丝状菌对好氧颗粒污泥形成的影响.pdf

丝状菌对好氧颗粒污泥形成的影响 林勇山 濮文虹 杨昌柱 刘宏波 袁锦洲 张 洋 华中科技大学环境科学与工程学院, 武汉 430074 摘要 通过在 SBR中分别接种 85的絮状活性污泥和 15的丝状菌, 采用以葡萄糖为碳源配制的人工模拟进水, 研究 丝状菌对好氧颗粒污泥形成的影响。 结果在15 d内培养出理化性能良好的好氧颗粒污泥, 表明丝状菌能够加快好氧 颗粒污泥的形成。 反应器运行期间, COD、NH 4-N、总氮和总磷的平均去除率分别为 80. 0、86. 9、70. 0和 42. 5, 且出水水质稳定, 表明好氧颗粒污泥具有良好的除污效果。 关键词 好氧颗粒污泥; 丝状菌; SBR; 理化性能 INFLUENCE OF FILAMENTOUS BACTERIA ON THE ATION OF AEROBIC GRANULE SLUDGE Lin Yongshan Pu Wenhong Yang Changzhu Liu hongbo Yuan Jinzhou Zhangyang School of Environmental Science and Engineering , Huazhong University of Science and Technology , Wuhan 430074, China Abstract The effects of filamentous bacteria on the ation of aerobic granule sludge were investigated by inoculating 85 activated sludge and 15 filamentous bacteria, feeding synthetic municipal wastewater with glucose as carbon source in SBR.The aerobic granule sludge with good physicochemical properties were ed within 15 d.The results showed that filamentours bacteria could speed up the ation of aerobic granule sludge. During the operation of SBR, the average removal rate of COD, NH 4-N, TN and TP were 80. 0, 86. 9, 70. 0 and42 . 5 respectively , andyielded more stable quality of effluent water, indicating that the aerobic granule sludge had a better contaminant removal effect. Keywordsaerobic granule sludge; filamentous bacteria; SBR; physicochemical property 0 引言 近年来 ,将生物自凝聚原理用于好氧反应器中, 实现好氧污泥的颗粒化已受到众多学者的广泛关注。 好氧颗粒污泥具有结构致密, 含水率低 ,密度大,沉降 性能良好, 抗冲击负荷等特点和优点 [ 1-3] ,故其在城市 生活污水的处理 、 高浓度有机废水的降解 、 重金属废 水的去除和脱氮除磷等方面的研究越来越受到 重视 [ 4-8] 。 好氧污泥颗粒常常被看成是一种密度较高的球 型细菌团体 ,其形成是一个逐步的过程 , 先形成较小 的细菌团体 ,然后形成好氧颗粒污泥 [ 9] 。已有研究证 明,丝状菌是形成较大松散颗粒的必要条件 [ 10] 。王 强等 [ 11] 采用电子扫描显微镜观察到的好氧颗粒污泥 中有大量的真菌和丝状菌, 不同的丝状菌大量缠绕, 构成了颗粒的骨架。Liu Yu 、 王芳等 [ 12 -13] 研究表明 ,菌 丝体的互相缠绕是形成好氧污泥颗粒的关键因素 。 