低溫SBR工藝活性污泥代謝特性研究

尹 軍,李 瑞,張振庭,王建輝,王小龍 (吉林建筑工程學院市政與環境工程學院,吉林 長春 130118)

低溫SBR工藝活性污泥代謝特性研究

尹 軍*,李 瑞,張振庭,王建輝,王小龍 (吉林建筑工程學院市政與環境工程學院,吉林 長春 130118)

在(7±1)℃條件下,從污染物的去除效能、生物活性、污泥特性等方面,研究了低溫 SBR系統中活性污泥的代謝特性.結果表明:低溫SBR系統在好氧階段前40min能夠將96%的COD去除,整個運行周期活性污泥對COD的代謝狀況良好;由于低溫的影響,活性污泥硝化反應過程受到抑制,反硝化過程無法正常進行;低溫不是影響SBR反應器中聚磷菌P代謝過程的關鍵因素,在低溫條件下聚磷菌對P的攝取、釋放代謝狀況良好;活性污泥 2,3,5氯化三苯基四氮唑(TTC)和碘硝基四氮唑(INT)電子傳遞體系(ETS)活性呈現出周期性變化規律,TTC和INT-ETS活性能夠有效表征整個運行過程活性污泥的代謝特性;穩定運行的低溫SBR系統活性污泥表現出良好的沉降性,MLSS、MLVSS、以及MLVSS/MLSS都高于常溫SBR系統.

污水處理；低溫SBR；活性污泥；代謝特性；生物活性；沉降性

SBR污水處理工藝是一種簡便、高效、耐沖擊負荷能力強、運行方式靈活、具有同步脫氮除磷能力的活性污泥污水處理方法[1].目前,國內外對于常溫SBR工藝運行特征的研究已逐漸成熟,但關于低溫SBR工藝中活性污泥代謝特性的研究還很少.寒冷地區的SBR工藝在低溫條件下運行時經常會遇到一系列常溫條件下不常遇到的問題,因此近年來對低溫條件下SBR工藝的運行特征和污染物去除效能的研究,日益引起關注.研究表明[2],水溫是影響活性污泥新陳代謝狀況的主要因素,當水溫低于 15℃時,微生物活性開始下降;當水溫低于 10℃時,微生物活性明顯下降;水溫小于 4℃時,微生物活性非常微弱.因此,溫度對活性污泥的正常生命活動具有很大的影響作用,對活性污泥的硝化反應過程影響更加明顯[3].孫洪偉等[4]研究發現,低溫導致了SBR工藝反硝化過程亞硝態氮積累現象.低溫SBR工藝中硝化、聚磷、釋磷等其他代謝過程特征還有待進一步研究.

微生物電子傳遞體系(ETS)活性是評價活性污泥對有機污染物降解能力的重要指標,使用人工電子受體檢測微生物呼吸鏈上的電子傳遞速率,可以分析評價微生物ETS活性[5].常用的人工電子受體有 2,3,5氯化三苯基四氮唑(TTC)和碘硝基四氮唑(INT)2種,通過這2種電子受體檢測出的 ETS活性分別被稱為 TTC-ETS活性和INT-ETS活性[6-8].

為了探討低溫SBR污水處理工藝中微生物對污染物的代謝特性,本研究在(7±1)℃條件下,考察分析了SBR反應器中活性污泥對污染物的去除效能與特征、微生物ETS活性的變化規律,以及活性污泥的生長特性,供寒冷地區采用SBR工藝處理低溫生活污水時參考.

1 材料與方法

1.1 試驗用水

反應器進水采用自來水配制,碳源為白酒和葡萄糖,氮源為硫酸銨,磷源為磷酸二氫鉀,通過投加碳酸氫鈉調節 pH值.每日配制的污水水質COD維持在350mg/L,BOD維持在260mg/L,TN維持在 25mg/L,TP控制在 5mg/L,pH值維持在7~8之間.

1.2 試驗裝置

參考有關資料[9-10],制作的低溫SBR反應器如圖1所示,反應器由冷卻系統和SBR反應器2部分組成,反應器高 1m,有效容積為 40L,反應器材質為有機玻璃.曝氣方式為鼓風曝氣,通過轉子流量計調節曝氣量;采用冷水冷卻系統和溫度控制儀調控水溫;采用定時電力攪拌器保證泥水完全混合,從而完成SBR反應器缺氧反應過程.

圖1 低溫SBR反應裝置示意Fig.1 Low temperature SBR reactor diagram

1.3 反應器的啟動運行

試驗采用接種法培養馴化活性污泥,接種污泥取自長春市某污水處理廠.啟動階段培養溫度為(7±1)℃,pH值控制在7~8之間,進水CODcr維持在 300~350 mg/L,進水氨氮濃度維持在 25~ 30mg/L.系統不排泥間歇運行 15d左右后,出水COD濃度可達到一級A標準[11],出水氨氮濃度可達到一級B標準[11],污泥逐漸由棕黑色變為黃褐色,且沉降性能良好.此時,可認為反應器完成啟動過程[12].

