Fe3+對好氧活性污泥理化特性的影響

蘭善紅　李慧潔　王傳路　耿士文　藍(lán)惠霞,*　張　恒,4　王曉紅

(1.東莞理工學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,廣東東莞,523808；2.青島科技大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院,山東青島,266042；

3.青島科技大學(xué)化工學(xué)院,山東青島,266042；4.華南理工大學(xué)制漿造紙工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東廣州,510640)

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Fe3+對好氧活性污泥理化特性的影響

蘭善紅1李慧潔2王傳路3耿士文2藍(lán)惠霞2,*張恒3,4王曉紅2

(1.東莞理工學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,廣東東莞,523808；2.青島科技大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院,山東青島,266042；

3.青島科技大學(xué)化工學(xué)院,山東青島,266042；4.華南理工大學(xué)制漿造紙工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東廣州,510640)

摘要：探討了Fe3+對好氧活性污泥理化特性的影響。結(jié)果表明：與對照樣(不加Fe3+)相比，整個馴化過程中,加Fe3+反應(yīng)器內(nèi)的混合液懸浮物(MLSS)質(zhì)量濃度和胞外多糖與蛋白質(zhì)的質(zhì)量比較高,但污泥體積指數(shù)卻較低；加Fe3+反應(yīng)器內(nèi)的胞外多聚物含量在馴化前期高于對照樣,在馴化后期卻低于對照樣；加Fe3+可以提高污泥的沉降性能和絮凝性能。

關(guān)鍵詞：Fe3+；制漿中段廢水；好氧活性污泥；馴化；理化特性

好氧活性污泥由于優(yōu)勢菌富集較慢,導(dǎo)致其處理廢水效果不佳,且微生物代謝酶活性也維持在一般水平,對毒性污染物的降解效率低[1-3]。好氧活性污泥在處理工業(yè)廢水過程中常發(fā)生污泥膨脹現(xiàn)象[4]。Remy等[5]研究結(jié)果表明,在好氧活性污泥中投加含F(xiàn)e3+等的物質(zhì)可刺激微生物生長,提高酶活性。Jin等[6]研究發(fā)現(xiàn),Fe3+可很好地改善活性污泥的壓實(shí)性和沉降性能。部分Fe3+在活性污泥系統(tǒng)運(yùn)行條件下可形成溶膠,溶膠具有絮凝作用,緊緊地結(jié)合在活性污泥表面,增強(qiáng)活性污泥的絮凝能力[7]。

本課題組將Fe3+應(yīng)用于處理制漿中段廢水的好氧活性污泥系統(tǒng)中。前期研究確定了Fe3+的最佳用量以及制漿中段廢水活性污泥馴化過程中污泥活性和處理效果。在此基礎(chǔ)上，本實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步探討了Fe3+對好氧活性污泥馴化過程中污泥理化特性的影響。

1實(shí)驗(yàn)

1.1原料

廢水取自山東某造紙廠的制漿中段廢水,調(diào)節(jié)廢水pH值至7.0左右,并加入1 mg/L的聚合氯化鋁(PAC)和0.1 mg/L的聚丙烯酰胺(PAM)進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理后,廢水CODCr約為800～900 mg/L。采用絮凝后的出水對好氧活性污泥進(jìn)行馴化。馴化過程中添加的營養(yǎng)液組成為：葡萄糖800 mg/L,硫酸銨184 mg/L,磷酸二氫鉀70 mg/L,硫酸鎂33 mg/L,氯化鈣66 mg/L,碳酸鈉260 mg/L。接種污泥為取自青島某城市污水處理廠曝氣池中的好氧活性污泥。

1.2分析方法

按照國家標(biāo)準(zhǔn)方法[8]測定混合液懸浮物(MLSS)的質(zhì)量濃度和污泥體積指數(shù)(SVI)；胞外多聚物采用硫酸法提取[9],胞外多糖和蛋白質(zhì)的質(zhì)量濃度分別采用蒽酮法[10]和考馬斯亮藍(lán)法[11]測定。

