行性能进行研究时发现,丝状菌的繁殖也与有机负荷有很大的关系.为此我们需要研究有机负荷对交替厌氧/好氧连续流系统的影响,确定该系统最佳参数条件,实现交替厌氧/好氧连续流系统的稳定运行.

因此,本研究的主要内容是在已有研究基础上,研究回流比和有机负荷对交替厌氧/好氧连续流系统的影响,确定该系统最佳参数条件,分析不同条件下反应器内好氧颗粒污泥的特性,并通过考察出水的处理效果,探究反应器运行过程中的规律,选取适宜有机负荷及调控回流比实现交替厌氧/好氧连续流的稳定运行,研究结果对于交替厌氧/好氧连续流工艺运行的有效调控具有重要意义,最后解析不同参数条件下的颗粒污泥EPS,将污染物去除和污泥特性相关联,进一步考察回流比和进水有机负荷对好氧颗粒污泥连续流系统的影响.

1 材料与方法

1.1 实验装置与运行参数

采用由非曝气池和曝气池串联组成的厌氧/好氧交替连续流反应器[8],反应器均由有机玻璃制成.本文采用系统内部形成的水力剪切力(机械搅拌及曝气)完成厌/好氧区的交替过程从而代替蠕动泵压破颗粒的不利影响,其中回流比通过控制阀门开关来计算.颗粒污泥选择区为在好氧区内置的颗粒污泥选择装置,其特殊构造使其更好进行泥水分离防止气泡进入选择区内,然后使沉降的颗粒污泥返回好氧区,实现污泥的回收.

运行方法是首先生活污水由水泵进入厌氧反应区(图1b区),然后经过厌氧搅拌的生物反应后,带有颗粒污泥的废水流入好氧反应区(图1a区).在颗粒污泥选择区(图1c区)中,沉淀性能较好的颗粒污泥在没有水泵提供任何压力的情况下会自动回落到好氧区(图1a区),实验装置如图1所示,各部分体积如表1所示.

为研究交替连续流系统中两关键因素,实验采用两因子两水平的阶乘设计方案.在固定水力停留时间为10h,进水NH4+-N为35mg/L和TP为3mg/L条件下,以COD和回流比为变量,选择较高回流比(400%)和较低回流比(200%)为两回流比水平,COD浓度根据模拟国家排放标准城镇二级污水处理厂排放限额(500mg/L)和实测生活污水平均COD浓度[8](300mg/L)两种进水有机负荷进行阶段Ⅰ至阶段Ⅳ的实验设计.具体运行参数见表2.

图1 交替厌氧/好氧连续流工艺示意

1.搅拌器;2.曝气泵;3.进水泵;4.曝气盘;5.出水口;6.阀门;a.好氧区;b.厌氧区;c.颗粒污泥选择区

表1 反应器各部分体积

表2 实验运行阶段及条件

1.2 接种污泥

反应器接种实验室培养的成熟好氧颗粒污泥,反应器初始污泥浓度为2900mg/L.

1.3 分析及计算方法

检测反应器出水碳,氮和磷的浓度,其中COD和TP测定采用SB-3B型COD多参数快速测定仪,NH4+-N采用纳氏试剂光度法测定,NO2--N采用-(1-茶基)一乙二胺光度法测定,NO3--N采用紫外分光光度法测定[10].DO监测采用WTW多参数测定仪.MLSS按照称重法测定.

本实验中HRT和回流比()按下式计算:

(1)=回流流量/进水流量(回流流量的测定按照管中流速及横截面积测算)

(2)HRT=反应器体积/进水流量

1.3 EPS提取方法

胞外聚合物(EPS)按照改良的热提取方法提取[11-12],首先在室温下取30mL颗粒污泥用离心机4000g的作用力下离心10min,脱水后,颗粒污泥混合物用缓冲液定容到30mL.悬浮液在离心机4000g作用力下再次离心15min,去除上清液.随后,用上述缓冲溶液重新定容至30mL.将颗粒污泥悬浮液在水浴中加热至60℃,30min,每隔10min摇动1次,再将颗粒污泥混合物在20000g和4℃下离心20min.进行3次样品平行测试.胞外聚合物中蛋白质(PN)采用Lowry法测定,多糖(PS)采用葱酮硫酸法测定[13-14].

