連續(xù)流好氧顆粒污泥系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行——通過(guò)調(diào)控回流比及有機(jī)負(fù)荷

李 冬,楊敬畏,李 悅,張 杰,2

連續(xù)流好氧顆粒污泥系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行——通過(guò)調(diào)控回流比及有機(jī)負(fù)荷

李 冬1*,楊敬畏1,李 悅1,張 杰1,2

(1.北京工業(yè)大學(xué),水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100124；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué),城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱 150090)

室溫下接種成熟的好氧顆粒污泥于由獨(dú)立的厭氧池和好氧池組成的交替厭氧/好氧連續(xù)流系統(tǒng)中,成功通過(guò)控制混合液回流比和有機(jī)負(fù)荷實(shí)現(xiàn)了連續(xù)流好氧顆粒污泥工藝的穩(wěn)定運(yùn)行.結(jié)果表明,通過(guò)調(diào)控較低進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷(300mg/L)及較低回流比(200%)使連續(xù)流系統(tǒng)有較好的脫氮除磷性能,出水COD,TN和TP平均濃度分別為18.78,5.79和0.49mg/L,平均去除率分別為93.76%,84.3%和83.12%.在COD濃度為500mg/L時(shí),長(zhǎng)期運(yùn)行的連續(xù)流系統(tǒng)缺乏飽食饑餓的環(huán)境脅迫,導(dǎo)致絲狀菌的生長(zhǎng),系統(tǒng)性能的惡化.用平行因子模型對(duì)不同階段的顆粒污泥和系統(tǒng)出水進(jìn)行表征,結(jié)果表明,有機(jī)負(fù)荷對(duì)外源底物利用相關(guān)中間產(chǎn)物的產(chǎn)生有較大影響,進(jìn)水COD為300mg/L時(shí)既能有較好的脫氮除磷性能,亦能有效降低出水中基質(zhì)代謝中間產(chǎn)物的生成量,避免了為后續(xù)消毒工藝產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物.因此在實(shí)際的城鎮(zhèn)污水處理廠應(yīng)用中,交替厭氧/好氧連續(xù)流長(zhǎng)期在排放限額的有機(jī)濃度(500mg/L)下運(yùn)行需要增加預(yù)處理設(shè)施降低進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷,以實(shí)現(xiàn)連續(xù)流好氧顆粒污泥的穩(wěn)定運(yùn)行.

交替厭氧/好氧；連續(xù)流好氧顆粒污泥；回流比；有機(jī)負(fù)荷

與傳統(tǒng)活性污泥工藝相比,好氧顆粒污泥工藝具有更高的處理性能和更高的生物量[1-2],近幾十年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于好氧顆粒污泥工藝的反應(yīng)器構(gòu)型和工藝參數(shù)優(yōu)化等方面做了很多研究.好氧顆粒連續(xù)流工藝雖然比間歇操作有很多優(yōu)點(diǎn),但由于連續(xù)流條件不利于污泥顆粒化和顆粒污泥穩(wěn)定限制了其在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用.因此,探尋更加經(jīng)濟(jì)環(huán)保和穩(wěn)定的同步脫氮除磷好氧顆粒污泥連續(xù)流工藝具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[3-4].