1.3實(shí)驗(yàn)方法

向靜態(tài)間歇式反應(yīng)器中加入4 g/L(前期實(shí)驗(yàn)確定的最佳用量)的Fe2(SO4)3(如下以“加Fe3+”表示),同時，將不加Fe2(SO4)3的反應(yīng)系統(tǒng)作為對照樣。2個反應(yīng)器中污泥的質(zhì)量濃度均為4 g/L左右,pH值控制在7.2左右,溶解氧質(zhì)量濃度控制在3～4 mg/L,處理周期為24 h。馴化過程共經(jīng)歷了6個階段；各階段制漿中段廢水和營養(yǎng)液體積比(V1∶V2)分別為1∶9、2∶8、4∶6、6∶4、8∶2和10∶0；在每個階段的馴化過程中，CODCr去除率達(dá)80%以上時再進(jìn)行下一階段的馴化,各階段的馴化時間分別為7、4、4、20、5和6天,總共46天。在每個馴化階段結(jié)束時,即第7、11、15、35、40和46天時測定好氧活性污泥的理化特性。

2結(jié)果與討論

2.1馴化過程中MLSS質(zhì)量濃度的變化

MLSS是反映反應(yīng)器內(nèi)微生物量的一個重要指標(biāo)。馴化過程中反應(yīng)器內(nèi)MLSS質(zhì)量濃度的變化情況如圖1所示。

在馴化的前3個階段(即V1∶V2為1∶9、2∶8和4∶6),加Fe3+反應(yīng)器內(nèi)MLSS質(zhì)量濃度隨制漿中段廢水比例的升高而增大,并在第3個階段達(dá)到最大值(15.3 g/L)；隨制漿中段廢水比例的繼續(xù)增大,加Fe3+反應(yīng)器內(nèi)MLSS質(zhì)量濃度呈下降趨勢；馴化階段結(jié)束時,MLSS質(zhì)量濃度又有所上升。而對照樣在V1∶V2為2∶8的馴化階段,MLSS質(zhì)量濃度達(dá)到最大值(12.5 g/L)；隨后隨制漿中段廢水比例的增大一直呈下降趨勢；至最后一個馴化階段時,下降幅度很小。馴化初期,制漿中段廢水所占比例低,污染物負(fù)荷不高,隨制漿中段廢水比例的提高,污染物負(fù)荷提高,微生物的活性受到抑制。但制漿中段廢水比例低于50%時,污染物對微生物的抑制作用較小,隨著馴化的進(jìn)行,降解制漿中段廢水中有害物質(zhì)的優(yōu)勢菌開始繁殖且隨污染物負(fù)荷的提高繁殖量增加,從而促進(jìn)了優(yōu)勢菌的生長繁殖,污泥量呈增加趨勢。但當(dāng)制漿中段廢水比例超過50%時,污染物負(fù)荷的提高使得部分以葡萄糖為第一碳源的微生物(即非優(yōu)勢菌)受到抑制，甚至死亡；而能夠降解制漿中段廢水中污染物的優(yōu)勢菌增加量低于非優(yōu)勢菌的死亡量,進(jìn)而MLSS質(zhì)量濃度下降。當(dāng)制漿中段廢水比例達(dá)100%時,由于經(jīng)歷了長時間的積累,優(yōu)勢菌增多,使得MLSS質(zhì)量濃度下降很小,甚至使加Fe3+反應(yīng)器內(nèi)MLSS質(zhì)量濃度有所上升。

圖1　馴化過程反應(yīng)器內(nèi)MLSS質(zhì)量濃度的變化情況

整個馴化過程中,加Fe3+反應(yīng)器內(nèi)MLSS質(zhì)量濃度始終高于對照樣。微生物合成代謝所需的能量來源于有機(jī)物的分解代謝。在分解代謝過程中,有機(jī)物在脫氫酶作用下脫氫和電子。氫和電子在電子傳遞鏈傳遞過程中,經(jīng)ATP酶的作用產(chǎn)生大量ATP。因此,微生物的繁殖取決于脫氫酶活性。鐵元素是構(gòu)成脫氫酶活性的中心組分,外界環(huán)境中適宜的Fe3+濃度可提高脫氫酶活性[12],進(jìn)而提高ATP的合成量,提高微生物生長繁殖速率,從而使反應(yīng)器內(nèi)微生物量增加,即污泥濃度增大。

Fe3+具有絮凝作用,在水溶液中會形成Fe(OH)3,為微生物提供了附著場所,從而減少隨出水流失的游離微生物；同時，其可使污泥結(jié)構(gòu)變得緊實(shí),從而提高污泥的抗負(fù)荷能力；在制漿中段廢水負(fù)荷較大時,污泥絮體結(jié)構(gòu)的破壞程度比對照樣低,MLSS的減少量較小。因此，在Fe3+的影響下,MLSS質(zhì)量濃度有所提高。

