印染廢水活性污泥代謝狀態光偏轉快速檢測法

張洛紅,李芮瑩,曹 敏,成晶晶,王勛濤,翟迎博,熊 鑫

印染廢水活性污泥代謝狀態光偏轉快速檢測法

張洛紅*,李芮瑩,曹 敏,成晶晶,王勛濤,翟迎博,熊 鑫

(西安工程大學環境科學與工程系,陜西 西安 710600)

針對現有活性污泥檢測方法過程繁瑣、耗時長、檢測結果滯后的局限,提出了光偏轉快速檢測法.在污泥負荷為0.33KgCOD/(kg MLSS×d)、水力停留時間為15h的印染廢水完全混合式活性污泥系統中,投放粒徑4mm、具有20μm微孔結構的聚乙烯醇(PVA)凝膠小球以負載微生物,并在小球達到穩定狀態后,對其表面處因外界溶液與微生物代謝產物交換產生的濃度梯度變化,借助光斑分析儀進行光偏轉檢測,同時測定與光偏轉檢測結果相對應的15h后的出水COD及COD去除率.連續10個月的檢測發現,小球中富集的主要為細菌,當進水COD由91.95mg/L增至519.4mg/L時,小球的光偏轉值從229.51μm增加至299.97μm,COD去除率從16.03%提高至66.99%;當DO濃度為1.5mg/L～5mg/L時,小球光偏轉值在DO=4mg/L時增至最大為309.3mg/L,對應狀態下COD去除率增至最大為61.18%;在pH值為6～9時,小球光偏轉值在pH=7時增至最大為293.96μm,對應狀態下COD去除率也達到最大值為64.83%;當重金屬Cr3+濃度增至50mg/L時,微生物活性逐漸受到抑制,小球光偏轉值在Cr3+濃度為20mg/L時降至269.7μm,隨后隨著Cr3+濃度的增加,微生物細胞受損,胞內物質溶出,小球光偏轉值有所增大,對應狀態下COD去除率從52.5%持續降低至25.73%.結果表明:該方法可快速獲得活性污泥代謝狀態變化信息,且依據特定條件下小球光偏轉值變化能夠預測隨后印染廢水COD的去除效果.利用三維熒光光譜初步探究了微生物代謝引發光偏轉的機理,發現參與微生物代謝的主要有機物為酪氨酸、芳香類蛋白及色氨酸.

光偏轉快速檢測法；活性污泥法；微生物代謝狀態；聚乙烯醇(PVA)凝膠小球；COD去除率

印染廢水屬難處理的工業廢水之一,其有效處理是行業可持續健康發展的關鍵[1].活性污泥法對印染廢水中的有機物及顯色基團有較好的處理效果[2-3],但該方法處理印染廢水所需周期較長,且印染廢水水質水量、溫度、有毒有害物質等變化較大,會影響活性污泥代謝活性[4-6],因而需要對活性污泥中微生物的生長代謝狀態進行快速檢測,以保證印染廢水活性污泥處理系統的出水水質.

現有傳統的活性污泥檢測方法如30min污泥沉降比(SV30)法、混合液揮發性懸浮物濃度(MLVSS)法、污泥容積指數(SVI)法等,可隨時觀察活性污泥的絮凝、沉降性能[7],且可與污泥負荷、溶解氧(DO)濃度及活性污泥中總絮凝體體積引起的氧轉移消耗獲得很好的相關性,常用以判斷并指導污水處理系統的運行[8-9];隨后引進的微生物檢測方法如三磷酸腺苷(ATP)法、脫氫酶活性(DHA)法、比耗氧速率(SOUR)法等,可有效反映微生物的活性狀態,與溶解氧濃度、氧化還原電位(OPR)及pH有較好的相關性[10-11];顯微鏡技術在細菌生物的檢測中具有操作簡便、分辨率高等諸多優點[12];近些年來,采用其他檢測方法及模型模擬來反映污泥性質,為污水處理工藝運行提供數據依據的研究也很活躍[13-16].

當印染廢水活性污泥處理系統運行異常甚至崩潰時,則需要較長時間恢復,而目前采用的方法雖然有諸多優點,但普遍存在檢測過程繁瑣、耗時長、檢測結果滯后等局限,從而導致污泥性質檢測數據不能快速反映出污泥代謝狀態.因此探究一種快速檢測活性污泥性質的方法顯得尤為重要[17].

