连续流CSTR反应器中好氧污泥的颗粒化及其特性(1).pdf

连续流 CSTR 反应器中好氧污泥的颗粒化及其特性 ＊ 沈耀良 1,2 李 媛 1 孙立柱 1 1.苏州科技学院环境科学与工程学院, 苏州 215011; 2.苏州科技学院江苏省环境科学与工程重点实验室, 苏州 215011 摘要 采用连续流完全混合反应器 CSTR 对好氧污泥的颗粒化进行试验研究。 以乙酸盐作为碳源、由营养和微量元 素配制的人工配水作原水 COD150～ 500mg L、pH6～ 7、以污水处理厂活性污泥接种, 在常温 25～ 30 ℃ 条件下, 经过 20多天的运行, 培养出外观为淡黄色、颗粒粒径为 1～ 5 mm 平均为 2～ 3 mm 的好氧颗粒污泥。 污泥颗粒化过程 由 EPS 作用下的自絮凝、大量丝状菌的缠裹及细颗粒间的黏附结合等作用产生, 经过絮凝核的形成、絮凝核的黏附、颗 粒的形成和颗粒的成熟等几个阶段。 反应器运行稳定高效, 在水力停留时间为2. 82 h、COD 有机负荷为4. 24 kg m3d 的条件下, COD、NH 4-N 和 PO 3 - 4 -P 的去除率分别为85～ 90、90和 50～ 70。 颗粒污泥具有极好的沉降性能, 沉降速度达 30～ 58 m h。 关键词 完全混合反应器 活性污泥 好氧颗粒污泥 特性 ＊国家自然科学基金项目 50678107 ; 江苏省高校自然科学研究重 点项目 06KJA61020 。 0 引言 污泥颗粒化是提高反应器中有效生物量 、 改进污 泥沉降性能 、 改善工艺运行稳定性、提高处理效果及 强化处理功能的重要途径 。近几年来, 对好氧污泥颗 粒化的运行条件 、 形成过程 、 颗粒特性及处理功能等 方面的研究日趋增多, 并已有较多的报道 ,但由于好 氧化颗粒污泥的培养所需条件较为严格 ,至今国内外 有关研究成果均为以 SBR、 SBAR等反应器在间歇运 行和AUSB 连续条件下获得 [ 1-7] , 目前尚无采用连续 运行的完全混合反应器 CSTR 成功培养好氧颗粒污 泥的研究报道。 本研究以人工配水为原水 、在常温条件下 , 对 CSTR工艺中好氧污泥的颗粒化及其运行效能进行了 研究, 对运行过程中污染物的去除效能 、好氧污泥颗 粒化的过程及颗粒污泥的结构和微生物特性进行了 分析 。 1 装置与方法 1. 1 试验装置 图1 所示为本研究中所使用的合建式连续流 CSTR反应器由曝气区和沉淀区组成, 两者的有效容 积分别为1. 7、 0. 6 L 。以乙酸钠配制的人工配水 见 表1 作原水 , 以苏州某污水厂的活性污泥 MLVSS MLSS 0. 58 ～ 0. 65,MLSS 1 500～ 2 600 mg L 作为 反应器的接种污泥。由贮水槽连续定量进水 、 微型空 压机供氧。 图 1 连续流完全混合反应器试验工艺流程 表 1 人工配制原水的组成 成分质量浓度 mgL-1 COD200～ 500 NH 4-N 10～ 30 PO3 - 4 -P1～ 10 MgSO425 FeSO47H2O20 CaCl230 H3BO30. 05 ZnSO4 0. 106 CuSO45H2O 0. 093 MnSO4H2O 0. 05 NH4 6Mo7O244H2O 0. 05 Al2 SO4 318H2O 0. 31 CoCl26H2O 0. 05 NiCl20. 05 63 环 境 工 程 2008年 12 月第 26卷第 6 期 1. 2 测定指标与方法 在整个试验过程中, 根据运行条件的变化, 测定 了COD、 NH 4-N、 NO - 3-N、 NO - 2-N、 PO 3- 4-P 、 SV 、 pH 、 DO、 SVI、 MLSS 及污泥沉降速度等指标 , 采用光学显微镜 和扫描电镜对好氧颗粒污泥的形态 、 特征及微生物相 进行观察分析 均采用标准法测定 。其中污泥及颗 粒污泥形态观察分别使用 GR50- C 型光学生物显微 镜和荷兰菲利蒲公司产 XL20型扫描电镜进行观察 。 1. 3 试验过程 在常温条件下,考察了 CSTR反应器在连续流条 件下好氧污泥实现颗粒化的过程及运行特性。研究过 程中 ,改变不同的进水 COD 浓度 调整适当的有机负 荷 及水力停留时间 HRT , 待稳定后改变运行条件 , 并控制进水 pH 6～ 7 和各营养成分的比例[ ρ C ∶ ρ N ∶ ρ P 100∶ 5∶ 1] , 及时观察污泥特性的变化, 测定 COD、 NH 4- N、NO - 3- N 、 NO - 2-N、PO 3- 4-P 等的处理 效能。研究分 4 个阶段, 通过逐步缩短HRT 、提高有 机负荷以借助于选择筛选过程使低于临界沉降速率 的细小、 分散活性污泥洗出 [ 8] , 从而利于好氧颗粒污 泥的形成 。表 2 所列为反应器运行的控制参数 。 表 2 反应器各阶段运行参数 运行时 间 d COD容积负 荷 kgm- 3d- 1 沉淀时 间 h 停留时 间 h 进水质量浓 度 mgL- 1 1～ 6125. 65235. 5 7～ 1121. 54. 24353. 3 12～ 2031. 54. 24530 21～ 2611. 54. 24176. 7 27～ 40212. 82236 41～ 52312. 82354 53～ 604. 2412. 82500 2 结果与讨论 2. 1 运行结果 根据连续流 CSTR 反应器运行过程中反应器的 运行状况、颗粒污泥形成及其特性变化的进程 ,可分 为3 个阶段, 即第 1 ～ 20 天为启动运行阶段 , 第 21～ 29 天为污泥颗粒形态出现阶段, 第 31 ～ 60 天为颗粒 污泥的成熟阶段 。在整个运行期间 ,该反应器始终稳 定运行 。