因此 ,本试验通过在絮状活性污泥中预先加入少 量的丝状菌, 采用人工模拟进水, 在SBR中对好氧颗 粒污泥的形成进行考察, 探讨污泥颗粒形成过程及其 性能的变化 ,以期为好氧污泥颗粒的快速培养寻找最 佳的工艺条件, 为今后的工业化提供参考 。 1 材料与方法 1. 1 试验装置与方法 试验采用序批式间歇式反应器 sequenced bach reactor,SBR ,用有机玻璃制成 , 有效容积为7. 5 L, 有 效水深为180 cm, 内径8 cm , 高径比为 22. 5。在反应 器底部设有曝气装置, 试验期间的温度变化范围为 18～ 32 ℃, ρ DO 控制在3～ 6 mg L ,pH 为 6. 0 ～ 7. 0。 每个周期主要分为进水阶段、曝气阶段 、沉降阶段和 排水阶段。每周期运行时间为6 h, 根据反应器内颗 粒形成的有关变化 , 对运行参数进行不断调整。其 中 进 水 3 min、排 水 5 min ; 曝气 时 间 1 ～ 3 d 为 327 min, 4 ～ 9 d为307 min, 10 ～ 13 d为331 min, 14～ 18 d为344 min; 沉降时间 1 ～ 3 d为25 min, 4 ～ 9 d为 63 环 境 工 程 2009年 6 月第27 卷第3 期 45 min ,10～ 13 d为20 min ,14～ 18 d为8 min; 换水率除 了4 ～ 9 d为50外, 其余的运行时间均为 75。 1. 2 进水水质 本试验采用葡萄糖为碳源配水 ,来模拟生活污水 的水质,其中葡萄糖的质量浓度根据反应器的运行情 况变 化为 600 ～ 800 mg L, ρ NH4Cl为 20 mg L, ρ KH2PO4为 15 mg L ,ρ CaCl2为 100 mg L, ρ Fe2 SO43 为20 mg L, ρ MgSO4. 7H2O为20 mg L。 1. 3 接种污泥 普通絮状活性污泥取自武汉某污水处理厂的二 沉池, 经好氧驯化几天后作为接种污泥 ; 丝状菌絮体 为本实验室自行培养 。将上述两个驯化后的污泥作 为SBR反应器的主要接种污泥 , 其接种浓度分别占 反应器污泥浓度的 85和 15, 接种时的理化性质 和接种量如表 1 所示 。 表 1 接种污泥特性 项目SV SVI mLg- 1MLSS mgL- 1接种量 L 絮状污泥5978. 774933. 4 丝状菌765198 . 414623. 1 2 结果与讨论 2. 1 不同时期颗粒的形态变化 整个培养阶段共进行了18 d, 根据反应器内每个 阶段污泥颗粒的形态变化将其分为 4 个阶段, 分别为 污泥驯化期 、污泥膨胀期、颗粒形成初期 、颗粒成熟 期。其上述不同时期的反应器内颗粒污泥形态变化 如图 1 所示 。 a 运行 2 d; b运行5 d; c 运行 10 d; d运行 15 d。 图 1 污泥形态变化 反应器刚接种的是普通絮状活性污泥,为黑色絮 状体, 细小污泥絮体不断的被洗出, 污泥的沉降特性 略有提高。由于接种了 15 的丝状菌,经过 2 d 的驯 化后, 污泥颜色很快发生了变化, 由原来的深黑色逐 渐转变为黄褐色, 如图 1a 所示。而后随着丝状菌和 絮状污泥的充分接触和不断增长,反应器出现了污泥 膨胀现象, 此时污泥沉降性能严重变差 , 污泥流失较 为严重,为防止反应器内污泥的过度排出而造成污泥 浓度太低, 此时反应器调整运行参数, 延长沉淀时间 为45 min ,并将换水率由 75减小为 50, 以提高污 泥浓度 ,进一步对污泥进行培养。当运行至第 5 天, 反应器内的污泥大部分已由原来的絮状污泥演化为 黄色的小米粒状的细小微粒,如图 1b 所示 ,其沉降性 能较差。同时, 在反应器的底部可以看到部分少量由 黑色污泥核组成的, 周围通过大量丝状菌缠绕而形成 的颗粒污泥 。此现象即为颗粒化的前身 ,在众多的文 献中曾有过报道 [ 14] ,但出现的时间较长, 同时与报道 的丝状菌包裹机理相吻合 [ 15] 。 经过接近10 d的污泥驯化期和膨胀期, 当运行至 第10 天时 ,反应器内的絮状污泥完全变为黄色的小 米粒状的小颗粒 ,同时还有少部分的通过丝状菌缠绕 而形成的黄色颗粒, 还有以黑色污泥核包裹丝状菌的 颗粒, 即进入了颗粒形成的初期 ,如图 1c 所示 。