本研究向實驗室印染廢水活性污泥完全混合式曝氣池中投放聚乙烯醇(PVA)凝膠小球,用來負載活性污泥微生物,采用光偏轉快速檢測法對PVA凝膠小球中微生物代謝狀態進行快速檢測,探究進水化學需氧量(COD)、pH值、DO濃度、重金屬Cr3+濃度對PVA小球光偏轉檢測結果的影響,并分析COD去除率與PVA凝膠小球光偏轉檢測結果的相關關系,以探究光偏轉快速檢測法的可行性.同時通過三維熒光光譜,探究活性污泥體系中參與微生物代謝及引發光偏轉的主要有機物.

1 材料與方法

1.1 實驗用水、接種污泥與PVA凝膠小球

1.1.1 實驗用水 印染廢水采集于陜西省咸陽際華新三零印染有限公司污水處理廠,廢水初始COD為1300mg/L,按實驗需要,將其稀釋后泵入印染廢水活性污泥完全混合式曝氣池.

1.1.2 接種污泥 實驗污泥取自上述污水處理廠回流污泥,接種到實驗室印染廢水活性污泥處理系統內,MLSS約為2165.4mg/L,SV30約為33%.經實驗室處理裝置馴化15d,系統達到穩定狀態.

1.1.3 PVA凝膠小球 研究中的PVA凝膠小球(日本Kuraray公司)為新型微生物固定化載體,其直徑為4mm,密度為1.025g/cm3,內部及表面均具有20μm的多孔微結構.

1.2 實驗內容

1.2.1 活性污泥處理系統 采用活性污泥完全混合式曝氣池探究進水COD、pH值、DO濃度、重金屬Cr3+濃度對小球光偏轉檢測結果及印染廢水COD去除率的影響,實驗從春季持續到秋季共10個月.

圖1 污水處理示意

1.印染廢水;2.曝氣池;3.曝氣;4.PVA凝膠小球容器;5.沉淀池;6.出水;7.污泥回流;8.剩余污泥

如圖1所示,將PVA凝膠小球置于容器壁光滑且多孔(孔隙直徑為3mm)的圓柱體容器中,PVA凝膠小球投加量與盛放其的容器體積比為1:10,并將PVA凝膠小球容器放置在印染廢水活性污泥完全混合式曝氣池內部以負載微生物,用空氣壓縮機(廣東日生集團有限公司)進行曝氣,處理后的印染廢水經過沉淀池靜置沉淀后出水.具體運行參數為:處理印染廢水水量為31.97L/d、污泥負荷為0.33KgCOD/ (kg MLSS?d)、水力停留時間為15h、回流比為100%.

1.2.2 光偏轉檢測裝置 光偏轉檢測裝置由三維精密位儀光學平臺(WNOIHB型,中國孚光精儀有限公司)、穩頻He-Ne激光器(美國Melles Griot公司)、衰減片(透過率分別為50%和10%,北京卓立漢光儀器有限公司)及光斑分析儀(包括SPOU20CCD相機;Beam Gage軟件,美國Ophir-Spiricon公司)組成.

1.2.3 PVA凝膠小球的光偏轉檢測及系統出水COD測定 取曝氣池的污泥混合液在4000r/min下離心30s,離心后所得上清液轉移至平底玻璃容器中,并取出1個在完全混合式曝氣池內富集了微生物并達到穩定狀態的PVA凝膠小球,將其放入存有上清液的平底玻璃容器中(上清液剛好完全淹沒小球),隨后借助光偏轉檢測裝置對小球進行光偏轉檢測.待檢測完第1個小球,重新取離心后所得的上清液,在相同的操作步驟下檢測第2個小球,每次檢測小球個數36,計算其光偏轉值平均值及標準偏差(SD).從開始離心至所有小球光偏轉檢測結束,每次檢測時間在3min之內.

同時在檢測PVA小球光偏轉值15h后,檢測印染廢水活性污泥處理系統出水COD,并計算COD去除率.

