电极-SBBR系统中活性污泥的培养驯化研究.pdf

电极 － SBBＲ 系统中活性污泥的培养驯化研究 * 马焕春1， 2陈玉成1廖仁郡1张娇娜1李玉聪1张嗣萍1 1． 西南大学资源环境学院 三峡库区生态环境教育部重点试验室， 重庆 400716; 2． 重庆水利电力职业技术学院， 重庆 402160 摘要 依据系统对 COD、 氨氮及 TP 的去除效果来表征电极 － SBBＲ 反应器内活性污泥的挂膜与驯化的程度， 试验结果 表明 在挂膜驯化结束时， 填料表面的生物膜厚度为 1. 2 ～1. 5 mm， 阴极板表面厚度为 0. 5 ～1 mm， COD、 氨氮和 TP 最 高去除率分别达 85. 61、 90. 01和 70. 44。 关键词 活性污泥; 挂膜; 驯化; 电极 － SBBＲ 反应器 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201406005 ＲESEAＲCH ON CULTIVATION OF ACTIVATED SLUDGE IN ELECTＲODE- SBBＲ SYSTEM Ma Huanchun1， 2Chen Yucheng1Liao Ｒenjun1Zhang Jiaona1Li Yucong1Zhang Siping1 1. Key Laboratory of Ecoenvironments in the Three Gorges Ｒeservoir Area Ministry of Education ，College of Ｒesources and Environment，Southwest University，Chongqing 400716，China; 2． Chongqing Water Ｒesources and Electric Engineering College，Chongqing 402160，China AbstractThe removal efficiency of COD，ammonia nitrogen and TP were charactered as attaching biofilm and acclimation degree of activated sludge in the electrode- SBBＲ system．The results showed that at the end of attaching biofilm and acclimation，biofilm thickness was about 1. 2 ～ 1. 5 mm on the surface of packing，and about 0. 5 ～ 1 mm on the surface of cathode plate．The highest removal rate of COD，ammonia nitrogen and TP reached 85. 61，90. 01 and 70. 44 respectively． Keywordsactivated sludge;attaching biofilm;acclimation;electrode- SBBＲ reactor * 国家 “十一五” 科技支撑计划项目 2010BAD03B03 。 收稿日期 2013 －08 －10 0引言 随着我国畜禽养殖业向规模化、 集约化方向发 展， 大中型沼气工程随之得到迅猛发展， 沼气工程在 废物利用产生清洁能源的同时产生了大量更难处理 富含 N、 P 的高浓度有机废水， 这已经成为相关产业 的典型污染物 ［1- 2 ］， 尽管可以采用还田处理或者是资 源化利用的方式处理沼液， 但是这两种消纳方式受到 多种条件的制约， 尤其受到我国地少人多的实际条件 的限制， 因此采用工程化技术处理集中型沼气工程产 生的大量沼液是必然的选择。由于沼液是厌氧发酵 液， 可生化性差， 直接采用好氧生化处理效果不理想， 而以往电极生物膜法主要针对低 C/N 比的反硝化脱 氮问题 ［3- 4 ］， 而对低 C/N 比， 高氨氮废水的研究较少， 如果在一个反应器内完成从硝化到反硝化整个脱氮 过程， 则可以实现对高氨氮、 低 C/N 废水的处理， 本 研究采用电极 －SBBＲ 强化的电生物技术来处理沼液， 并对工艺运行前的活性污泥培养驯化过程进行研究。 1试验部分 1. 1供试材料 沼液废水取自重庆市北碚区某奶牛场集中型沼 气工程厌氧发酵后出水。 SBBＲ 反应器体系由 4 个规格相同的反应器组 成， 材质为有机玻璃， 每个反应器可独立运行， 曝气装 置， 软性填料。 电极采用石墨作为阴阳极板， 极板面积为0.05 m2， 电流为直流稳压电源 最大电压为 30 V 。 污泥采用污水处理厂脱水污泥， 呈现黑褐色固 体状。 1. 