Li等[5]研究了新型的可控制顆粒沉淀時(shí)間連續(xù)流的生物除磷工藝啟動(dòng)和長(zhǎng)期運(yùn)行,結(jié)果表明,16d內(nèi)連續(xù)流反應(yīng)器啟動(dòng)成功且穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)除磷效果和COD去除效果良好,然而不具備脫氮功能.同時(shí)Chen等[6]對(duì)一種新型顆粒污泥連續(xù)流膜生物反應(yīng)器的啟動(dòng)和影響顆粒化過(guò)程的主要因素進(jìn)行了試驗(yàn),結(jié)果表明,該反應(yīng)器對(duì) COD和 TN的去除率均超過(guò) 80%,但其不具有除磷功能,故Li等[7]使用一體式連續(xù)流反應(yīng)器在內(nèi)部分割出厭氧區(qū),好氧區(qū)和顆粒污泥選擇區(qū),在4個(gè)月的運(yùn)行時(shí)間里,該系統(tǒng)具有較好的脫氮除磷性能,COD,TN和TP的平均去除率分別為95%,70.6%和77.4%.所以,上述研究針對(duì)的是好氧顆粒污泥連續(xù)流工藝中的脫氮或者除磷,在連續(xù)流工藝中同步脫氮除磷的研究相對(duì)較少,并且一體化反應(yīng)器中厭氧區(qū)并未達(dá)到實(shí)際的微生物所需生存環(huán)境,異養(yǎng)菌未能充分利用碳源,致使好氧區(qū)的COD過(guò)高,C,N和P比例失調(diào),導(dǎo)致絲狀菌繁殖,系統(tǒng)脫氮除磷性能受到影響.因此具有同步脫氮除磷性能的連續(xù)流工藝的操作模式有待進(jìn)一步研究.

基于上述認(rèn)識(shí),采用自行研制的交替厭氧/好氧連續(xù)流系統(tǒng)處理廢水.該連續(xù)流反應(yīng)器在Li[7]等人的一體式反應(yīng)器的基礎(chǔ)上附加獨(dú)立的厭氧區(qū),在兩級(jí)連續(xù)流系統(tǒng)內(nèi)呈現(xiàn)出明顯的COD濃度差,不僅提高了傳質(zhì)動(dòng)力,亦有效抑制了絲狀菌的過(guò)度生長(zhǎng),這種空間上形成的厭氧/好氧間歇運(yùn)行方式使得脫氮除磷過(guò)程不只依賴(lài)于顆粒本身,連續(xù)進(jìn)水的基質(zhì)補(bǔ)充條件下使連續(xù)流系統(tǒng)有著較高的脫氮除磷效率.彌補(bǔ)了一體式反應(yīng)器易絲狀菌過(guò)度繁殖和不能同步脫氮除磷的缺陷[8].

該反應(yīng)器的交替回流增加了廢水在反應(yīng)器中的上升流速,一方面會(huì)增強(qiáng)系統(tǒng)內(nèi)廢水與顆粒污泥間的傳質(zhì)作用,對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行具有促進(jìn)作用,但另一方面過(guò)大的剪切力又會(huì)對(duì)顆粒污泥產(chǎn)生沖擊作用,進(jìn)而影響到系統(tǒng)對(duì)污染物的去除能力.同時(shí)回流比作為一項(xiàng)重要的反應(yīng)器調(diào)控參數(shù),具有稀釋和減弱系統(tǒng)中的污染物濃度,改變進(jìn)水的COD/TN比,調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的溶解氧濃度,改變系統(tǒng)中水流流速以及影響系統(tǒng)的處理效能的作用.對(duì)顆粒的形成速度,結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性影響顯著,被認(rèn)為是影響連續(xù)流好氧顆粒污泥穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素,為實(shí)現(xiàn)交替厭氧/好氧連續(xù)流的穩(wěn)定運(yùn)行,有必要研究回流比對(duì)連續(xù)流系統(tǒng)的影響.

同樣,有機(jī)負(fù)荷對(duì)連續(xù)流好氧顆粒污泥穩(wěn)定性有重要影響,這是因?yàn)橐援愷B(yǎng)菌為主的好氧顆粒污泥需要以有機(jī)物為食進(jìn)行新陳代謝反應(yīng),同樣,沈耀良等[9]對(duì)連續(xù)攪拌反應(yīng)器中培養(yǎng)好氧顆粒污泥的運(yùn)行性能進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn),絲狀菌的繁殖也與有機(jī)負(fù)荷有很大的關(guān)系.為此我們需要研究有機(jī)負(fù)荷對(duì)交替厭氧/好氧連續(xù)流系統(tǒng)的影響,確定該系統(tǒng)最佳參數(shù)條件,實(shí)現(xiàn)交替厭氧/好氧連續(xù)流系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行.