1.3 檢測方法

1.3.1 基本檢測指標

表1 基本指標測定方法

1.3.2 光偏轉檢測方法 如圖2所示,激光器發出的激光先經過擴束器以擴展激光束直徑并減小激光束發散角,再通過光學衰減片后經45°反射鏡進行垂直反射,最后通過顯微鏡鏡頭進行聚焦,在實際檢測中,光學設備一次性調試好后不再移動,只需旋轉微型位儀臺X-Y軸,使聚焦后的激光接近PVA凝膠小球邊緣并逐漸與之相切,形成的光斑圖像經SPOU20CCD相機采集后轉換為模擬信號傳送給計算機Spiricon Beam Gage操作軟件.

1.3.3 掃描電子顯微鏡(SEM) 采用SEM掃描PVA凝膠小球的內部及表面,觀察空白PVA凝膠小球表面、內部結構以及富集微生物后的PVA凝膠小球表面、內部微生物生長繁殖狀態.小球預處理方法為:將空白及富集了微生物的PVA凝膠小球經冷凍干燥機干燥24h,定型且去除水分后進行噴金.

圖2 光偏轉距離測量示意

1.計算機Beam Gage操作軟件;2.CCD相機;3.X;Y載物臺,PVA凝膠小球;4.目鏡;5.物鏡;6反射鏡;7.衰減片;8.固定架;9.激光擴束器;10.激光器電源;11.光學平臺

1.3.4 三維熒光光譜法 采用三維熒光光譜對印染廢水中有機物組份及經活性污泥法處理后的印染廢水中有機物組份進行對比分析.三維熒光光譜的測定采用日本日立公司生產的三維熒光光譜儀,型號為F-4500型,參數設置為:激發波長ex:250～ 550nm,發射波長em:200～400nm,激發掃描步長: 5nm,掃描速度:12000nm/min,測定結果以熒光強度及三維熒光光譜圖來表示.

2 結果與討論

2.1 PVA凝膠小球外觀變化與微生物富集情況

2.1.1 PVA凝膠小球外觀變化 如圖3所示,未富集微生物的空白PVA凝膠小球顏色為白色;而在印染廢水活性污泥完全混合式曝氣池中,經過1個月的運行,PVA凝膠小球狀態達到穩定,外觀顏色加深,說明小球中富集了一定量的微生物[18-19].

圖3 PVA凝膠小球外觀形貌

2.1.2 PVA凝膠小球微生物富集情況 為進一步分析PVA凝膠小球表面和內部微生物的生長繁殖狀態,采用SEM對PVA凝膠小球進行觀察,結果如圖4所示.

圖4 PVA凝膠小球微生物富集SEM圖

如圖4(a)所示,PVA凝膠小球內部及表面均具有20μm的多孔微結構.

如圖4(b)所示,PVA凝膠小球表面富集了大量細菌.實驗中,將PVA凝膠小球容器固定在曝氣頭上部,使得容器內密度為1.025g/cm3的小球在氣體與水流的作用下處于持續流動狀態,且小球投加量為容器體積的10%,合適的體積比及較好的懸浮狀態,使得小球彼此之間相互摩擦,從而避免多余污泥絮體及原生動物、后生動物的附著,以減少對光偏轉檢測結果的影響.

如圖4(c)所示,PVA凝膠小球內部也富集了大量細菌.這表明小球中細菌富集量高,各種細菌從PVA凝膠小球表面逐漸富集到內部[20-21].而在活性污泥生物處理過程中,對活性污泥微生物的檢測很大程度體現在對細菌的檢測上[22-24],而PVA凝膠小球對細菌的有效富集,有利于光偏轉檢測法對活性污泥代謝狀態的快速檢測,更有利于提高光偏轉檢測法對于活性污泥代謝狀態檢測結果的有效性.

2.2 光偏轉檢測可行性研究

理論上認為,PVA凝膠小球作為一個相對獨立的整體,其中富集的細菌群體在代謝過程中,產生的代謝產物會與外界溶液之間相互交換,從而在小球邊緣產生一定的濃度梯度變化,當激光經過這一濃度梯度時,會發生偏折,而當激光無限接近小球表面時,因為小球表面的濃度梯度變化最大,此時引起的光斑偏移程度也最大[25].

本研究選擇型號為Melles Griot 05-STP910- 230的穩頻氦氖激光器,其光束直徑為0.48mm,波長為632.8nm,輸出功率為0.6～1.4mW,發散角為1.7mrad,屬低能量級激光,經過衰減片后能量進一步減弱,對生物無危害,且光斑大小合適,可用于光偏轉快速檢測[17].

