不同換水方式在污泥培養(yǎng)馴化中的比較及在倒置A2 /O 啟動(dòng)研究

凌琪，曾麒峰，伍昌年，張賢芳，唐玉朝，陶勇，劉明亮，方濤，趙秋燕，鮑超

(安徽建筑大學(xué) 水污染控制與廢水資源化實(shí)驗(yàn)室安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥 230601)

隨著我國對(duì)污水排放要求的提高，對(duì)氮磷提出了更嚴(yán)格的要求［1］。傳統(tǒng)A2/O 工藝采用厭氧/缺氧/好氧的布置形式，達(dá)到了一定脫氮除磷的效果，但是還有許多待解決問題［2-4］，比如回流污泥硝酸鹽對(duì)厭氧環(huán)境中磷的釋放產(chǎn)生抑制作用、缺氧段碳源不足造成反硝化不充分。張波等提出了將缺氧/厭氧倒置的理論［5］，大量實(shí)踐運(yùn)行［6-8］表明倒置A2/O 工藝解決了常規(guī)A2/O 工藝存在的部分問題，明顯改善了脫氮除磷效果，并且運(yùn)行穩(wěn)定。應(yīng)用活性污泥法的生物脫氮除磷工藝中，活性污泥的培養(yǎng)和馴化是整個(gè)工藝穩(wěn)定運(yùn)行的前提，合理的培養(yǎng)馴化會(huì)減少工藝啟動(dòng)時(shí)間，節(jié)約運(yùn)行成本，并能快速有效的開始處理污水。常用的培養(yǎng)馴化方式有接種培養(yǎng)和自然培養(yǎng)［9-12］。在培養(yǎng)馴化換水方式上又可分為連續(xù)換水和間歇換水，對(duì)于不同的換水方式在不同工藝培養(yǎng)上的應(yīng)用已有大量研究，也有將兩者結(jié)合起來運(yùn)用。而關(guān)于兩種不同換水方式的比較，并未有特別詳細(xì)的文獻(xiàn)報(bào)道。本文采用兩種換水方式在倒置A2/O 工藝反應(yīng)器中培養(yǎng)和馴化污泥，基于微生物對(duì)污染物的去除速率和污泥性能分析，比較兩種換水方式對(duì)污泥培養(yǎng)和馴化的影響，為實(shí)際工程應(yīng)用提供一定的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

乙酸鈉、氯化銨、磷酸二氫鉀、碳酸氫鈉、二水氯化鈣、五水硫酸銅、六水氯化鎂、七水硫酸亞鐵、六水二氯化鈷、四水氯化錳等均為分析純;接種污泥，取自合肥市塘西河污水廠的好氧池。

TU1901 雙光束紫外可見分光光度計(jì);T6 新世紀(jì)紫外可見分光光度計(jì);雷磁PHS-3C pH 計(jì);XSP-2008CA 光學(xué)顯微鏡;MS104S 電子天平;HACH HQ 30d 便攜式溶解氧儀。

1.2 培養(yǎng)裝置及其運(yùn)行方法

試驗(yàn)裝置如圖1 所示。設(shè)有兩套相同裝置，由水箱、缺氧池、厭氧池、好氧池4 個(gè)部分組成，材質(zhì)均為有機(jī)玻璃。裝置有效容積為120 L，其中缺、厭、好氧池的容積分別為30，30，60 L。缺氧、厭氧池中設(shè)有攪拌器，確保泥水均勻混合;好氧池底部設(shè)有兩個(gè)石英砂曝氣裝置。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup

取接種污泥60 L，混合人工配水加至裝置有效容積。控制一定曝氣量，連續(xù)悶曝24 h。連續(xù)換水培養(yǎng)開始由水箱持續(xù)加入人工配水，由沉淀池排水;間歇換水培養(yǎng)由人工填加配水，只進(jìn)行曝氣、靜沉、排水3個(gè)過程，反復(fù)循環(huán)。培養(yǎng)馴化過程中不排泥。實(shí)驗(yàn)中分別考察反應(yīng)器運(yùn)行2，15，40 d 和55 d 時(shí)污染物去除速率。每次都是在進(jìn)水后，連續(xù)取樣5 h，出水取樣頻率為1 次/h，并測(cè)定水樣的COD、NH3-N、TP。

1.3 試驗(yàn)污泥及用水

兩反應(yīng)器的接種污泥MLSS 約為5 000 mg/L，SV30 為31%，污泥呈黑棕色，鏡檢下只能觀察到少量的微生物。本試驗(yàn)采用人工配水，乙酸鈉339 ～412 mg/L，NH4Cl 24.6 ～50.2 mg/L，KH2PO44.7 ～14.3 mg/L，CaCl2·2H2O、CuSO4·5H2O、MgCl2·6H2O、FeSO4·7H2O、COCl2·6H2O、MnCl2·4H2O均為微量;加入碳酸氫鈉調(diào)節(jié)pH。