运行 20 d 后对污泥进行镜检分析表明, 污 泥的形态发生明显变化, 由原来的絮状污泥逐步向结 构较为松散、 肉眼可见表面较多丝状体的小颗粒污泥 转变 ,此后至第 60 天逐步相互粘合成长为结构较为 紧密 、 尺寸为 1～ 5 mm的淡金黄色成熟颗粒污泥 。 2. 2 处理效能的分析 2. 2. 1 COD 的去除与分析 图2 所示为不同运行阶段反应器进、出水 COD 及其去除率的变化。由图 2 可见 ,在反应器运行的整 个阶段均具有稳定而良好的 COD 去除率。当进水 COD质量浓度在 300～ 500 mg L变化时, 其出水始终 保持在100 mg L以下, 最低达23. 0 mg L , 平均去除率 保持在85左右 ,最高达 90。 图2 运行期间反应器对 COD 的去除 在启动运行初期 1～ 20 d , 反应器运行稳定且 具有较好的去除效果 ,这是与接种污泥具有良好的性 能及污泥处于絮凝状态而不受氧传递的影响有关。 为实现污泥颗粒化 ,在启动期结束后, 降低反应器进 水负荷,反应器中逐渐出现细小的颗粒 粒径为0. 3～ 0. 5 mm ,此时由于氧的传递受到一定程度的影响, 反应器的运行出现一定的波动 。运行至30 d后 ,反应 器中出现粒径为 1. 0～ 3. 0 mm的颗粒污泥, 随进水负 荷的提高, 反应器运行较为稳定 ,对 COD 的去除率略 有下降, 但稳定在 80 左右 。由此表明 ,污泥的颗粒 化对反应器的稳定运行具有良好的促进作用 。 2. 2. 2 NH 4- N 的去除与分析 研究表明,在运行的第一和第二阶段 ,反应器对氨 氮的去除率较低,而当进入第三阶段后,反应器对氨氮 的去除率则明显提高,而且较为稳定 见图 3 。 图 3 运行期间反应器对 NH 4-N 的去除 由图3 可见, 颗粒污泥的出现后, 当反应器的进 水氨氮质量浓度为 6. 86～ 33. 36 mg L时 ,反应器出水 的氨氮质量浓度为 0. 70～ 3. 27 mg L , 对氨氮的去除 64 环 境 工 程 2008年 12 月第 26卷第 6 期 率保持在 90 左右。 运行过程中 ,对反应器出水中硝酸盐氮和亚硝酸 盐氮的检测表明 ,硝酸盐氮难以检测出 , 而亚硝酸盐 氮含量始终维持在1. 0 mg L以下。 2. 2. 3 PO 3- 4- P 的去除与分析 图4 所示为在运行的第三阶段反应器进、出水中 PO 3- 4-P 的变化及其去除率 。由图 4 可见 , 反应器对 PO 3- 4-P 的去除率平均为 50 左右,最高达 70, 因而 具有良好的除磷效果 。研究表明, 在反应器的第一和 第二阶段 ,虽然曝气区中同样存在较多的具有较强黏 性絮状体, 但由于尚未出现颗粒污泥 ,其对 PO 3- 4- P 的 去除率较低,仅为 10 ～ 20。 图 4 运行期间反应器对 PO3- 4 -P 的去除 2. 3 颗粒污泥及其特性分析 2. 3. 1 颗粒污泥的形成过程 反应器运行 30 d后 ,出现外观为淡黄色、颗粒粒 径为 1 ～ 5 mm 平均为 2 ～ 3 mm 的好氧颗粒污泥。 通过肉眼直观、光学生物显微镜及扫描电镜观察表 明,污泥颗粒化过程由 EPS 作用下的自絮凝 、 大量丝 状菌的缠裹及细颗粒间的黏附结合等作用产生,经过 絮凝核的形成、絮凝核的黏附、颗粒的形成和颗粒的 成熟等几个阶段 ,并逐步从大块絮体结构中脱离而实 现。图 5 所示为颗粒污泥的形成过程的光学生物显 微镜照片 。 运行过程中 , 随反应器 COD 容积负荷由低至高 [ 1. 0 ～ 3. 0 kg m 3d ] , 再 由 低 至 高 [ 1. 0 ～ 4. 24 kg m 3d ]的运行 ,反应器中污泥由深灰色逐步 向淡 金 黄色转变 ,并产生较多具有较强黏性 、 呈羽 毛状的大块絮体 。镜检表明 , 污泥中含有大量球衣 丝状 菌, 并导致污泥沉降性能的下降, 使其 SV 由 运行初期的 20左右增高至 60～ 70 , 甚至高达 90 随负荷的提高而增高 。运行 20 d 后 , 在上述 大块絮体中出现小粒径颗粒污泥并逐步与其脱离。 运行至50 d 后,颗粒污泥尺寸增大,至 60 d颗粒污泥 基本成熟, 粒径增大至 3～ 5 mm 如图 6 所示 。竺建 荣等的研究亦表明, 这一过程是由较大的水力剪切作 用和污泥颗粒化过程的选择作用实现的 [ 7 -8] , 而其中 丝状菌则起到重要的黏附架桥作用 ,通过将不同的细 颗粒相互粘结形成尺寸更大的颗粒的污泥 。本研究 表明 ,当进水COD容积负荷达到 2. 0～ 3. 0 kg m 3d 时,有利于在大块絮体中通过上述作用形成颗粒污 泥,并逐步与其分离而成为独立的个体, 并逐步成熟。 图 5 好氧颗粒污泥的形成过程 光学生物显微镜照片 图 6 好氧颗粒污泥照片 2. 3. 2 颗粒污泥的特征 图7 和图 8 所示为CSTR反应器中所形成颗粒污 泥的光学生物显微镜和扫描电镜照片。由图可见 ,颗 粒污泥 表面除有大 量的丝状 菌 如贝氏硫 菌属 Beggiatea 和球衣细菌 Sphaerotilus natans 等 外 , 同时 有较多的纤毛类原生动物 如钟虫 Vorticella 等 。而 在颗粒污泥的内部, 则有大量的长 、 短杆菌 。竺建荣 等的研究亦发现 ,较大的颗粒污泥表面和周围有大量 的原生动物和后生动物, 附着生长着大量的钟虫等, 周围液相中则有很多的草履虫 、 变形虫、水骚 、 线虫和 衣藻等 [ 9] 。 好氧颗粒污泥内部具有大量的孔隙作为其营养 65 环 境 工 程 2008年 12 月第 26卷第 6 期 物和代谢产物的传输的通道, 大量以杆状为主的细菌 生长在其内部, 具有明显的分层现象, 形成不同微生 物各司其职的由不同微生物组成的食物网。同时 ,颗 粒污泥内部微生物群落化分布明显 ,但未见球菌及其 群落 。