A/O兩種工況條件下污泥胞外聚合物的比較研究

高占堯,仝攀瑞,徐甜甜

(1.西安工程大學 發展規劃處,陜西 西安710048;2.陜西海藍環保科技有限公司,陜西 西安710043)

0 引 言

隨著化纖織物的發展和印染后整理技術的進步,PVA漿料新型助劑等難生化降解有機物大量進入印染廢水,原有的生化處理系統對 CODCr去除率大都由原來的70%下降到50%左右,有的甚至更低,給處理增加了難度[1-3].面對這種狀況,個別印染廢水處理站對水解酸化-好氧生物處理工藝進行了改進,即將二沉池污泥全部回流到水解酸化池,取得了明顯的處理效果;對此,學者展開了大量的研究,但對其活性污泥表面特性的分析研究,相關文獻論述較少.

胞外聚合物(EPS)是生物聚集體的重要成分,對活性污泥的形成及其性質與性能都有重要的影響.EPS的化學成分比較復雜,其組分因來源不同而有所差別.總的說來,蛋白質和多糖是EPS的主要成分,約占有機物總量的70%～80%,而核酸脂類、腐殖酸、糖醛酸等僅占有機物總量的10%～20%[4-6].目前,人們對EPS的研究重點主要集中在蛋白質和糖類,對EPS中其他成分的研究和應用較少.

自20世紀40年代以來,大量學者經研究認為EPS是生物絮凝中的關鍵物質.Bruus等[7]研究認為:EPS中多糖在活性污泥的生物絮凝中起主要作用;而Matthew等[8]則報道,EPS中蛋白質在活性污泥的生物絮凝中起主要作用.不同的EPS含量可能會間接的反應出污泥活性的變化和污水CODCr去除率的變化,但對EPS的研究還仍停留在污泥微生物的絮凝沉降階段,污泥活性的變化必然會引起EPS含量的變化,同樣當污泥胞外EPS含量變化時,也間接的反應出污泥活性的改變,污泥降解性能也會隨之改變,體現在數據上就是污水CODCr的去除率的不同.本文通過對各池中胞外聚合物總量與多糖/蛋白質值的對比分析,研究了A/O全部回流與部分回流工藝各處理階段pH對污泥胞外聚合物組分的影響和污泥胞外聚合物對污泥性能的影響.

1 實 驗

1.1 污泥及廢水處理條件

實驗采用水解酸化-好氧(A/O)工藝.在該工藝中,通常做法是將二沉池回流污泥部分回流到好氧池內,剩下的污泥排放;但極少數的做法是將二沉池回流污泥全部回流到水解酸化池內.為了描述方便,將部分回流到水解酸化池的工藝叫做部分回流工藝,全回流到水解酸化池的工藝稱做全部回流工藝.

該實驗配水池有效容積為70L,每次配水50L,一天兩次.進水配比:葡萄糖1 000mg/L;NH4Cl 100mg/L;KH2PO420mg/L;Na2CO3300mg/L.微量元素:CaCl210mg/L;MgSO45mg/L;MnSO45mg/L;FeSO45mg/L.接種污泥來自咸陽某印染廠污水站二沉池回流污泥,將其靜置沉降2h后倒掉上清液,隔絕空氣發酵5～6 d后作為好氧池與水解酸化池的接種污泥.測定接種污泥MLSS為9.52g/L,為了使接種污泥更好地適應模擬廢水,實驗測試前對工藝進行了污泥的馴化培養.

水解酸化池和好氧池的有效容積分別為70L和40L,污泥接種量分別為37L和15L.為了加快掛膜速度以及更好地促進好氧池污泥的成熟,實驗裝置啟動時,采取好氧池和水解酸化池單獨馴化,然后再采用串聯并連續運行的方式.好氧池和水解酸化池單獨馴化的完成共耗時20d,隨后,將2單元串聯連續運行20d.連續運行期間水解酸化池出水CODCr為279.5～421.1mg/L,CODCr去除率高于50%,經過曝氣池進一步處理后,CODCr和色度的總去除率分別為80%～90%和60%以上,可有效地將有機污染物質降解去除.試運行后期,系統運行穩定,對污染物質的去除率也比較穩定,達到預期設計的去除效果.馴化完成后連續進水,水解酸化池HRT為14 h,好氧曝氣池HRT為8h.