1.4 測(cè)試方法

測(cè)試指標(biāo)COD、NH3-N、TP、SV30、MLSS 均采用國家標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測(cè)定［13］。pH 采用pH 計(jì)進(jìn)行測(cè)定。活性污泥的生物鏡檢采用光學(xué)顯微鏡檢測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 對(duì)污染物的去除速率

在進(jìn)水0 ～5 h，COD 去除得很快，有機(jī)底物的濃度也較高，活性污泥在此階段處于對(duì)數(shù)增長(zhǎng)期，5 h后，有機(jī)底物的平均濃度已經(jīng)在50 mg/L 以下。Eckenfelder 模型由W W Eckenfelder Jr 對(duì)間歇反應(yīng)器內(nèi)微生物生長(zhǎng)情況進(jìn)行觀察后提出的［14］。Eckenfelder 公式［15］指出了有機(jī)物在微生物對(duì)數(shù)增殖期的去除規(guī)律:

式中 Y——產(chǎn)率系數(shù);

該公式表達(dá)了不同培養(yǎng)時(shí)間后有機(jī)物的去除速率常數(shù)K 和常數(shù)C，以考察培養(yǎng)中污泥對(duì)有機(jī)物的去除規(guī)律。COD 去除速率擬合方程見表1。

表1 不同換水方式COD 去除速率擬合方程Table 1 The fitted regression equation between COD degradation rate in different way of change water

隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，間歇換水培養(yǎng)方式中COD 去除速率常數(shù)K 先增加后降低，第2 d 去除速率為－ 0. 160 2，在第40 d 左右K 達(dá)到最大值－0.489 1后在55 d 降到了－0.376 8;連續(xù)培養(yǎng)方式中COD 去除速率常數(shù)K 在持續(xù)增大，40 d 時(shí)為－0.490 9，55 d 去除速率常數(shù)為－0.498 8。在不同培養(yǎng)時(shí)間下，連續(xù)換水的COD 去除速率常數(shù)都比間歇換水的高。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合趨勢(shì)與王長(zhǎng)生等［16］的研究相符合。隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加，活性污泥的MLSS 也隨之增加，去除速率隨污泥的MLSS 的增加而增加，在間歇換水培養(yǎng)馴化方式中，活性污泥的成熟期較連續(xù)式換水方式更早達(dá)到，在40 d 達(dá)到頂峰后，速率開始下降;而連續(xù)換水方式還未完全達(dá)到污泥成熟期，去除速率仍在緩慢增加。連續(xù)換水方式在COD 去除速率上占一定優(yōu)勢(shì)，COD 的去除速率并非隨培養(yǎng)時(shí)間的增長(zhǎng)而無限增加的，在一定時(shí)間，兩種不同培養(yǎng)方式的去除速率都會(huì)達(dá)到峰值，此時(shí)活性污泥的活性最強(qiáng)。

氨氮、總磷的去除與時(shí)間成線性關(guān)系。去除速率常數(shù)可用下式［17］表示:

式中 N0——起始氨氮/總磷濃度，mg/L;

表2 不同換水方式NH3-N 去除速率擬合方程Table 2 The fitted regression equation between NH3-N degradation rate in different way of change water

表3 不同換水方式TP 去除速率擬合方程Table 3 The fitted regression equation between TP degradation rate in different way of change water

通過表2 中的擬合方程可知，第2 d 去除速率常數(shù)分別為－4. 070 和－4. 337，間歇換水方式的NH3-N 去除速率趨勢(shì)與COD 一致，速率常數(shù)同樣先增大后下降;不同的是，連續(xù)換水方式的NH3-N 去除速率趨勢(shì)去COD 不一致，并沒有持續(xù)增長(zhǎng)，在40 d達(dá)到峰值－9.814 后，便開始下降，55 d 降到了－6.188，比間歇式方式55 d 的－7.123 還要低。這與張傳義等［18］在研究中發(fā)現(xiàn)相符合，在DO 偏高的環(huán)境中，對(duì)氨氮的去除更有利，在DO 偏低環(huán)境中，則相反。在間歇換水方式中DO 的含量比連續(xù)換水方式DO 的含量高，在55 d 時(shí)，間歇方式中氨氮的去除速率高于連續(xù)方式中氨氮的去除速率。由擬合表3 得知，兩不同換水方式的總磷去除速率與COD 的去除規(guī)律一致，不過存在較小的差異，COD 去除速率常數(shù)從開始，連續(xù)換水方式就一直大于間歇方式，在TP 去除方面，經(jīng)過55 d 的培養(yǎng)馴化，連續(xù)方式的速率常數(shù)雖然還在持續(xù)增長(zhǎng)，但最大的速率常數(shù)－2.209也比間歇換水方式的極值－2.309 小。