此时 污泥沉降性能逐渐变好, 污泥浓度变高 , 这个阶段沉 降时间调整为25 min, 换水率为 75, 以淘洗出部分 沉降性能较差的小颗粒和一些污泥絮体 ,为好氧颗粒 污泥的完全颗粒化创造条件。而后几天反应器内颗 粒的变化更为明显, 原来的小颗粒不断长大为大的黄 色颗粒 ; 同时原来的黑色颗粒逐渐变少 , 出现了解体 和断裂的现象, 并重新形成由丝状菌包裹而形成的黄 色颗粒 。到第 15 天, 反应器内的颗粒基本完全转化 为黄色的成熟大颗粒 ,原来的由丝状菌包裹黑色核颗 粒污泥也几乎转变为黄色的污泥颗粒,即进入了颗粒 成熟期, 如图 1d 所示, 此时污泥沉降性能较好, 污泥 浓度较高。 2. 2 好氧颗粒污泥的物理特性 2. 2. 1 MLSS 变化 污泥质量浓度 MLSS 反映了生物量的多少和反 应器处理能力的强弱。如图 2 所示 ,整个培养期间, 反应器内的污泥浓度呈现先逐渐减少,而后增加的过 程,当到了颗粒成熟期时 ,污泥质量浓度基本维持在 4 000 mg L左右。 在运行的前3 d, 反应器刚刚启动 ,污泥沉降性能 较差 ,同时沉淀时间较短 ,由于淘洗排泥作用 ,污泥质 64 环 境 工 程 2009年 6 月第27 卷第3 期 图 2 反应器中污泥浓度变化 量浓度由原来刚接种时的3 790 mg L急剧下降到 2 001 mg L 。由于接种了丝状菌 ,而后出现了污泥膨 胀现象,污泥浓度还在不断下降。为了防止因过度排 泥作用而造成污泥浓度过低导致颗粒培养失败,试验 调整了运行参数, 将沉淀时间延长至45 min, 并将换 水率由原来的 75减少为 50, 此时污泥质量浓度 下降的速度变慢 ,最终基本维持在1 000 mg L。而后 由于颗粒化的出现, 反应器的絮状污泥逐渐转变为小 颗粒, 此时污泥浓度逐渐升高, 颗粒化的初期增加的 速度较慢 ,到第 15 天后完全颗粒化时, 污泥质量浓度 基本维持在4 000 mg L , 与刚接种时的污泥浓度基本 相同 。 2. 2. 2 沉降性能 反应器内颗粒污泥的沉降性可以用污泥容积指 数 SVI 来描述 。本试验中由于接种了丝状菌 ,其SVI 出现了由增加到平衡, 再到下降的现象。如图 3 所 示,由于丝状菌的不断增长 ,污泥驯化阶段反应器内 的污泥一度出现膨胀现象 , 沉降性能不断变差 ,SVI 由100 mL g增加到400 mL g 。而后由于颗粒化期的出 现,污泥絮体逐渐演变为颗粒污泥, 沉降性能不断变 好,最终好氧颗粒污泥的 SVI 值稳定在95 mL g左右。 图 3 反应器中SVI 值变化 普通活性污泥的 SVI 一般在 100～ 150 mL g [ 16] ; 利用絮状活性污泥为单一接种污泥培养的好氧颗粒 污泥的 SVI 一般为 12. 6 ～ 64. 5 mL g [ 5] 。本试验预先 接种了丝状菌培养出来的好氧颗粒污泥的 SVI 为 95mL g 左右, 可见本试验所培养的好氧颗粒污泥的 SVI 较普通活性污泥较低 ,但比其他的培养方法培养 出来的好氧颗粒污泥高。 2. 2. 3 好氧颗粒污泥的粒径分布 试验中可以看到 ,成熟的好氧颗粒污泥的外表面 界面清晰、规则 , 其粒径在 0. 5 ～ 4. 5 mm , 平均为 3. 0 mm 。 最终培养的 SBR中好氧颗粒污泥的粒径分 布如图4 所示。 图 4 好氧颗粒污泥的粒径分布 从图 4 可以看出, 直径 3. 0 mm的颗粒污泥的干 重占全部颗粒污泥干重的质量分数为 38. 2; 同时 粒径 1. 0 mm的颗粒污泥的干重占全部颗粒污泥干 重的质量分数为 66. 1。可见 , 这种培养方法培养 的好氧颗粒污泥的粒径较大, 培养中较充足的营养底 物供应和溶解氧是保证微生物细胞快速生长繁殖 ,产 生大量的新生细胞、分泌黏性胞外聚合物的重要 因素 。 2. 2. 4 好氧颗粒污泥的沉降速率分布 不同粒径范围的好氧颗粒污泥在清水中的沉降 速度如图 5 所示 。 图 5 不同粒径好氧颗粒污泥的沉降速度 图5 可见,好氧颗粒污泥的沉降速度随着颗粒粒 径的增加而增大, 基本在 13～ 53 m h, 远高于普通活 性污泥的沉降速度 8～ 10 m h ; 较快的沉降速度可 以加快固液分离 ,促使泥水澄清, 这对好氧颗粒污泥 在应用方面不同于絮状活性污泥的一个重要的优势。 