反應器啟動完成后,通過冷循環系統和溫度調節系統將混合液溫度維持在 7℃左右.系統運行周期為24h,具體流程為:進水,曝氣6h,攪拌2h,靜沉 2h,出水,待機 14h.在系統運行期間,保證每個周期投入數量相同的碳源、氮源、磷源,并且將pH值維持在一定范圍內;同時對系統內COD、氨氮、TN、TP、TTC-ETS活性、INT-ETS活性以及SV等指標進行周期性監測.

1.4 分析方法

1.4.1 TTC-ETS、INT-ETS活性測定 TTCETS活性測定方法步驟[13]:向10mL離心管中加入0.8mL的污泥混合液、0.5mL的0.36% Na2SO3溶液和0.3mL事先配制的0.4%TTC(2,3,5氯化三苯基四氮唑)溶液.速將制備好的樣品放在(37±1)℃的水浴振蕩器內振蕩培養30min,然后加1mL的 37%甲醛終止酶反應.將該樣品 4000r/min離心5min,輕輕棄去上清液,加入5mL的丙酮,攪拌混合均勻后,繼續在(37±1)℃下暗處振蕩萃取10min.待樣品萃取完畢,4000r/min再離心 5min,將上清液和沉淀污泥分離.用分光光度計在485nm處讀取萃取液的吸光度(1cm比色皿).離心的沉淀污泥在(105±1)℃下烘干1h后測干重.

INT-ETS活性測定方法步驟[14]:向10mL離心管中加入0.5mL的污泥混合液和0.2mL事先配制的0.2% INT(碘硝基四氮唑)溶液.迅速將制備好的樣品放在(37±1)℃的水浴振蕩器內振蕩培養30min,然后加1mL的37%甲醛終止酶反應.將該樣品4000r/min離心5min,輕輕棄去上清液,加入 7mL的甲醇,攪拌混合均勻后,繼續在(37±1)℃下暗處振蕩萃取 10min.待樣品萃取完畢,4000r/min再離心5min,將上清液和沉淀污泥分離.用分光光度計在485nm處讀取萃取液的吸光度(1cm比色皿).離心的沉淀污泥在(105±1)℃下烘干1h后測干重.

TTC-ETS和NT-ETS活性的計算公式:

式中:UI為 INT-ETS活性[mgINTF/(gTSS?h)]或者 TTC-ETS活性[mgTF/(gTSS?h)];D485為波長485nm處的上清液吸光度;V為TTC或INT萃取劑體積,mL;KI為TTC或INT標準曲線斜率;W為污泥干重,g; t為培養時間,h.

1.4.2 常規指標的測定 在試驗過程中 CODcr的測定采用5B-1型COD快速測定儀,氨氮的測定采用納氏試劑分光光度法,TN的測定采用過硫酸鉀氧化紫外分光光度法,TP的測定采用鉬銻抗分光光度法,混合液懸浮固體(MLSS)和混合液揮發性懸浮固體(MLVSS)測定采用濾紙重量法.

2 結果與討論

2.1 污染物的去除效果

低溫SBR系統完成啟動階段運行穩定后,在一個運行周期內,按不同時間,對混合液中的COD、氨氮、TN、TP等濃度指標進行了動態監測.進行3個周期動態監測后,發現各污染物濃度在不同周期內變化曲線基本相同,試驗結果如圖2所示.

圖2 低溫SBR系統中COD、氨氮、TN和TP濃度隨反應時間的變化Fig.2 Variation of COD, NH4-N,TN and TP concentrations with time in the low temperature SBR system

由圖 2a可見,在好氧階段,當系統運行到第40min時,96%的COD已被去除,從40min開始到好氧運行階段結束,COD去除率基本保持不變;第360min添加碳源、系統進入缺氧運行階段后,在前10min和后1h,混合液中的COD明顯下降,在第370~450min COD無明顯變化.整個運行周期,系統對 COD的去除狀況良好,在好氧階段和缺氧階段末期COD均符合一級A標準.有研究認為[15],培養馴化出較好活性的耐低溫菌能夠保證低溫SBR工藝穩定良好運行.本試驗結果說明,低溫SBR系統經過半個月的培養啟動后,已形成了性能較好的耐低溫活性污泥菌膠團,從而表現出良好的 COD去除效果.譚學軍等[16]研究發現,低溫SBR系統能夠獲得較為理想的COD去除率,好氧段的COD去除率均在90%左右,與本文得出的結論一致.