2.2馴化過程中好氧活性污泥絮凝性能的變化

胞外多聚物(ECPs)的含量和組成會影響好氧活性污泥的絮凝性能。胞外多聚物主要含有胞外多糖(PS)和蛋白質(zhì)(PN),此外，還含有少量核酸和脂類物質(zhì)。實(shí)驗(yàn)用PS和PN含量之和表示ECPs含量。各馴化階段ECPs的含量和主要組分(PN和PS)含量的變化如表1和圖2所示。

表1　胞外多聚物含量

由圖2可知,隨馴化過程中制漿中段廢水比例的不斷增大,加Fe3+反應(yīng)器和對照樣內(nèi)好氧活性污泥胞外多聚物含量基本呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢。加Fe3+反應(yīng)器內(nèi)好氧活性污泥胞外多聚物含量在V1∶V2為1∶9和2∶8時高于對照樣。而在制漿中段廢水的高負(fù)荷階段,對照樣內(nèi)好氧活性污泥胞外多聚物含量高于加Fe3+時的情形。但對照樣內(nèi)好氧活性污泥胞外多聚物含量在V1∶V2=8∶2的馴化階段降至最低。

圖2　馴化過程中胞外多聚物含量及組成的變化

在馴化過程中,隨制漿中段廢水比例的增大,加Fe3+反應(yīng)器和對照樣內(nèi)w(PN)/w(PS)均呈上升趨勢。除在V1∶V2=2∶8時,加Fe3+反應(yīng)器內(nèi)w(PN)/w(PS)低于對照樣外，其他馴化階段中,加Fe3+反應(yīng)器內(nèi)w(PN)/w(PS)均高于對照樣。

胞外多聚物含量和w(PN)/w(PS)對好氧活性污泥的絮凝性能影響顯著。Zhu等[13]研究了毒性物質(zhì)4-氯苯胺負(fù)荷對好氧活性污泥絮凝結(jié)構(gòu)的影響；研究結(jié)果表明，隨毒性物質(zhì)的增加,好氧活性污泥的胞外多聚物中蛋白質(zhì)含量減少,胞外多糖含量增加,導(dǎo)致好氧活性污泥解體,污泥絮凝結(jié)構(gòu)被破壞。這說明,好氧活性污泥胞外多聚物含量的增加不一定會增強(qiáng)好氧活性污泥的絮凝性能,而胞外多糖含量的增加卻會惡化好氧活性污泥結(jié)構(gòu)；決定好氧活性污泥絮凝性能的關(guān)鍵因素是w(PN)/w(PS)。

在好氧活性污泥馴化過程中,制漿中段廢水比例的增大并未破壞好氧活性污泥絮體結(jié)構(gòu),反而提高了好氧活性污泥的絮凝性能,這主要是因?yàn)轳Z化的每一階段都經(jīng)歷了相應(yīng)的適應(yīng)期,好氧活性污泥中降解制漿中段廢水優(yōu)勢菌的比例不斷增加,且在每一馴化階段的好氧活性污泥性能穩(wěn)定后才提高制漿中段廢水負(fù)荷,所以經(jīng)過馴化后,加Fe3+反應(yīng)器和對照樣內(nèi)的好氧活性污泥均能保持一定的穩(wěn)定性。當(dāng)制漿中段廢水比例較低時,對照樣內(nèi)w(PN)/w(PS)與加Fe3+的差異很小,甚至稍高(V1∶V2=2∶8時),這是因?yàn)楹醚趸钚晕勰嗍艿降亩拘詻_擊很弱,污泥能很好地保持其絮凝性能。但當(dāng)制漿中段廢水比例較高時,加Fe3+反應(yīng)器內(nèi)w(PN)/w(PS)大于對照樣,表明在毒性廢水負(fù)荷較高的條件下,Fe3+能夠提高好氧活性污泥的絮凝性能。

2.3馴化過程中好氧活性污泥沉降性能的變化

污泥體積指數(shù)(SVI)可反映污泥的沉降性能。SVI越小,表明污泥沉降性能越好；若SVI低于50,則好氧活性污泥中無機(jī)物過多；若SVI高于150,則好氧活性污泥產(chǎn)生了膨脹現(xiàn)象,從而影響好氧活性污泥的沉降性能。各馴化階段SVI的變化如圖3所示。