1.4 三维荧光和平行因子分析

对不同阶段颗粒污泥的EPS进行三维荧光扫描,采用扫描参数为:激发/发射波长间隔10nm,扫描速度15000nm/min,激发带宽及发射带宽为10nm,调整增益为550V,自动匹配响应时间.得到扫描数据组后,采用Stedmon和Rasmus Bro开发的MALAB toolbox DOM Fluor对得到的结果进行平行因子法建模.根据每个模型的残差确定每个样品中的组分数.

2 结果与讨论

2.1 运行各阶段污染物去除效果

好氧区曝气量为1mL/min,DO保持在5mg/L左右,厌氧区DO在整个阶段均保持在0.05mg/L以下.运行过程中NH4+-N,NO2--N,NO3--N,TN,TP和COD变化情况如图2所示.结果表明在实验进行的110d内COD去除率均保持在85%以上,COD去除能力较好,这说明两级好氧颗粒污泥连续流系统有着较强的COD去除率.

在实验的第Ⅰ阶段,两级连续流系统有着稳定的同步脱氮除磷性能,出水COD,TN和TP平均浓度分别为18.78,5.79和0.49mg/L,平均去除率分别为93.76%,84.3%和83.12%.同时,对厌氧区进水的COD监测可以看到,厌氧区进水口COD的浓度大致是沉淀区出水浓度2倍左右,这表明厌氧区的有机碳源并未被充分利用,说明富含底物的基质在两级反应器的交替循环中经过较长了路径,厌氧区内的基质丰富阶段和好氧区内的基质匮乏阶段,在连续流系统中初步形成了饱食饥饿的交替环境[8],这有利于系统的长期稳定运行.同时在空间上形成的厌氧/好氧间歇运行方式使得脱氮除磷过程不只依赖于颗粒本身,连续进水的基质补充条件使系统有着较高的脱氮除磷效率,此阶段30d的时间里系统性能保持稳定,污泥特性良好,系统实现了稳定运行.

将回流比调为400%而保持进水COD浓度不变,结果表明,在频繁的交替厌氧/好氧次数下,亚氮积累率逐渐升高,这是因为在交替厌氧/好氧连续流系统中从厌氧区过渡到好氧区时,AOB由于自身生理特性的原因,能够快速的从厌氧的环境恢复活性,而NOB不能[15].Kornaros等[16]指出从厌氧到好氧的过程中,与NOB生长密切相关的一种酶失活导致NOB活性下降[17].所以调控较高回流比的运行方式抑制了NOB的生长,使系统出现NO2--N的积累.同时由于频繁的交替频率,导致异养反硝化菌与有机物接触时间变短,导致反硝化速率降低.所以在此阶段,TN的平均去除率下降至67.36%.

随着第Ⅲ阶段COD浓度的升高,COD平均去除率降低至86.98%,这是由于回流比过大,交替速率过快导致异养菌与有机负荷接触时间较短,COD去除率降低,但是由于有机负荷的增加使外部碳源得到及时的补充,TN的去除率上升至85.68%,在此阶段前期连续流反应器同样有着较好的脱氮除磷性能,但同时发现随着实验运行到第76d时,由于交替速率过快,使厌氧区内的COD并未降解完全就流入好氧区,导致两级连续流系统未出明显的COD浓度差,造成了丝状菌的过度生长[26]和系统性能的恶化,导致系统失稳.

在最后一个阶段的实验过程中,降低回流比至200%,异养菌与有机负荷的接触时间变长,系统性能得到一定程度的恢复.但同时对厌氧区COD的监测可得,进水的COD和出水的COD浓度仍未出现明显的差值,这说明在两级连续流系统中未形成基质贫乏阶段,虽然丝状菌的生长得到一定程度上的抑制,但COD去除率仍然较低,此时TN去除率为77.91%,系统性能并未因为回流比的降低而好转.说明两级连续流承受高进水有机负荷能力不足.

2.2 污泥特性的变化

2.2.1 污泥浓度及沉降性能的变化 如表3所示,接种污泥后,反应器内MLSS为3000mg/L,SVI为37mL/g.实验过程中,每阶段末从反应器中间位置取样口取均质泥水混合样品进行检测分析.实验开始的60d内污泥物理特性变化较小,在第60d时MLSS轻微下降到2900mg/L左右,SVI保持在38mL/g,说明回流比的改变并不会影响两级交替连续流系统中的颗粒污泥浓度及沉降性能,系统保持稳定运行.随着进水COD浓度升高至500mg/L时,可以看到部分颗粒污泥解体,造成MLSS减小,同时丝状菌大量繁殖,SVI升高至61mL/g,对连续流系统中污泥造成破坏,说明高进水COD浓度不利于好氧颗粒污泥的稳定性,同时回流比对两级连续流系统的污泥特性影响较小.