由圖2b可見,低溫SBR系統在一個反應周期結束后,出水氨氮濃度可以達到一級B標準.大部分氨氮的去除主要在好氧階段完成,缺氧階段氨氮濃度變化不大.與常溫 SBR系統相比,氨氮在好氧階段的硝化反應不完全,在第360min好氧運行階段結束時,只有50%的氨氮被硝化去除,說明低溫對氨氮的硝化過程有明顯的抑制作用.有研究表明[16]低溫 SBR系統氨氮氧化速率較慢,好氧段結束時氨氮硝化率不足 30%,這也說明低溫SBR系統硝化過程難以正常進行.

對比圖 2b與圖 2c分析,在整個反應周期內,TN變化幅度很小,在缺氧階段沒有呈現下降的趨勢,說明在低溫條件下,反硝化過程基本無法正常進行,反而出現了嚴重的硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮積累的現象.孫洪偉等[4]在對低溫SBR工藝反硝化過程的研究中也觀察到這種亞硝酸鹽氮積累的現象,同時發現碳源類型是影響亞硝態氮積累的一個因素,在溫度為13.9℃條件下,甲醇、乙醇、乙酸鈉和丙酸鈉為碳源的反硝化過程亞硝態氮明顯積累,而以葡萄糖為碳源時則沒有發生亞硝態氮積累.也有研究認為[16],以啤酒為碳源的低溫SBR系統具有較強的反硝化能力,反硝化過程可在1h內完成.低溫SBR系統雖普遍存在反硝化過程亞硝態氮積累現象,但通過調節碳源有可能會使反硝化過程正常進行.

由圖2d可見,TP在好氧階段前90min得到較好的去除,從第90min開始到好氧運行過程結束,出水TP濃度可達到一級A標準.這說明在低溫SBR系統中,聚磷菌在曝氣開始90min內就能完成對P的攝取過程.因此,經過培養馴化后,低溫SBR系統的好氧聚磷過程能夠正常進行;從第360min缺氧反應階段開始到反應周期結束,TP濃度逐步升高,釋磷過程正常進行.分析認為[15]聚磷菌是一種嗜冷性細菌,在低溫環境下能夠正常生存,本試驗結果也表明,低溫不是影響 SBR反應器中聚磷菌P代謝過程的關鍵因素,在低溫條件下聚磷菌仍然能表現出良好的除P效果.

在本試驗第360min外加碳源是為了促進缺氧階段氮的去除,但試驗結果表明缺氧段氨氮的濃度沒有太大變化,反而出現了嚴重的硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮積累的現象;同時由于外加碳源和缺氧段釋磷,使出水COD、TP濃度均高于好氧段末端,此時可以考慮將低溫SBR系統的運行程序改為:進水,曝氣 6h,靜沉 2h,出水,待機.這樣能夠大幅度提高低溫SBR系統的污染物去除率.

2.2 TTC-ETS和INT-ETS活性的變化

圖3 低溫SBR系統活性污泥TTC-ETS和INT-ETS活性隨時間的變化Fig.3 TTC and INT-ETS activity of activated sludge with respect to reaction time in the low temperature SBR system

由圖3可見,在前40min,隨著大量COD初期被吸附降解去除,TTC-ETS和INT-ETS活性明顯下降;當第40min活性污泥的內源代謝反應開始時,TTC-ETS和INT-ETS活性急劇上升,之后又下降到初始水平;當 COD內源代謝反應完成時,TTC-ETS和 INT-ETS活性變化趨于平緩.TTC-ETS和INT-ETS活性隨著活性污泥內源代謝反應開始而增加的原因是,此時 COD代謝開始進入另一個階段,從而導致該時刻測得的活性數值是好氧異養菌和自養硝化菌的TTC和INT-ETS活性的總和.當COD的代謝反應完成、硝化反應速率趨于穩定時,TTC-ETS和INT-ETS活性隨之開始保持相對穩定.在第360min缺氧階段開始時,隨著活性污泥對外加碳源的代謝反應的啟動,TTC-ETS和INT-ETS活性有所下降,隨后由于低溫造成的反硝化過程硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮的不斷積累,TTC-ETS和INT-ETS活性隨之上升,然后趨于平緩.

硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮的積累可以看作反硝化過程的逆反應,在這一過程中,活性污泥利用有機物質參與了一系列電子傳遞反應,此外,厭氧階段的釋磷過程也伴隨著一些電子轉移過程,因此,TTC-ETS和INT-ETS活性在這一階段有所上升.縱觀低溫 SBR系統的整個反應周期,在有機物代謝、硝化和反硝化過程以及 P的代謝始末,TTC-ETS和INT-ETS活性變化曲線上都相應的出現了特征點,由此可證明 TTC-ETS和INT-ETS活性能夠有效表征低溫SBR系統中活性污泥的代謝特性[17-18].