當(dāng)培養(yǎng)時(shí)間為2，15，40 d 和55 d 時(shí)，氨氮在間歇和連續(xù)換水方式上去除速率常數(shù)K 分別為－4.070，－5. 547，－7. 235，－7. 123 和－4. 337，－6.318，－9.814，－6.188;TP 在間歇和連續(xù)換水方式上去除速率常數(shù)K 分別為:－0.502，－0.871，－2.309，－1. 956 和－0. 585，－1. 138，－1. 595，－2.209。間歇換水方式能更快使污泥活性達(dá)到最佳值，但是如果不排泥，會(huì)導(dǎo)致活性污泥的老化，從而活性開始降低，在一定時(shí)間下，去除速率常數(shù)也會(huì)隨之降低。

2.2 不同換水培養(yǎng)方式的污泥特性

2.2.1 污泥濃度和沉降性 污泥培養(yǎng)馴化期間兩反應(yīng)器的MLSS 和SVI 值見圖2。

由圖2 可知，在55 d 的污泥培養(yǎng)馴化期間，間歇換水和連續(xù)換水的活性污泥的MLSS 均隨運(yùn)行時(shí)間的增加而逐漸升高，從開始培養(yǎng)的約2 400 mg/L分別增長(zhǎng)到了5 800 mg/L 和4 900 mg/L，在25 d 之前，連續(xù)換水方式的MLSS 高于間歇，在25 d 后，連續(xù)方式的MLSS 增長(zhǎng)緩慢，間歇換水方式的MLSS 開始加速增長(zhǎng)，最終，在相同的培養(yǎng)條件下，間歇換水培養(yǎng)方式的MLSS 高于連續(xù)換水培養(yǎng)方式。隨著馴化時(shí)間的增加，兩反應(yīng)器內(nèi)的SV30均有所增加，間歇換水方式活性污泥的SV30從13%增加到了36%，連續(xù)換水方式活性污泥的SV30從12%增加到32%，因?yàn)榉磻?yīng)器內(nèi)的MLSS 大幅度上升，導(dǎo)致了SV30的上升。從兩種方式的污泥指數(shù)SVI 分析，范圍分別為48 ～70 mL/g 和43 ～84 mL/g，說明在培養(yǎng)馴化期間兩反應(yīng)器都沒有出現(xiàn)污泥膨脹的現(xiàn)象，而且處于一個(gè)污泥狀態(tài)較好的范圍。

圖2 污泥特性變化Fig.2 Variation of sludge performance

2.2.2 生物相觀測(cè) 在污泥培養(yǎng)馴化期間，對(duì)接種污泥和經(jīng)過40 d 培養(yǎng)的污泥進(jìn)行了微生物相的觀察。圖3 是兩種換水方式分別得到污泥的微生物鏡檢照片。

圖3 活性污泥微生物相照片F(xiàn)ig.3 Photos of activated sludge microorganisms a.間歇式;b.連續(xù)式

對(duì)接種污泥用顯微鏡檢測(cè)，并未發(fā)現(xiàn)后生動(dòng)物和原生動(dòng)物。污泥培養(yǎng)馴化40 d 后，對(duì)間歇式換水培養(yǎng)和連續(xù)式換水培養(yǎng)的活性污泥做鏡檢，均能發(fā)現(xiàn)大量的原生動(dòng)物和后生動(dòng)物，種類也較多，以輪蟲、鐘蟲為主，表現(xiàn)十分活躍。污泥絮體規(guī)則排列，并且密集。說明兩種換水方式均能培養(yǎng)出較好的活性污泥。

3 結(jié)論

隨著培養(yǎng)時(shí)間增加，采取兩種不同的換水方式培養(yǎng)，均能培養(yǎng)出較好的活性污泥。在有機(jī)物去除上，間歇換水培養(yǎng)會(huì)在40 d 達(dá)到最快去除速率常數(shù)－0.489 1，連續(xù)換水培養(yǎng)的污泥去除速率稍快，但沒有顯著差異，在相同時(shí)間為－0.490 9，后續(xù)還在緩慢增漲，50 d 時(shí)為－0.498 8;去除速率并不是隨著培養(yǎng)時(shí)間增加而增加，間歇換水培養(yǎng)在達(dá)到峰值后開始下降。在脫氮除磷上，間歇換水培養(yǎng)方式同樣先達(dá)到最佳去除速率。連續(xù)換水培養(yǎng)方式在去除速率上沒有太大優(yōu)勢(shì)，間歇換水培養(yǎng)方式能更快使污泥成熟，在正常運(yùn)作啟動(dòng)上節(jié)省了時(shí)間。在倒置A2/O 工藝啟動(dòng)上采用間歇換水培養(yǎng)方式更佳，目前大多數(shù)水廠啟動(dòng)也多采用間歇換水培養(yǎng)方式。

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