實際檢測發現,激光在遠離小球時,由SPOU20CCD相機采集并傳送給計算機的光束信號,在Spiricon Beam Gage操作軟件中經預處理后,呈現出與入射的激光光束截面大小和形狀完全相同的光斑圖像,如圖5(a)所示,此時光偏轉距離為零;旋轉微型位儀臺X-Y軸,因PVA凝膠小球邊緣存在的濃度梯度變化,入射激光在Beam Gage操作軟件呈現的光斑圖像會發生偏折,如圖5(b)所示,此時產生一定的偏轉距離;繼續旋轉微型位儀臺X-Y軸,直至Beam Gage操作軟件上光斑圖像消失,如圖5(c)所示,此時入射激光的偏轉距離為231.6μm(2.316e+02μm,光束輪廓X界面高斯擬合峰值的變化距離,此值是DO濃度為1.5mg/L時小球的光偏轉值),即為被測PVA凝膠小球的光偏轉值.

圖5 PVA凝膠小球光偏轉距離測量示意

由檢測結果,富集在小球內的細菌,在不同的生長代謝狀態下,代謝產物與外界溶液形成的濃度梯度是不同的,光偏轉快速檢測法檢測所得的光偏轉值也是不同的.且每次檢測時間均在3min之內,可以克服以往活性污泥檢測方法耗時長、檢測結果滯后的局限性,有效提高了活性污泥代謝狀態的檢測效率及數據的可靠性,故光偏轉檢測法用于快速檢測微生物代謝狀態變化是可行的.

2.3 進水COD對PVA凝膠小球光偏轉值的影響

如圖6(a)所示,印染廢水COD去除率與PVA凝膠小球光偏轉值變化趨勢均先快速增加后趨于平緩.當進水COD為91.95mg/L時,PVA凝膠小球的光偏轉值為229.51μm,印染廢水COD去除率僅為16.03%,此時完全混合式曝氣池內有機負荷較低,富集在PVA凝膠小球中的細菌處于營養不足的狀態,其代謝活力較弱,對印染廢水中有機物的氧化分解不徹底,代謝產物與外界溶液進行不間斷的物質交換時產生的濃度梯度變化較小;在進水COD增至179.3mg/L的過程中,PVA凝膠小球的光偏轉值逐漸增至272.65μm,印染廢水COD去除率也增至40.73%,此時由于曝氣池內隨進水COD濃度的增加,可供小球中細菌代謝繁殖利用的營養底物增多,從而使得細菌代謝逐漸旺盛,羅茜等[26]的研究表明外加碳源會改變原始污泥中的物質供應水平,從而刺激脫氫酶的合成,這與本實驗進水COD濃度增加,會引起細菌活性的提高,進而使得光偏轉值增高的結論一致;當進水COD進一步增至519.4mg/L時, PVA凝膠小球光偏轉值從272.65μm增至299.97μm,印染廢水COD去除率從40.73%增至66.99%,此時曝氣池內有機負荷進一步升高,但細菌的水解酶酶促反應速率有限[27],小球中細菌的代謝狀態逐漸趨于穩定,與印染廢水COD去除率增速減緩保持一致.

圖6 各因素對PVA凝膠小球光偏轉值及COD去除率的影響

2.4 pH值對PVA凝膠小球光偏轉值的影響

為探究pH值對PVA凝膠小球內富集細菌的影響,調節初始pH=6,后逐漸增大曝氣池內pH值,隨后反復調節曝氣池內pH=6～9.

如圖6(b)所示,在前15d的檢測研究中,當pH=6時,對應狀態下PVA凝膠小球光偏轉值為270.52μm,印染廢水COD去除率為54.18%,此時曝氣池內處于異常運行狀態,偏酸性的條件使得PVA凝膠小球中富集的細菌表面特性被改變,影響了細菌自身對營養物質的攝取及有效分解,且低pH值可能直接影響細菌的活性,從而導致細菌自身代謝活性較弱[28];當pH值升至7的過程中,PVA凝膠小球光偏轉值增至293.96μm,印染廢水COD去除率增至64.83%,此時由于曝氣池內從偏酸性變為中性,有利于細菌活性的恢復及代謝繁殖,對有機污染物的降解效率也逐漸增大;當pH值升至8.5時,PVA凝膠小球光偏轉值降低至266.26μm,印染廢水COD去除率降低至55.2%,此時在偏堿性條件下,曝氣池內PVA凝膠小球中富集的細菌代謝活性再次受到抑制;但這與其他研究得出的pH=7.5～8.5時,活性污泥微生物仍能保持較好活性[29]的結論不符.當pH值升至9時,PVA凝膠小球的光偏轉值增大至293.94μm,但光偏轉值波動較大(SD>5),且對應狀態下印染廢水COD去除率進一步降低至47.1%,此時完全混合式曝氣池系統受到危害,再次處于異常運行狀態,曝氣池內PVA凝膠小球中富集的細菌代謝活性進一步減弱,印染廢水COD去除率也隨之降低.Wang等[30]的FTIR研究結果表明,在較高的pH值下,羧基、酰胺基團被破壞并出現無序的盤旋結果.故在較高的pH值下,部分細菌可能出現細胞受損的情況,導致細胞內物質大量釋放溶解,使得小球光偏轉值異常增大.