圖3中加Fe3+反應(yīng)器和對照樣內(nèi)的SVI均在55～100 之間,處于正常范圍之內(nèi)。馴化過程中,隨制漿中段廢水比例的增大,有毒、有害物質(zhì)的濃度不斷增大,不加Fe3+的好氧活性污泥的沉降性能逐漸下降(SVI隨制漿中段廢水比例的增大而呈明顯上升趨勢)；加Fe3+的好氧活性污泥在各馴化階段的沉降性能保持在較好的范圍內(nèi)(SVI一直保持在55～65之間),且明顯優(yōu)于不加Fe3+的好氧活性污泥。由此可見，在Fe3+的影響下,好氧活性污泥抗沖擊的能力明顯增強(qiáng)：一方面,由于Fe3+是常用的絮凝劑,有利于改善出水水質(zhì)；另一方面,Fe3+對好氧活性污泥起到吸附作用,易于使好氧活性污泥沉降；再者,由于好氧活性污泥表面帶有較多的負(fù)電荷,Fe3+可起到中和作用,有利于好氧活性污泥沉降,從而提高好氧活性污泥處理廢水的效果。

圖3　各馴化階段污泥體積指數(shù)的變化

3結(jié)論

探討了Fe3+對制漿中段廢水馴化好氧活性污泥理化特性的影響。

3.1馴化過程中,加Fe3+反應(yīng)器內(nèi)混合液懸浮物(MLSS)質(zhì)量濃度高于對照樣(不加Fe3+),表明Fe3+可提高好氧活性污泥中微生物酶的活性,具有刺激微生物生長的作用。

3.2加Fe3+反應(yīng)器內(nèi)好氧活性污泥中胞外多糖與蛋白質(zhì)的質(zhì)量比高于對照樣,表明Fe3+可提高好氧活性污泥的絮凝性能。

3.3加Fe3+反應(yīng)器和對照樣內(nèi)的污泥體積指數(shù)(SVI)均處于正常范圍(55~100)之內(nèi)；加Fe3+反應(yīng)器內(nèi)的SVI低于對照樣,表明Fe3+可提高好氧活性污泥的沉降性能。

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Effect of Fe3+on Physicochemical Properties of Aerobic Activated Sludge during

Domestication by Pulping Middle-stage Effluent

LAN Shan-hong1LI Hui-Jie2WANG Chuan-lu3GENG Shi-wen2

LAN Hui-xia2,*ZHANG Heng3,4WANG Xiao-hong2

(1.CollegeofChemistryandEnvironmentalEngineering,DongguanUniversityofTechnology,Dongguan,

(責(zé)任編輯：陳麗卿)

GuangdongProvince, 523808； 2.CollegeofEnvironmentandSafeEngineering,QingdaoUniversityofScience&Technology,

Qingdao,ShandongProvince, 266042； 3.CollegeofChemicalEngineering,QingdaoUniversityofScience&Technology,

Qingdao, 266042； 4.StateKeyLaboratoryofPulpandPaperEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,

Guangzhou,GuangdongProvince, 510640)

(*E-mail: lanhuixia@163.com)

Abstract：The changes of physicochemical properties of aerobic activated sludge for pulping middle-stage effluent treatment including mixed liquid suspended solid(MLSS), extracellular polymer substances(ECPs) content, ratio of protein(PN) and polysaccharide(PS), sludge volume index(SVI) during domestication were studied. The results showed that MLSS and PN/PS ratio of the system with Fe3+were higher than that of the blank control, while SVI was lower. ECPs content of the system with Fe3+was higher in the earlier stage, but lower in the later period compared to the blank control. The settleability and flocculating performance of the sludge with Fe3+were better than that of the blank control.

Keywords：Fe3+; pulping middle-stage effluent; aerobic activated sludge; domestication; physicochemical property

作者簡介：蘭善紅,男,1972年生；教授；主要從事水污染控制方面的研究。

基金項(xiàng)目：廣東省省部(院)產(chǎn)學(xué)研結(jié)合項(xiàng)目(2013B090900001)；國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201410426049)；制漿造紙工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(201474)。

收稿日期：2015- 05- 05

中圖分類號：X793

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1000- 6842(2015)04- 0018- 04

*通信聯(lián)系人：藍(lán)惠霞，E-mail: lanhuixia@163.com。