与厌氧颗粒污泥不同的是, 好氧颗粒污泥表面 积累较多 EPS 及生长较多纤毛类原生动物 。颗粒污 泥具有极好的沉降性能, 其沉降速度为 30 ～ 58 m h 见表 3 。颗粒外形多为球形和椭球形, 呈淡 金 黄色 。 图 7 好氧颗粒污泥的表面特征 图 8 好氧颗粒污泥 SE M 照片 表 3 不同尺寸颗粒污泥的沉降速度 颗粒尺寸沉降速度 mh- 1 1. 0 mm1. 5mm30. 7～ 34. 6 1. 5 mm1. 5mm38. 0 2. 0 mm2. 0mm44. 5 3. 0 mm2. 0mm55. 4 5. 0 mm4. 0mm58. 6 3 结论 1 采用连续流完全混合反应器 CSTR 、 以乙酸 盐配制的人工配水作原水 、 以污水处理厂活性污泥接 种,在常温 25 ～ 30 ℃条件 、进水 COD 容积负荷为 2. 0～ 3. 0 kg m 3d 的条件下 ,培养出淡黄色、粒径为 1. 0～ 5. 0 mm的好氧颗粒污泥。 2 污泥颗粒化过程通过 EPS 的自絮凝 、 大量丝 状菌的缠裹及细颗粒间的黏附结合等作用,经过絮凝 核的形成、絮凝核的黏附 、 颗粒的形成和颗粒的成熟 等几个阶段 ,并通过逐步从大块絮体结构中脱离的途 径而实现颗粒化 。 3 反应器运行稳定高效, 在水力停留时间为 2. 82 h 、COD 有机负荷为4. 24 kg m 3d 的条件下, COD、 NH 4- N 和 PO 3- 4- P 的去除率分别为85～ 90、 90和 50 ～ 70。 4 颗粒污泥结构较为紧密, 具有明显的分层现 象,形成不同微生物组成的食物网; 其内部微生物群 落化分布明显, 但未见球菌及其群落 。颗粒污泥具有 极好的沉降性能 ,沉降速度达 30～ 58 m h。 参考文献 [ 1] 黄玉峰, 张丽丽, 郝薇, 等. SBR 中好氧颗粒污泥的培养与除污 效能. 中国给水排水,2005, 21 2 53 -55 [ 2] 王芳, 杨凤林, 刘毅慧, 等. SBAR 中好氧颗粒污泥颗粒化及其 特性. 中国环境科学,2004, 24 6 725 -729 [ 3] Torregrossa M, Di Bella G, Viviani G , et al.Perances of a granular sequencing batch reactor GSBR .Water Science and Technology , 2007, 55 8-9 125-133 [ 4] Qin L, Liu Y, Tay J H. Effect of settling time on aerobic granulation in sequencing batch reactor. Biochemical Engineering Journal, 2004, 21 1 47-52 [ 5] Schwarzenbeck N , Erley R, Wllderer P A . Aerobic granular sludge in SBR - system treating wastewater rich in particulate matter.Water Science and Technol, 2004, 49 11 -12 41 -46 [ 6] Liu Y Q , Tay J H, Moy B Y P . Characteristics of aerobic granular sludge in a sequencing batch reactor with variable aeration. Applied microbial and Biotechnol, 2006, 71 761 -766 [ 7] Shin H S, Lim K H, Park H S. Effect of shear stress on granulation in oxygen aerobic upflow sludge bed reactors. Water Sci and Technol, 1992, 26 3 -4 601 -605 [ 8] Wang Q , Du G, Chen J. Aerobic granular sludge cultivated under the selective pressure as a driving force. Process Biochemistry , 2004, 39 557 -563 [ 9] 竺建荣, 刘纯新. 好氧颗粒污泥的培养及理化特性研究. 环境 科学, 1999,20 20 38 -41 作者通信处 沈耀良 215011 江苏省苏州市 苏州科技学院环境 科学与工程学院 电话 0512 68256233 E -mail ylshenniu 126. com 2007- 11-30 收稿 66 环 境 工 程 2008年 12 月第 26卷第 6 期 showed that the improved was simple and implemented easily. The accuracy of the was high and the determining results could re - flect basically the degree of pollution caused by the oxygen -demanding organic matters in sediment-laden water. Keywords sediment -laden river COD monitoring improving PILOT-SCALE TEST ON TREATING THE CHEMICAL