2.3 SV、MLSS、MLVSS、和SVI的變化

圖4 低溫SBR系統SV、SVI、MLSS以及MLVSS隨時間的變化Fig.4 SV, SVI, MLSS and MLVSS with respect to reaction time in the low temperature SBR system

由圖 4a可見,SV為 35~55%,SVI為 50~ 75mL/g,說明活性污泥在整個周期中沉降性能良好.SV和SVI在前90min均呈現出明顯的下降趨勢,在這一階段,大部分COD、P被代謝去除,硝化過程也在順利進行,活性污泥的好氧代謝速率在這一階段較高,因此表現出良好的沉降性能.在第360min缺氧階段開始,由于溶解氧的變化以及低溫造成的反硝化過程硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮的積累,SV和SVI突然上升、活性污泥的沉降性變差,之后經過一段時間的適應過程,活性污泥的沉降性能又逐漸恢復原來的狀態.

由圖4b可見,MLSS、MLVSS在整個運行周期中變化幅度不大、整體呈緩慢上升的趨勢,且MLSS/MLVSS為0.84~0.87,說明經過15d的低溫馴化培養,活性污泥的生長繁殖狀態良好、同時含有較高的有機成分.對比常溫 SBR系統,低溫SBR工藝的MLSS、MLVSS、以及MLVSS/MLSS都相對較高[19].譚學軍等[16]研究發現低溫 SBR系統活性污泥中有機成分含量高于常溫SBR系統,與本結論一致.有研究認為[20],與常溫運行時相比,低溫環境下運行的活性污泥所攜帶的負電荷少,而具有更高的親水性,胞外分泌物含有更多的黏性物質.在本試驗中,盡管MLSS幾乎是常溫SBR的2倍,但活性污泥仍表現出了良好的沉降性,其原因為高污泥量增加了活性污泥所帶負電荷的數量、相應的也減小了活性污泥的親水性,從而使低溫SBR活性污泥具有較好的沉降性能.

3 結論

3.1 低溫SBR系統好氧階段前40minCOD去除率可達96%,整個運行周期活性污泥對COD的代謝狀況良好,出水COD小于50mg/L;低溫環境下,SBR系統活性污泥硝化反應過程受到抑制,反硝化過程難以正常進行,且表現出明顯的硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮的積累;低溫不是影響SBR反應器中聚磷菌P代謝過程的關鍵因素,在低溫條件下聚磷菌對P的攝取、釋放代謝狀況良好.

3.2 在整個運行周期內,低溫 SBR系統活性污泥的TTC-ETS和INT-ETS活性變化規律相關性較好,TTC-ETS和INT-ETS活性能夠有效的表征出整個運行過程活性污泥的代謝特性.

3.3 經過15d馴化培養后,低溫SBR系統活性污泥表現出良好的沉降性;低溫 SBR系統的MLSS、MLVSS、以及MLVSS/MLSS都高于常溫SBR系統.

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Activated sludge metabolic features in low temperature sequencing bath reactor.

YIN Jun*, LI Rui, ZHANG Zhen-ting, WANG Jian-hui, WANG Xiao-long (School of Municipal and Environmental Engineering, Jilin Architectural and Civil Engineering Institute, Changchun 130118, China). China Environmental Science, 2012,32(1)：69~74

The activated sludge metabolic features of a low temperature SBR system (7±1)℃ were studied for pollutant removal efficiency, bioactivity, and the sludge feature aspects. The low temperature SBR system removed 96% of COD within 40 minutes during the aerobic phase. The whole operation cycle was beneficial to COD degradation. The nitration process was restrained and the denitrifying process was unable to work normally due to the effect of low temperature. The low temperature was not the key factor that affected the phosphorus metabolic process of poly-P bacteria in the SBR reactor, as the poly-P bacteria could absorb and release the phosphorus normally in the low temperature environment. The TTC(2,3,5-triphenyl-tetrazolium chloride) and INT[2-(p-indophenols)-3-(p-nitro phenyl)-5-phenyl-tetrazolium Chloride] Electron Transport System(ETS) activity can effectively characterize the operation of activated sludge metabolic properties. Sludge in the stable operated low-temperature SBR system showed good settling. MLSS, MLVSS and MLVSS/MLSS in the low temperature SBR system were higher than that in normal temperature SBR system.

sewage treatment；low temperature SBR；activated sludge；metabolic features；bioactivity；settle ability

2011-04-08

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2008ZX07207-009-02)

* 責任作者, 教授, hitjunyin@163.com

X703.5

A

1000-6923(2012)01-0069-06

尹 軍(1954-),男,吉林省吉林市人,教授,博士,主要從事水體污染控制與治理技術研究.發表論文200多篇.