因此,本研究的主要內(nèi)容是在已有研究基礎(chǔ)上,研究回流比和有機(jī)負(fù)荷對(duì)交替厭氧/好氧連續(xù)流系統(tǒng)的影響,確定該系統(tǒng)最佳參數(shù)條件,分析不同條件下反應(yīng)器內(nèi)好氧顆粒污泥的特性,并通過(guò)考察出水的處理效果,探究反應(yīng)器運(yùn)行過(guò)程中的規(guī)律,選取適宜有機(jī)負(fù)荷及調(diào)控回流比實(shí)現(xiàn)交替厭氧/好氧連續(xù)流的穩(wěn)定運(yùn)行,研究結(jié)果對(duì)于交替厭氧/好氧連續(xù)流工藝運(yùn)行的有效調(diào)控具有重要意義,最后解析不同參數(shù)條件下的顆粒污泥EPS,將污染物去除和污泥特性相關(guān)聯(lián),進(jìn)一步考察回流比和進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷對(duì)好氧顆粒污泥連續(xù)流系統(tǒng)的影響.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置與運(yùn)行參數(shù)

采用由非曝氣池和曝氣池串聯(lián)組成的厭氧/好氧交替連續(xù)流反應(yīng)器[8],反應(yīng)器均由有機(jī)玻璃制成.本文采用系統(tǒng)內(nèi)部形成的水力剪切力(機(jī)械攪拌及曝氣)完成厭/好氧區(qū)的交替過(guò)程從而代替蠕動(dòng)泵壓破顆粒的不利影響,其中回流比通過(guò)控制閥門(mén)開(kāi)關(guān)來(lái)計(jì)算.顆粒污泥選擇區(qū)為在好氧區(qū)內(nèi)置的顆粒污泥選擇裝置,其特殊構(gòu)造使其更好進(jìn)行泥水分離防止氣泡進(jìn)入選擇區(qū)內(nèi),然后使沉降的顆粒污泥返回好氧區(qū),實(shí)現(xiàn)污泥的回收.

運(yùn)行方法是首先生活污水由水泵進(jìn)入?yún)捬醴磻?yīng)區(qū)(圖1b區(qū)),然后經(jīng)過(guò)厭氧攪拌的生物反應(yīng)后,帶有顆粒污泥的廢水流入好氧反應(yīng)區(qū)(圖1a區(qū)).在顆粒污泥選擇區(qū)(圖1c區(qū))中,沉淀性能較好的顆粒污泥在沒(méi)有水泵提供任何壓力的情況下會(huì)自動(dòng)回落到好氧區(qū)(圖1a區(qū)),實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示,各部分體積如表1所示.

為研究交替連續(xù)流系統(tǒng)中兩關(guān)鍵因素,實(shí)驗(yàn)采用兩因子兩水平的階乘設(shè)計(jì)方案.在固定水力停留時(shí)間為10h,進(jìn)水NH4+-N為35mg/L和TP為3mg/L條件下,以COD和回流比為變量,選擇較高回流比(400%)和較低回流比(200%)為兩回流比水平,COD濃度根據(jù)模擬國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)城鎮(zhèn)二級(jí)污水處理廠排放限額(500mg/L)和實(shí)測(cè)生活污水平均COD濃度[8](300mg/L)兩種進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷進(jìn)行階段Ⅰ至階段Ⅳ的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì).具體運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表2.

圖1 交替厭氧/好氧連續(xù)流工藝示意

1.攪拌器;2.曝氣泵;3.進(jìn)水泵;4.曝氣盤(pán);5.出水口;6.閥門(mén);a.好氧區(qū);b.厭氧區(qū);c.顆粒污泥選擇區(qū)

表1 反應(yīng)器各部分體積

表2 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行階段及條件

1.2 接種污泥

反應(yīng)器接種實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的成熟好氧顆粒污泥,反應(yīng)器初始污泥濃度為2900mg/L.