表3 运行过程中MLSS,MLVSS,SVI和EPS变化情况

2.2.2 EPS分析 有研究表明,EPS由PN和PS组成,PN和PS浓度影响好氧颗粒污泥的稳定性[18-19].不同阶段下好氧颗粒污泥分泌的EPS含量(以SS计)如表3(测定多次结果较为稳定,故表中采用平均值表示)所示,接种后的颗粒污泥在第I阶段,PN,PS浓度和PN/PS基本保持稳定.随后增大回流比,交替厌氧/好氧速率加快,在相同基质浓度下时,回流比较低阶段的好氧颗粒污泥分泌EPS高于回流比较高阶段的好氧颗粒污泥,这可能是由于较低回流比的两级反应器中容易产生较大基质浓度差,由于细菌的作用[20],在厌氧阶段产生的EPS后来被消耗在好氧阶段,并且PS更容易在低基质环境中被消耗,颗粒基质中留下了更多的PN,以维持其结构[21-22].

增加COD浓度至500mg/L时,PS,PN和EPS均呈现出增加的趋势.但Lee等[23]和Sponza[24]的研究表明,EPS的增加会导致污泥的疏水性增加,同时许多研究者认为PN可能有助于保持颗粒污泥致密稳定的结构[25-26].然而,本阶段的结果表明,虽然阶段Ⅲ的EPS明显大于阶段Ⅱ,然而第Ⅲ阶段下的SVI平均值也高于第Ⅱ阶段.也就是说,颗粒污泥的沉降性能较差时,PN及EPS的浓度较高.观察好氧颗粒污泥显微镜下的特征,好氧颗粒不再是光滑致密,在增加COD浓度为500mg/L时,推测由于丝状菌的生长导致了EPS的增加,故此阶段EPS的增加不是由于颗粒污泥分泌所致,而是因为丝状菌的过度生长[27].

2.2.3 三维荧光和平行因子分析 在水处理过程中,微生物分解代谢水中的有机物同时会伴随着微生物产物的产生,其中可溶性的微生物产物(SMP)将以COD的形式再次溶入水中从而形成潜在的二次污染,其成分主要为多糖,类蛋白质,类腐殖酸等.因具有致微生物突变的潜在生物毒性,进入水体后会成为消毒副产物(DBPs)的前驱物[28],因此,很多学者对出水SMP控制进行了研究.但因SMP本身具有特殊理化性质而又不能简单地从COD数值中反映出来.所以本研究利用平行因子分析法加以分析出水中SMP的相对含量与理化性质.

图4为好氧颗粒污泥在阶段Ⅰ末三维荧光光谱,好氧颗粒污泥在阶段Ⅳ末的三维荧光光谱,连续流在阶段Ⅰ的出水EEM荧光光谱和连续流在阶段Ⅳ的出水三维荧光光谱及平行因子分析得到各阶段具体的结果.如表4所示,根据文献[29-32],将组分分别定义为色氨酸或类蛋白物质,可溶性微生物副产物和腐殖酸3类物质.

如图3所示,在连续流运行过程中,颗粒污泥的组成成分是色氨酸或类蛋白物质和两种腐殖酸3类物质,这说明了好氧颗粒污泥有着良好的活性,并且颗粒污泥的三维荧光光谱荧光峰强度呈现与上述EPS浓度相同的变化.这表明连续流系统好氧颗粒污泥EPS的组成成分受有机负荷的影响较小.