2活性污泥启动及驯化方法 污泥采用污水处理厂脱水污泥， 该污泥中磷含量 71 水污染防治 Water Pollution Control 较高， 但活性较差， 因此应先对脱水活性污泥进行启 动恢复活性。按照脱水活性污泥占 8 体积的比例 加入自来水， 空曝 24 h， 搁置 12 h 后， 弃去上清液， 然 后再空曝 12 h， 搁置 12 h， 弃去上清液， 如此反复多 次， 将此作为活性污泥注入反应器内， 同时加入人工 配水， 其按照微生物生长时营养物质的需求比例配 制， 继续连续曝气96 h， 据此启动活性污泥， 当微生物 大量繁殖， 呈现黄褐色后说明启动成功。 在驯化初始阶段需添加适量人工配水， 开始时按 照人工配水与沼液 5∶ 1的比例添加， 然后是 5∶ 2， 依次 类推， 直至完全加入稀释沼液为止。在驯化阶段， 添 加的驯化废水与活性污泥按照 1∶ 1 ～ 2∶ 1的比例添 加， 监测出水水质， 当污染指标去除率达到 70 以上 时， 说明活性污泥适应了此种浓度废水， 或水质能够 达到畜禽养殖废水的排放标准时， 替换到下一浓度 梯度。 SBBＲ 反应器的挂膜采用软性填料挂膜法， 与污 泥驯化同时进行， 当填料上的生物膜达到 1 ～ 2 mm， 呈黄褐色， 则挂膜成功。 反硝化活性污泥的培养 活性污泥放置密闭容器 中， 每天加入微生物所需的营养物质及硝酸盐氮， 连 续培养7 ～10 d， 培养出适合厌氧反硝化优势菌群， 然 后加入 SBBＲ 反应器中。 电极的挂膜 在培养驯化过程中， 为了使石墨极 板更易于挂膜， 对极板进行糙化处理， 将经过糙化处 理的阴极板放入反硝化污泥培养容器中， 使阴极板经 过吸附挂膜形成反硝化生物膜， 在挂膜及驯化的同时 通电， 以加强微生物对电极的耐受能力， 挂膜成功后 极板放入 SBBＲ 反应器内进行驯化。 1. 3分析方法 氨氮采用蒸馏 － 中和滴定法 HJ 5372009 ; COD 采用重铬酸钾法 GB 1191489 ; pH 值采用玻 璃电极法 GB 692086 ; MLSS 采用重量法; SV30采 用沉降法。 2结果与分析 启动及驯化污泥历时 6 周， 温度为 18 ～30 ℃， 启 动初始时， 污泥呈黑褐色， 带有腐败臭味， 间歇式曝气 96 h， 期间24 h 换水1 次， 启动后期， 活性污泥呈现黄 褐色， 气味为泥土味， 说明启动成功。 驯化过程中进水 ρ COD 由 318. 4 mg/L 逐渐升 到 2 738. 40 mg/L， ρ NH3－ N 由43. 43 mg/L 逐渐升 高到 469. 56 mg/L， ρ TP 由 5. 22 mg/L 逐渐升高到 44. 89 mg/L， 变换浓度梯度主要根据出水浓度的变化 情况， 出水稳定后再增加驯化梯度。 2. 1驯化期间 COD 的变化情况 图 1 为驯化期间进出水 COD 及 COD 去除率的 变化情况。由图 1 可知 在驯化初期， 微生物生长所 需碳源主要来源于人工配水， 微生物对于环境的不适 应， 导致去除率较低。随着驯化时间的延长， 微生物 的环境适应性不断增强， 在进水 COD 浓度不断增大 的情况下， 其去除率也不断增加， 到第 5 天稍有下降， 其后去除率不断增加直至稳定。究其原因， 反应污泥 是污水处理厂脱水污泥， 内部含有未降解有机质， 随 着驯化的进行， 在电流作用下， 其有机成分进入到水 中， 影响了 COD 的去除效果。在活性污泥驯化完成 后， 其去除率维持在 80左右， 最高达 85. 61， 出水 水质达 GB 185962001畜禽养殖业污染物排放标 准 的要求。 图 1驯化期间 COD 变化情况 Fig．1The change of COD during the period of acclimation 2. 2驯化期间氨氮的变化情况 图 2 为驯化期间进出水氨氮及氨氮去除率的变 化情况。由图 2 可知 在驯化初期， 氨氮去除率较低， 此时微生物主要是异养菌， 而硝化细菌较少， 系统中 DO 主要被异养菌消耗， 随着驯化时间的增加， 硝化 细菌数量不断增加， 氨氮去除率明显提高， 直至相对 稳定， 在驯化结束时， 氨氮去除率可达 85 以上， 最 高达 90. 01。 图 2驯化期间氨氮变化情况 Fig．2The change of ammonia nitrogen during the period of acclimation 在驯化结束时， 反应器软性填料的生物膜厚度可 达 1. 2 ～1. 5 mm， 并且在阴极板表面形成一层 0. 5 ～ 81 环境工程 Environmental Engineering 1 mm厚的生物膜， 影响 DO 在生物膜的传质作用， 形 成好氧外层及厌氧内层的双层结构， 构建了硝化与反 硝化的微生态系统 ［5 ］， 此结构有利于在不同反应时 段硝化及反硝化作用的同时进行， 达到脱氮的目的。 2. 