1.3 分析及計(jì)算方法

檢測(cè)反應(yīng)器出水碳,氮和磷的濃度,其中COD和TP測(cè)定采用SB-3B型COD多參數(shù)快速測(cè)定儀,NH4+-N采用納氏試劑光度法測(cè)定,NO2--N采用-(1-茶基)一乙二胺光度法測(cè)定,NO3--N采用紫外分光光度法測(cè)定[10].DO監(jiān)測(cè)采用WTW多參數(shù)測(cè)定儀.MLSS按照稱(chēng)重法測(cè)定.

本實(shí)驗(yàn)中HRT和回流比()按下式計(jì)算:

(1)=回流流量/進(jìn)水流量(回流流量的測(cè)定按照管中流速及橫截面積測(cè)算)

(2)HRT=反應(yīng)器體積/進(jìn)水流量

1.3 EPS提取方法

胞外聚合物(EPS)按照改良的熱提取方法提取[11-12],首先在室溫下取30mL顆粒污泥用離心機(jī)4000g的作用力下離心10min,脫水后,顆粒污泥混合物用緩沖液定容到30mL.懸浮液在離心機(jī)4000g作用力下再次離心15min,去除上清液.隨后,用上述緩沖溶液重新定容至30mL.將顆粒污泥懸浮液在水浴中加熱至60℃,30min,每隔10min搖動(dòng)1次,再將顆粒污泥混合物在20000g和4℃下離心20min.進(jìn)行3次樣品平行測(cè)試.胞外聚合物中蛋白質(zhì)(PN)采用Lowry法測(cè)定,多糖(PS)采用蔥酮硫酸法測(cè)定[13-14].

1.4 三維熒光和平行因子分析

對(duì)不同階段顆粒污泥的EPS進(jìn)行三維熒光掃描,采用掃描參數(shù)為:激發(fā)/發(fā)射波長(zhǎng)間隔10nm,掃描速度15000nm/min,激發(fā)帶寬及發(fā)射帶寬為10nm,調(diào)整增益為550V,自動(dòng)匹配響應(yīng)時(shí)間.得到掃描數(shù)據(jù)組后,采用Stedmon和Rasmus Bro開(kāi)發(fā)的MALAB toolbox DOM Fluor對(duì)得到的結(jié)果進(jìn)行平行因子法建模.根據(jù)每個(gè)模型的殘差確定每個(gè)樣品中的組分?jǐn)?shù).

2 結(jié)果與討論

2.1 運(yùn)行各階段污染物去除效果

好氧區(qū)曝氣量為1mL/min,DO保持在5mg/L左右,厭氧區(qū)DO在整個(gè)階段均保持在0.05mg/L以下.運(yùn)行過(guò)程中NH4+-N,NO2--N,NO3--N,TN,TP和COD變化情況如圖2所示.結(jié)果表明在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的110d內(nèi)COD去除率均保持在85%以上,COD去除能力較好,這說(shuō)明兩級(jí)好氧顆粒污泥連續(xù)流系統(tǒng)有著較強(qiáng)的COD去除率.