图3 运行过程中颗粒污泥三维荧光分析

同时观察两阶段出水EEM荧光光谱,可看到阶段Ⅰ出水-C1与阶段Ⅳ出水-C1的荧光峰位置不同,阶段Ⅰ中为腐殖酸类物质,且峰值较低,可能是源自与原水中尚存在一些尚未降解完全的残留物有关,并通过三维荧光证实了这一结论.阶段Ⅳ出水-C1的物质主要伴随着很高含量的SMP.统一代谢模型[33]阐述了SMP与微生物细胞之间的关系,SMP可以划分为外源底物利用相关中间产物(UAP)和生物利用相关产物(BAP).其中UAP是微生物利用水体中的基质进行代谢分解过程中所直接产生的含碳化合物,而BAP是通过微生物内源呼吸作用由EPS水解所产生的的碳氮化合物[34].但是通过对好氧颗粒污泥荧光光谱的解析可以看到,颗粒污泥中并未出现微生物副产物等相关物质,这说明阶段Ⅳ中出水的SMP是微生物利用进水有机负荷进行代谢过程中所产生的的中间产物,这表明了在有机负荷较高和底物充足的条件下,微生物代谢有机物的过程中会产生大量的SMP,而在有机负荷较低和贫营养的条件下,推测是由于底物代谢形成的相关产物被微生物作为碳源再次利用,这也就解释了在较低有机负荷的条件下,两级连续流系统同样有着较好的脱氮除磷性能,这可能也是由于交替的厌氧好氧的条件下为其提供了可摄取底物的环境.

综上,有机负荷对微生物产物的产生有较大影响.在较低进水有机负荷的条件下(COD为300mg/L),可有效降低出水SMP的生成量,所以在实际运行过程中可通过降低有机负荷来调控出水SMP的含量.

表4 PARAFAC模型分析所得各阶段组成成分

3 结论

3.1 室温下于厌氧池和好氧池组成的交替厌氧/好氧连续流系统中接种成熟的好氧颗粒污泥,控制污泥停留时间为30d和HRT为10h,研究混合液回流比和有机负荷对COD,TN和TP的去除效果.COD在整个实验中去除率均保持在85%以上.混合液回流比对COD和TP去除影响较小,对TN去除影响较大;同时进水有机负荷对两级连续流系统有着较大影响,在增加进水COD浓度为500mg/L时,由于丝状菌的生长导致颗粒破碎,细胞溶解系统失稳.

3.2 综合考虑COD,TN和TP的去除效果,确定连续流系统适合在较低平均有机负荷下(300mg/L)长期稳定运行,并通过调控最佳内回流比为200%使连续流系统获得良好的脱氮除磷性能.此时平均去除率分别为93.76%,84.3%和83.12%.3.3采用平行因子对不同阶段的颗粒污泥和系统出水进行表征分析,较低进水有机负荷可有效减少出水中溶解性微生物副产物的产生.

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Stable operation of aerobic granular sludge continuous flow system--by controlling reflux ratio and organic load.

LI Dong1*, YANG Jing-wei1, LI Yue1, ZHANG Jie1,2

(1.Key Laboratory of Beijing Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China；2.State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China),, 2021,41(9)：4149～4156

Inoculate mature aerobic granular sludge at room temperature in an anaerobic/aerobic alternate continuous flow system composed of independent anaerobic tanks and aerobic tanks, control the effect of mixed liquid reflux ratio and organic load on the removal of COD, TN and TP by anaerobic and aerobic alternating continuous flow process. The results showed that the two-stage continuous flow process can achieve better nitrogen and phosphorus removal performance by adjusting a lower reflux ratio when the influent organic load was low. The average concentration of COD, TN and TP in the effluent was 18.78, 5.79 and 0.49mg/L. The average removal rate was 93.76%, 84.3% and 83.12% respectively; when the organic load was higher, the long-term two-stage continuous flow system lacked the environmental stress of feast and famine, resulting in filamentous bacteria growth, deterioration of system performance. The model was used to characterize the granular sludge and system effluent at different stages. The results showed that the organic load has a greater impact on the production of intermediate products related to the utilization of foreign substrates. The influent with lower organic load could effectively reduce the generation of intermediate products in the effluent. In summary, in the actual secondary urban sewage treatment plant, the anaerobic/aerobic alternating continuous flow process was not suitable for long-term operation under the organic concentration (500mg/L) of the emission limit.

anaerobic and aerobic alternate；aerobic granular sludge continuous flow；reflux ratio；organic loads

X703.1

A

1000-6923(2021)09-4149-08

李 冬(1976-),女,辽宁丹东人,教授,博士,主要研究方向为水环境恢复理论及关键技术.发表论文280余篇.

2021-01-26

北京高校卓越青年科学家计划项目(BJJWZYJH012019100 05019);国家科技重大专项水专项课题(2018ZX07601-001)

* 责任作者, 教授, lidong2006@bjut.edu.cn