1.2 實驗方法

1.2.1 EPS提取 分別在池上、中、下3點各取樣10mL,充分混合后取5mL混合液,在轉速為3 500r/min條件下離心10min,并用超純水洗滌3次,再在轉速為12 000r/min條件下離心20min,將上清液移至干燥的試管中備用.

1.2.2 多糖測定 取2mL EPS提取液與4mL蒽酮試劑,搖勻,室溫放置30 min后利用紫外-可見分光光度計在波長為625nm條件下測其吸光度,并記錄吸光度值A,將A代入標準曲線中就可求出水樣中多糖含量.

1.2.3 蛋白質的測定 取EPS提取液1mL與G-250試劑5mL,搖勻,室溫放置5min后利用紫外-可見分光光度計在波長為595nm 條件下測其吸光度,并記錄吸光度值B,將B代入標準曲線中就可求出水樣中蛋白質含量.

2 結果與討論

2.1 水質變化

污泥回流方式的不同必然會導致各反應器水質環境的變化,而這一變化也是使反應器內污泥微生物性質與對有機物去除率變化的根本所在.

表1 不同工藝各反應階段pH值

不同工藝各反應階段pH值見表1，從表1可以看出，兩種工藝各自在半個月的穩定運行中,好氧池內pH值基本保持在中性與偏堿性狀態,變化幅度不大,pH值在7～8之間變化;而水解酸化池內的pH值卻變化較大,很顯然部分回流工藝缺氧段的pH值較小,在5～6之間變化,而全部回流工藝缺氧段的pH值在6～7之間變化.

圖1 全部回流工藝水解酸化池DO與CODCr去除率關系圖

部分回流工藝水解酸化池溶解氧穩定在0.5mg/L,全部回流工藝水解酸化池由于二沉池回流污泥帶入的一部分溶解氧會使池內的溶解氧值有一定的波動,很難穩定到0.5mg/L,而是在其附近波動.全部回流工藝水解酸化池DO與CODCr去除率關系如圖1所示.從圖1可以看出,連續10d溶解氧DO在0.3～0.8mg/L的范圍內變化,對應的CODCr去除率圍繞在57%附近上下波動,而且波幅并不是太大,并未呈現出明顯的規律性.

綜上所述,可以說明回流污泥帶入的一小部分溶解氧沒有太大的影響.導致全部回流工藝與部分回流工藝水質環境變化,進而影響活性污泥微生物性質變化的主要因素是2種工藝前處理階段——水解酸化段pH值的不同.

2.2 多糖與蛋白質總濃度

圖2 缺氧段多糖與蛋白質總濃度對比圖

本文2.1中提到影響全部回流與部分回流工藝污泥性質與降解效率變化的主要原因就是缺氧段水解酸化池內pH值的不同,結合圖2,全部回流工藝缺氧段pH值在6～7之間,多糖與蛋白質總量最大為25.86mg/L,平均值為11.55mg/L;部分回流工藝缺氧段pH值在5～6之間,多糖與蛋白質總量最大為17.45mg/L,平均值為7.42mg/L,顯然全部回流工藝缺氧段的多糖與蛋白總量較大.這是由于回流污泥微生物為了抵抗惡劣的酸性環境,分泌出較多的粘性物質即多糖將自己包裹起來,所以會在胞外分泌出大量多糖;同時,由于較低的可生化性和較高的有機負荷,一部分回流微生物不能適應新的環境而死亡解體,釋放出胞內糖類、蛋白質和DNA等物質,回流的污泥越多,內源呼吸是自身消解的微生物就越多,所以總體上全部回流工藝缺氧段多糖與蛋白總量較大.總的說來,蛋白質和多糖是EPS的主要成分,約占有機物總量的70%～80%,目前人們的研究重點主要集中在EPS中的蛋白質和糖類,而對EPS中其他成分的研究和應用較少.

圖3 好氧段多糖與蛋白質總量對比圖

從圖3可以看出,全部回流時好氧池內微生物胞外多糖與蛋白質總量遠高于部分回流時的值,全部回流時平均值為10.71mg/L,部分回流時的平均值是3.34mg/L.二沉池污泥的全部回流使得整個系統的污泥形成一個大循環,各反應器內污泥處于不停的消解轉化狀態,這使得污泥微生物在不斷適應新環境時分泌出的多糖與蛋白質含量遠高于部分回流系統;部分回流工藝好氧池內污泥含量微生物的生長繁殖和二沉池污泥的間歇回流通過兩方面維持:全部回流工藝好氧池污泥含量的也是通過微生物的生長繁殖和水解酸化池缺氧泥的連續流入兩方面維持.