在實(shí)驗(yàn)的第Ⅰ階段,兩級(jí)連續(xù)流系統(tǒng)有著穩(wěn)定的同步脫氮除磷性能,出水COD,TN和TP平均濃度分別為18.78,5.79和0.49mg/L,平均去除率分別為93.76%,84.3%和83.12%.同時(shí),對(duì)厭氧區(qū)進(jìn)水的COD監(jiān)測(cè)可以看到,厭氧區(qū)進(jìn)水口COD的濃度大致是沉淀區(qū)出水濃度2倍左右,這表明厭氧區(qū)的有機(jī)碳源并未被充分利用,說(shuō)明富含底物的基質(zhì)在兩級(jí)反應(yīng)器的交替循環(huán)中經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)了路徑,厭氧區(qū)內(nèi)的基質(zhì)豐富階段和好氧區(qū)內(nèi)的基質(zhì)匱乏階段,在連續(xù)流系統(tǒng)中初步形成了飽食饑餓的交替環(huán)境[8],這有利于系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行.同時(shí)在空間上形成的厭氧/好氧間歇運(yùn)行方式使得脫氮除磷過(guò)程不只依賴(lài)于顆粒本身,連續(xù)進(jìn)水的基質(zhì)補(bǔ)充條件使系統(tǒng)有著較高的脫氮除磷效率,此階段30d的時(shí)間里系統(tǒng)性能保持穩(wěn)定,污泥特性良好,系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定運(yùn)行.

將回流比調(diào)為400%而保持進(jìn)水COD濃度不變,結(jié)果表明,在頻繁的交替厭氧/好氧次數(shù)下,亞氮積累率逐漸升高,這是因?yàn)樵诮惶鎱捬?好氧連續(xù)流系統(tǒng)中從厭氧區(qū)過(guò)渡到好氧區(qū)時(shí),AOB由于自身生理特性的原因,能夠快速的從厭氧的環(huán)境恢復(fù)活性,而NOB不能[15].Kornaros等[16]指出從厭氧到好氧的過(guò)程中,與NOB生長(zhǎng)密切相關(guān)的一種酶失活導(dǎo)致NOB活性下降[17].所以調(diào)控較高回流比的運(yùn)行方式抑制了NOB的生長(zhǎng),使系統(tǒng)出現(xiàn)NO2--N的積累.同時(shí)由于頻繁的交替頻率,導(dǎo)致異養(yǎng)反硝化菌與有機(jī)物接觸時(shí)間變短,導(dǎo)致反硝化速率降低.所以在此階段,TN的平均去除率下降至67.36%.

隨著第Ⅲ階段COD濃度的升高,COD平均去除率降低至86.98%,這是由于回流比過(guò)大,交替速率過(guò)快導(dǎo)致異養(yǎng)菌與有機(jī)負(fù)荷接觸時(shí)間較短,COD去除率降低,但是由于有機(jī)負(fù)荷的增加使外部碳源得到及時(shí)的補(bǔ)充,TN的去除率上升至85.68%,在此階段前期連續(xù)流反應(yīng)器同樣有著較好的脫氮除磷性能,但同時(shí)發(fā)現(xiàn)隨著實(shí)驗(yàn)運(yùn)行到第76d時(shí),由于交替速率過(guò)快,使厭氧區(qū)內(nèi)的COD并未降解完全就流入好氧區(qū),導(dǎo)致兩級(jí)連續(xù)流系統(tǒng)未出明顯的COD濃度差,造成了絲狀菌的過(guò)度生長(zhǎng)[26]和系統(tǒng)性能的惡化,導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn).

在最后一個(gè)階段的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,降低回流比至200%,異養(yǎng)菌與有機(jī)負(fù)荷的接觸時(shí)間變長(zhǎng),系統(tǒng)性能得到一定程度的恢復(fù).但同時(shí)對(duì)厭氧區(qū)COD的監(jiān)測(cè)可得,進(jìn)水的COD和出水的COD濃度仍未出現(xiàn)明顯的差值,這說(shuō)明在兩級(jí)連續(xù)流系統(tǒng)中未形成基質(zhì)貧乏階段,雖然絲狀菌的生長(zhǎng)得到一定程度上的抑制,但COD去除率仍然較低,此時(shí)TN去除率為77.91%,系統(tǒng)性能并未因?yàn)榛亓鞅鹊慕档投棉D(zhuǎn).說(shuō)明兩級(jí)連續(xù)流承受高進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷能力不足.