3驯化期间活性污泥指标的变化情况 图 3 为驯化期间进出水 TP 及 TP 去除率的变化 情况。由图3 可知 在驯化初期 TP 的去除效果较差， 去除率仅为 20， 主要是驯化时， 采用瞬时进水的方 式， 进水之后直接曝气， 在好氧阶段前未留有厌氧时 间， 致使聚磷菌无法有效释磷， 同时形成聚- β- 羟基丁 酸酯 PHB ， 此物质在好氧条件下分解产生能量， 而 聚磷菌在好氧环境中竞争能力差， 影响在好氧段的有 效吸磷， 影响 TP 的去除。随着驯化时间的进行， 在 两次曝气之间的厌氧阶段， 聚磷菌可有效释磷， 同时 产生 PHB， 有利于好氧段的吸磷， 因此 TP 去除率逐 渐提高， 出水达 GB 85962001 的要求。从第 16 周 期开始， 出水 TP 浓度突然增加， 去除率下降， 主要是 采用脱水污泥中的磷在启动阶段未能够较好去除， 除 了生物膜外， 反应器底部还有一部分剩余和脱落污 泥， 其中磷含量较高， 随着时间的推进， 污泥中的磷重 新释放到水中导致出水 TP 升高， TP 的去除最终需通 过活性污泥排除， 因此在第 21 周期驯化结束开始排 泥， 以后每 7 d 排泥 1 次， 排泥量即为生物膜脱落量。 图 3驯化期间 TP 变化情况 Fig．3The change of TP during the period of acclimation 2. 4驯化结束后生物相 电极 － SBBＲ 反应器驯化及挂膜完成后， 填料的 生物膜厚度为 1. 2 ～1. 5 mm， 阴极板表面形成 0. 5 ～ 1 mm厚的生物膜， 吸附性较好， 泥水间的界面清晰， 颜色为灰色， 通过镜检发现系统中累枝虫、 轮虫等为 优势微生物， 并且菌胶团比较密实。 3培养中出现的异常状况及解决办法 在挂膜早期出现生物膜脱落、 上浮的现象， 原因 为 1 经过启动的活性污泥， 缺失某些营养元素， 导 致其活性不够， 吸附性能较差。通过添加各种微生物 所需的营养元素， 从而改善活性污泥的性质， 提高适 应环境的能力， 随着驯化的进行， 微生物的适应性不 断增强， 优势菌种不断增多， 其活性污泥的反应活性 和吸附性显著提高。2 由于曝气量过大， 驯化初期 溶解氧质量浓度为 6. 02 ～6. 67 mg/L， 之后减少了曝 气量。3 由于采用脱水污泥， 按照 8 泥水比进行添 加， 活性污泥的浓度过高， 导致膜的脱落。 4结论 1经过 6 周完成了活性污泥的启动、 培养和驯 化。因投加脱水污泥， 量多， 启动之后驯化较快。 2驯化的过程中， 进水负荷不断提高， COD 和 氨氮去除率均达 80， 出水较为稳定， 说明活性污泥 具有较好的活性， 驯化成功。 参考文献 ［1］MatiasB， ArielA， PatrickG， etal．Developmentof environmentally superior treatment system to reeplace anaerobic swine lagoons in the USA［J］． Bioresource Technology， 2007， 98 3184- 3194. ［2］Eum Y， Choi E． Optimization of nitrogen removal from piggery waste by nitrite nitrification［ J］ ． Wat Sci Tech， 2002， 45 12 89- 96. ［3］Park H I，Kim D K，Choi Y J，et al． Nitrate reduction using an electrode as direct electron donor in a biofilm- electrode reactor［J］． Process Biochemistry， 2005， 40 3383- 3388. ［4］吴未红， 袁兴， 曾光明． 电极 － 生物膜法去除地下水中硝酸盐 氮［J］． 水处理技术， 31 5 55- 57. ［5］Hao X D，Heijnen J J，van Loosdrecht M C M． Sensitivity analysis of a biofilm model describing a one- stage completely autotrophic nitrogen removal CANONprocess［ J］． Biotechnol Bioeng， 2002， 77 3 266- 277． 第一作者 马焕春 1979 － ， 女， 博士， 主要研究方向为农业环境保护。 mahuanchun0226126． com 通讯作者 陈玉成 1965 － ， 男， 教授， 主要研究方向为水污染控制工 程。chenyucheng swu． edu． cn 91 水污染防治 Water Pollution Control