WASTEWATER BY MBBR PROCESS Lou Honghai Wang Qi HuDajiang et al 61 Abstract According to the features and quantity of a chemical wastewater, pretreatment -A O -MBBR process was adopted. In the course of testing, not only the COD could be removed steadily but also the TKN couldbe removed efficiently, the removal efficiency was more than95by this process. And a trace monitoring of Ca2in the fillings of the MBBR tank was done and a deposition of Ca2 did not happen, so the system was not influenced. Keywords chemical wastewater Ca2 MBBR process high concentration TKN AEROBIC ACTIVATED SLUDGE GRANULATION AND ITS CHARACTERISTICS INA CONTINU - OUS -FLOW COMPLETELY STIRRED TANK REACTOR CSTR Shen Yaoliang Li Yuan Sun Lizhu 63 Abstract The laboratory -scale study was carried out on the granulation and characteristics of aerobic activated sludge in a continuous -flow completely stirred tank reactor with a cetates as the carbon source and a prepared water by nutrients and other micro-elements as raw water COD150～ 500 mg L, pH6～ 7 , which was inoculated with activated sludge from a municipal wastewater treatment plant.The results showed that the stramineous aerobic granule sludge of1～ 5mm in diameter average 2～ 3mmwas ed after 20 d operation at normaltemper - ature 25～ 30℃ . The granulationwas accomplished via such consecutive processes as EPS self-flocculation, filamentous binding and attachment among the small -sized granules, and four steps including inner nucleus ation and flocculation, granule ation and maturation were found during the aerobic sludge granulation.The reactor was operated stably and efficiently , and the removal rates of 85～ 90, 90 and 50～ 70 for COD, NH 4-N and PO 3- 4-P respectively were obtained under the conditions of HRT being 2. 82 h and organic loading rate 4. 24 kg m3d. The aerobic granules show excellent settling perance with settling velocity of 30～ 58 m h. Keywords completely stirred tank reactor activated sludge aerobic granule sludge characteristics THE STUDY ON TREATMENT OF PAPER -MILL MID -STAGE WASTEWATER BY HYDROLYTIC ACIDIFICATION -ACTIVATED SLUDGE PROCESSZhang Beiping Li Wei Lu Xiejuan et al 67 Abstract The hydrolytic acidification -activated sludge processwas used to study pulp-mill mid -stage wastewater, which was characterized by high concentration of COD, with an emphasis onthe effect and parametersof hydrolytic acidification and activated sludge process. Experimental