2.2 污泥特性的變化

2.2.1 污泥濃度及沉降性能的變化 如表3所示,接種污泥后,反應(yīng)器內(nèi)MLSS為3000mg/L,SVI為37mL/g.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,每階段末從反應(yīng)器中間位置取樣口取均質(zhì)泥水混合樣品進(jìn)行檢測(cè)分析.實(shí)驗(yàn)開(kāi)始的60d內(nèi)污泥物理特性變化較小,在第60d時(shí)MLSS輕微下降到2900mg/L左右,SVI保持在38mL/g,說(shuō)明回流比的改變并不會(huì)影響兩級(jí)交替連續(xù)流系統(tǒng)中的顆粒污泥濃度及沉降性能,系統(tǒng)保持穩(wěn)定運(yùn)行.隨著進(jìn)水COD濃度升高至500mg/L時(shí),可以看到部分顆粒污泥解體,造成MLSS減小,同時(shí)絲狀菌大量繁殖,SVI升高至61mL/g,對(duì)連續(xù)流系統(tǒng)中污泥造成破壞,說(shuō)明高進(jìn)水COD濃度不利于好氧顆粒污泥的穩(wěn)定性,同時(shí)回流比對(duì)兩級(jí)連續(xù)流系統(tǒng)的污泥特性影響較小.

表3 運(yùn)行過(guò)程中MLSS,MLVSS,SVI和EPS變化情況

2.2.2 EPS分析 有研究表明,EPS由PN和PS組成,PN和PS濃度影響好氧顆粒污泥的穩(wěn)定性[18-19].不同階段下好氧顆粒污泥分泌的EPS含量(以SS計(jì))如表3(測(cè)定多次結(jié)果較為穩(wěn)定,故表中采用平均值表示)所示,接種后的顆粒污泥在第I階段,PN,PS濃度和PN/PS基本保持穩(wěn)定.隨后增大回流比,交替厭氧/好氧速率加快,在相同基質(zhì)濃度下時(shí),回流比較低階段的好氧顆粒污泥分泌EPS高于回流比較高階段的好氧顆粒污泥,這可能是由于較低回流比的兩級(jí)反應(yīng)器中容易產(chǎn)生較大基質(zhì)濃度差,由于細(xì)菌的作用[20],在厭氧階段產(chǎn)生的EPS后來(lái)被消耗在好氧階段,并且PS更容易在低基質(zhì)環(huán)境中被消耗,顆粒基質(zhì)中留下了更多的PN,以維持其結(jié)構(gòu)[21-22].

增加COD濃度至500mg/L時(shí),PS,PN和EPS均呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì).但Lee等[23]和Sponza[24]的研究表明,EPS的增加會(huì)導(dǎo)致污泥的疏水性增加,同時(shí)許多研究者認(rèn)為PN可能有助于保持顆粒污泥致密穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)[25-26].然而,本階段的結(jié)果表明,雖然階段Ⅲ的EPS明顯大于階段Ⅱ,然而第Ⅲ階段下的SVI平均值也高于第Ⅱ階段.也就是說(shuō),顆粒污泥的沉降性能較差時(shí),PN及EPS的濃度較高.觀察好氧顆粒污泥顯微鏡下的特征,好氧顆粒不再是光滑致密,在增加COD濃度為500mg/L時(shí),推測(cè)由于絲狀菌的生長(zhǎng)導(dǎo)致了EPS的增加,故此階段EPS的增加不是由于顆粒污泥分泌所致,而是因?yàn)榻z狀菌的過(guò)度生長(zhǎng)[27].