沉降速度的提高 ,不仅可以缩短沉降的时间 、 减小沉 淀池的体积 ,而且可以提高反应器内微生物的浓度, 微生物浓度提高可以获得较高的污染物降解速率。 65 环 境 工 程 2009年 6 月第27 卷第3 期 从工程应用角度 ,沉淀性能良好的好氧颗粒污泥有着 诸多优点 [ 17] 。 2. 2. 5 好氧颗粒污泥比重、 含水率和湿密度 比重为在指定温度下已知体积的均匀的污泥样 的质量与在4 ℃下相同体积蒸馏水的质量作比较来 确定 。本试验测得好氧颗粒污泥的比重为 1. 0125。 经测定 , 好氧颗 粒污泥的 湿密度为 1. 043 ～ 1. 139 g cm 3 ,平均为1. 093 g cm 3 , 这个结果与 Etterer 等 [ 18] 的研究结果相似 ; 试验测得好氧颗粒污泥的含 水率为 95. 3～ 96. 5, 平均为 95. 6, 低于普通活 性污泥 99 。 2. 3 COD、 氨氮 、 总氮和总磷的处理效果 整个反应器的运行阶段共经历了18 d, 每天定期 对反应器的进出水进行监测,结果如图 6～ 图 9所示。 图6 反应器 COD 去除效果 图 7 反应器 NH 4-N 去除效果 图 8 反应器总氮去除效果 从图 6 可以看出 , 在整个反应器运行期间, 其对 COD的去除效果呈增加的趋势, 刚开始由 63. 8增 加到 77. 0,在污泥膨胀期因为排泥作用去除率稍 有下降 ,而后随着颗粒化的出现和成熟 ,其 COD 去除 增加明显, 最高达到 96. 2,系统对 COD的平均去除 图 9 反应器总磷去除效果 率接近 80. 0, 最终出水 ρ COD 基本在30 mg L, 很 好得实现了 COD的去除 。而图 7表明系统对 NH 4- N 具有很好的去除效果 , 出水 ρ NH 4- N 为 4. 54 ～ 0. 32 mg L ,平均为 1. 9 mg L ; 系统对 NH 4- N 的去除率 为70. 38～ 97. 83, 平均为 86. 90。试验结果表 明SBR 内的好氧颗粒污泥对 COD 和 NH 4-N 均有很 好的去除效果。 图8 表明系统对总氮的去除能力比较稳定 ,基本 维持在70左右, 而在污泥膨胀期阶段中出现了波 动,出现了先增加后减少的趋势, 分析原因主要是由 这段时间排泥作用和污泥絮体向颗粒污泥转化等原 因引起的, 同时这段时间也是反应器内微生物种群发 生变化的主要阶段。由图 9 可见 ,系统运行初期对总 磷的去除效果欠佳, 只有 20左右。而随着反应器 的运行 ,好氧污泥颗粒的逐渐形成, 污泥浓度在不断 的增加 ,其去除效果得到明显的改善, 最终去除率逐 渐增加到65. 22。反应器内好氧颗粒污泥对总磷的 平均去除效果为 42. 51。 3 结论 1 在 SBR 中 , 通过向普通活性污泥中预先加入 15的丝状菌 ,作为培养好氧颗粒接种污泥, 在水力 停留时 间为 6. 0 h、温度为 18 ～ 32 ℃, ρ DO 为 3～ 6 mg L以及 pH 为 6. 0～ 7. 0的条件下 ,可以在15 d 内培养出沉降性能良好的好氧颗粒污泥 ,形成速度比 传统的培养方法有较大的提高 。 2 以普通活性污泥为接种污泥, 在预先加入丝状 菌培养的好氧颗粒污泥形成过程可分为 4 个阶段 ,分 别为污泥驯化期 、 污泥膨胀期、颗粒形成初期和颗粒 成熟期。 3 在好氧颗粒污泥的培养中 ,系统对污染物的去 除能力较强 ,且最终出水水质稳定, 其 COD 平均去除 率为80. 0,对NH 4- N 平均去除率为 86. 9,而对总 氮和总磷的平均去除率分别为 70. 0和 42. 5, 具 有很好的去除 COD 和同步脱氮除磷的能力。 66 环 境 工 程 2009年 6 月第27 卷第3 期 参考文献 [ 1] 张兴文, 王芳, 杨凤林, 等. 好氧颗粒污泥的特点及其研究进展 [ J] . 环境污染治理技术与设备, 2004, 5 11 27-30. 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