resultswere shown as follows when the temperature was under 40℃ and hydraulic retention time HRTwas 10 h, the removal rate of COD was about 34. The technologic parameters of the later activated sludge werehydraulic retention time was 12 h, the DO of the mixed liquid was 4 mg L, the removal rate of COD was about80. As a result, COD in the effluent couldmeet the emission standard specifiedby “Wastewater Pol - lictant Emission Standard of Papermaking Industry” GB3455 -2001. Butwhen the temperaturewas higher than 40℃, the removal rate of COD in the mid -stage wastewater was about 55. The effluent could not meet the emission standard. Keywords mid-stage wastewater hydrolytic acidification activated sludge process TECHNICAL AND ECONOMICAL COMPARISON OF WATER COOLING SYSTEM OF BLAST FURNACEWang Ling ChenJiliang 71 Abstract Taking 2 500m3blast furnace as example, technical flow, characteristic and economical benefit of recycledwater cooling system are analyzed, and it is proposed to use closed recycled soft water technics and evaporated air cooling equipment separately, which is important to save water and energy in iron and steel plants. Keywords boil furnace separated closed soft water circulation cooling system clean open -cycle water evaporative air cooler plate ex - changer economic benefit COMPARISON AND CHOICE OF FLUE GAS DESULFURIZATION PROCESSES Liao Chuanhua Zhou Ling Zhu Tingfeng et al 74 Abstract The use of coal becomes more and more important and the combustion of high -sulfur coals would impair air quality, efforts have been made to devise efficient processes to control sulfur dioxide emission. Besides desulfurization before and during combustion, flue gas desulfu - rization is considered the most promising that could also be applicable to all other fossil fuels. Several processes with highest use andwith high potential for future use are compared. Keywords desulfurization of flue gas comparison choose THE APPLICATION OF ENS SEMIDRY DEFLUORINATION AND DESULFURIZATION IN THE CLEANING OF SINTERED SMOKE AND EXHAUST Chang Ruiqing Bao Wenhong Ma Zhiming 78 Abstract The ENS semidry process of defluorination and desulfurization is a new-style technology in seperating sulfur dioxide SO2from smoke.It dealswith sulfur dioxide ranged from 0. 1 to 5 by volume. The content of sulfur dioxide in cleaned smoke reaches to several ppm. 5 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 26, No. 6,December,2008