2.2.3 三維熒光和平行因子分析 在水處理過(guò)程中,微生物分解代謝水中的有機(jī)物同時(shí)會(huì)伴隨著微生物產(chǎn)物的產(chǎn)生,其中可溶性的微生物產(chǎn)物(SMP)將以COD的形式再次溶入水中從而形成潛在的二次污染,其成分主要為多糖,類(lèi)蛋白質(zhì),類(lèi)腐殖酸等.因具有致微生物突變的潛在生物毒性,進(jìn)入水體后會(huì)成為消毒副產(chǎn)物(DBPs)的前驅(qū)物[28],因此,很多學(xué)者對(duì)出水SMP控制進(jìn)行了研究.但因SMP本身具有特殊理化性質(zhì)而又不能簡(jiǎn)單地從COD數(shù)值中反映出來(lái).所以本研究利用平行因子分析法加以分析出水中SMP的相對(duì)含量與理化性質(zhì).

圖4為好氧顆粒污泥在階段Ⅰ末三維熒光光譜,好氧顆粒污泥在階段Ⅳ末的三維熒光光譜,連續(xù)流在階段Ⅰ的出水EEM熒光光譜和連續(xù)流在階段Ⅳ的出水三維熒光光譜及平行因子分析得到各階段具體的結(jié)果.如表4所示,根據(jù)文獻(xiàn)[29-32],將組分分別定義為色氨酸或類(lèi)蛋白物質(zhì),可溶性微生物副產(chǎn)物和腐殖酸3類(lèi)物質(zhì).

如圖3所示,在連續(xù)流運(yùn)行過(guò)程中,顆粒污泥的組成成分是色氨酸或類(lèi)蛋白物質(zhì)和兩種腐殖酸3類(lèi)物質(zhì),這說(shuō)明了好氧顆粒污泥有著良好的活性,并且顆粒污泥的三維熒光光譜熒光峰強(qiáng)度呈現(xiàn)與上述EPS濃度相同的變化.這表明連續(xù)流系統(tǒng)好氧顆粒污泥EPS的組成成分受有機(jī)負(fù)荷的影響較小.

圖3 運(yùn)行過(guò)程中顆粒污泥三維熒光分析

同時(shí)觀察兩階段出水EEM熒光光譜,可看到階段Ⅰ出水-C1與階段Ⅳ出水-C1的熒光峰位置不同,階段Ⅰ中為腐殖酸類(lèi)物質(zhì),且峰值較低,可能是源自與原水中尚存在一些尚未降解完全的殘留物有關(guān),并通過(guò)三維熒光證實(shí)了這一結(jié)論.階段Ⅳ出水-C1的物質(zhì)主要伴隨著很高含量的SMP.統(tǒng)一代謝模型[33]闡述了SMP與微生物細(xì)胞之間的關(guān)系,SMP可以劃分為外源底物利用相關(guān)中間產(chǎn)物(UAP)和生物利用相關(guān)產(chǎn)物(BAP).其中UAP是微生物利用水體中的基質(zhì)進(jìn)行代謝分解過(guò)程中所直接產(chǎn)生的含碳化合物,而B(niǎo)AP是通過(guò)微生物內(nèi)源呼吸作用由EPS水解所產(chǎn)生的的碳氮化合物[34].但是通過(guò)對(duì)好氧顆粒污泥熒光光譜的解析可以看到,顆粒污泥中并未出現(xiàn)微生物副產(chǎn)物等相關(guān)物質(zhì),這說(shuō)明階段Ⅳ中出水的SMP是微生物利用進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷進(jìn)行代謝過(guò)程中所產(chǎn)生的的中間產(chǎn)物,這表明了在有機(jī)負(fù)荷較高和底物充足的條件下,微生物代謝有機(jī)物的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的SMP,而在有機(jī)負(fù)荷較低和貧營(yíng)養(yǎng)的條件下,推測(cè)是由于底物代謝形成的相關(guān)產(chǎn)物被微生物作為碳源再次利用,這也就解釋了在較低有機(jī)負(fù)荷的條件下,兩級(jí)連續(xù)流系統(tǒng)同樣有著較好的脫氮除磷性能,這可能也是由于交替的厭氧好氧的條件下為其提供了可攝取底物的環(huán)境.