眾所周知,微生物的生長繁殖速度遠沒有污泥流失的速度快,所以不管是何工藝,好氧池污泥含量的維持主要還是靠外界的加入,而部分回流工藝好氧段補充的是二沉池沉降下來的污泥,仍屬于好氧污泥,全部回流工藝好氧段補充的是水解酸化池流出的缺氧污泥.所以部分回流工藝基本上不存在污泥的馴化適應,自然污泥微生物分泌出的胞外多糖與蛋白質總量就較小.

圖4 缺氧段多糖/蛋白質對比圖

2.3 多糖/蛋白質值

研究了不同水質環境下,胞外聚合物多糖與蛋白質總量的變化規律,我們發現不同的pH環境下,多糖與蛋白質的總量不同.糖類物質的粘性較大,所以多糖與蛋白質的總量中哪類物質的貢獻較大,直接關系到污泥的絮凝效果,糖類占的比重多時,污泥的沉降性就差.

圖5 好氧段多糖/蛋白質對比圖

圖4，5分別為缺氧段與好氧段多糖/蛋白質對比圖.從圖4，5可以掉看出，部分回流工藝缺氧段的多糖/蛋白質值最小,平均值為4.72,越接近中性,比值最大,全部回流工藝缺氧段的平均比值是32.7,部分回流工藝與全部回流工藝好氧段的水質偏堿性,平均比值分別為7.48和9.47.酸性環境下,雖然總量最大,多糖/蛋白質值最小,所以污泥的沉降性最好;中性環境雖說是較溫和的環境,但多糖/蛋白質值最大,導致經常有污泥絮凝性下降,由于多糖的黏粘性,菌膠團之間會相互粘接到一塊形成以鏤空狀物塊,使得整體表面積增大,密度降低,沉降性下降,有時還會出現浮泥現象.而這一環境恰恰是微生物生成代謝的最適環境.所以日常運行中,適當控制曝氣池內的pH值,有助于維持活性污泥的較高活性.

3 結 論

(1) 導致全部回流工藝與部分回流工藝水質環境變化,進而影響活性污泥微生物性質變化的主要因素就是水解酸化段pH值的不同.

(2) 部分回流工藝缺氧段pH值在5～6之間,多糖與蛋白質總量最大為25.86mg/L,平均值為11.55mg/L;全部回流工藝缺氧段pH值在6～7之間,多糖與蛋白質總量最大為17.45mg/L,平均值為7.42mg/L,顯然多糖與蛋白質總量在酸性環境下較大,且全部回流工藝好氧池內微生物胞外多糖與蛋白質總量遠高于部分回流工藝.

(3) 中性環境多糖/蛋白質值最大,堿性次之,酸性環境下,多糖/蛋白質值最小.

參考文獻：

[1] EBERT M,INERLE-HOF M,WEINBRUCH S.Environmental scanning electron microscopy as a new technique to determine the hygroscopic behaviour of individual aerosol particles[J].Atmospheric Environment,2002,36(39/40):5909-5916.

[2] 時宗波,邵龍義.JonesTP等.城市大氣可吸入顆粒物對質粒DNA的氧化性損傷[J].科學通報,2004,49(7):673-678.

[3] SHI Zongbo,SHAO Longyi,JoneTP, et al.Urban atmospheric particulate matter of oxidative damage to plasmid DNA[J].Chinese Science Bulletin,2004,49(7):673-678.

[4] XIE R K,SEIP H M,LEINUM J R, et al.Chemical characterization of individual particles (PM10) from ambient air in Guiyang City, China[J].The Science of the Total Environment,2005,343(1/3):261-272.

[5] TIANY Z Z.Functions and behaviors of activated sludge extracellular polymeric substances(EPS):apromising environmental interest[J].Environmental Sciences,2006,18(3):420-427.

[6] COMTE S M.Biosorption properties of extracellular polymeric substances(EPS)resulting from activated sludge according to their type soluble or bound[J].Process Biochemistry,2006,41(4):815-823.

[7] LIU Hongfang.Extraction of extracellular polymeric substances(EPS)of sludges[J].Journal of Biotechnology,2009,95(3):249-256.

[8] BRUUS J H,NIELSEN P H,KEIDING K.On the stability of activated sludge flocs with implications to dewatering[J].Water Research,1992,26(12):1597-1604.

[9] MATTHEW J H.Characterzation of extracellular protein and its role in bioflocculation[J].Environmental Engineering,1997(5):448-479.