綜上,有機(jī)負(fù)荷對(duì)微生物產(chǎn)物的產(chǎn)生有較大影響.在較低進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷的條件下(COD為300mg/L),可有效降低出水SMP的生成量,所以在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中可通過(guò)降低有機(jī)負(fù)荷來(lái)調(diào)控出水SMP的含量.

表4 PARAFAC模型分析所得各階段組成成分

3 結(jié)論

3.1 室溫下于厭氧池和好氧池組成的交替厭氧/好氧連續(xù)流系統(tǒng)中接種成熟的好氧顆粒污泥,控制污泥停留時(shí)間為30d和HRT為10h,研究混合液回流比和有機(jī)負(fù)荷對(duì)COD,TN和TP的去除效果.COD在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中去除率均保持在85%以上.混合液回流比對(duì)COD和TP去除影響較小,對(duì)TN去除影響較大;同時(shí)進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷對(duì)兩級(jí)連續(xù)流系統(tǒng)有著較大影響,在增加進(jìn)水COD濃度為500mg/L時(shí),由于絲狀菌的生長(zhǎng)導(dǎo)致顆粒破碎,細(xì)胞溶解系統(tǒng)失穩(wěn).

3.2 綜合考慮COD,TN和TP的去除效果,確定連續(xù)流系統(tǒng)適合在較低平均有機(jī)負(fù)荷下(300mg/L)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行,并通過(guò)調(diào)控最佳內(nèi)回流比為200%使連續(xù)流系統(tǒng)獲得良好的脫氮除磷性能.此時(shí)平均去除率分別為93.76%,84.3%和83.12%.3.3采用平行因子對(duì)不同階段的顆粒污泥和系統(tǒng)出水進(jìn)行表征分析,較低進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷可有效減少出水中溶解性微生物副產(chǎn)物的產(chǎn)生.

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Stable operation of aerobic granular sludge continuous flow system--by controlling reflux ratio and organic load.

LI Dong1*, YANG Jing-wei1, LI Yue1, ZHANG Jie1,2

(1.Key Laboratory of Beijing Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China；2.State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China),, 2021,41(9)：4149～4156

Inoculate mature aerobic granular sludge at room temperature in an anaerobic/aerobic alternate continuous flow system composed of independent anaerobic tanks and aerobic tanks, control the effect of mixed liquid reflux ratio and organic load on the removal of COD, TN and TP by anaerobic and aerobic alternating continuous flow process. The results showed that the two-stage continuous flow process can achieve better nitrogen and phosphorus removal performance by adjusting a lower reflux ratio when the influent organic load was low. The average concentration of COD, TN and TP in the effluent was 18.78, 5.79 and 0.49mg/L. The average removal rate was 93.76%, 84.3% and 83.12% respectively; when the organic load was higher, the long-term two-stage continuous flow system lacked the environmental stress of feast and famine, resulting in filamentous bacteria growth, deterioration of system performance. The model was used to characterize the granular sludge and system effluent at different stages. The results showed that the organic load has a greater impact on the production of intermediate products related to the utilization of foreign substrates. The influent with lower organic load could effectively reduce the generation of intermediate products in the effluent. In summary, in the actual secondary urban sewage treatment plant, the anaerobic/aerobic alternating continuous flow process was not suitable for long-term operation under the organic concentration (500mg/L) of the emission limit.

anaerobic and aerobic alternate；aerobic granular sludge continuous flow；reflux ratio；organic loads

X703.1

A

1000-6923(2021)09-4149-08

李 冬(1976-),女,遼寧丹東人,教授,博士,主要研究方向?yàn)樗h(huán)境恢復(fù)理論及關(guān)鍵技術(shù).發(fā)表論文280余篇.

2021-01-26

北京高校卓越青年科學(xué)家計(jì)劃項(xiàng)目(BJJWZYJH012019100 05019);國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)水專(zhuān)項(xiàng)課題(2018ZX07601-001)

* 責(zé)任作者, 教授, lidong2006@bjut.edu.cn