朱哲等[31]研究表明在酸性條件下,污泥絮體的平均粒徑增大,結構松散,在中性條件下,絮體平均粒徑減小,分形維數較高,結構致密,偏堿性條件下,絮體平均粒徑較中性條件略有增大,分形維數相應減小.這表明,在酸性條件及堿性條件下,污泥中微生物狀態較差,從而導致污泥絮體結構產生不好的變化,進一步影響微生物代謝活性及對污染物的分解,而這與本研究PVA凝膠小球中細菌的代謝狀態引起的光偏轉值及印染廢水COD去除率變化結論一致.

隨后檢測研究中,重復調節系統pH=6～9,發現PVA凝膠小球的光偏轉值與印染廢水COD去除率和前15d檢測結果存在相似的變化關系.

2.5 DO濃度對PVA凝膠小球光偏轉值的影響

為探究DO濃度對PVA凝膠小球內富集細菌的影響,開始調節DO=1.5mg/L,而后逐漸增大曝氣池內DO值,隨后反復調節曝氣池內DO=1.5～5mg/L.

如圖6(c)所示,在前15d的檢測研究中,當DO= 1.5mg/L時,PVA凝膠小球光偏轉值為231.6μm,印染廢水COD去除率為52.23%,此時印染廢水活性污泥完全混合式曝氣池內含氧量較少,PVA凝膠小球中富集的細菌新陳代謝活性不足,對有機物底物不能進行充分的傳質與反應,代謝產物與外界溶液間產生的濃度梯度變化也較小;當DO濃度從1.5mg/L增至3.5mg/L,PVA凝膠小球的光偏轉值快速增長,從231.6μm增至288.1μm,印染廢水COD去除率從52.23%增至58.46%,此時曝氣池內PVA凝膠小球中富集的細菌代謝活性逐漸增強,對營養物質的吸附與攝取速度加快,對有機物的氧化分解效率也不斷提高;隨著DO濃度增至4mg/L,PVA凝膠小球的光偏轉值從288.1μm增至309.3μm,印染廢水COD去除率從58.46%增至61.18%,此時隨著曝氣池內含氧量的進一步升高,PVA凝膠小球中富集的細菌與有機物底物得以充分接觸,對有機物底物的代謝能力也進一步提高.李興[29]研究結果表明當DO濃度值在2.0～4.5mg/L時脫氫酶活性法可以有效反映活性污泥的實際代謝狀態,且隨著DO濃度的增加,活性污泥脫氫酶活性逐漸增強,這與本研究小球光偏轉值檢測結果表明的活性污泥代謝狀態結論一致.

隨后調節完全混合式曝氣池內DO濃度,使得DO=3mg/L,對應狀態下PVA凝膠小球光偏轉值為286.45μm,印染廢水COD去除率為56.42%,此時完全混合式曝氣池從異常運行條件調整至正常運行條件,PVA凝膠小球中細菌的代謝活性逐漸恢復;當DO濃度增至4mg/L時,PVA凝膠小球光偏轉值為303.47μm,印染廢水COD去除率為56.05%,此時PVA凝膠小球中細菌的代謝活性進一步增強,PVA凝膠小球光偏轉值增大,印染廢水COD去除率也隨之增大;當DO濃度增至4.5mg/L時,PVA凝膠小球中細菌的代謝活性減弱,PVA凝膠小球光偏轉值減小,但印染廢水COD去除率卻稍許增加.

在隨后檢測中,重復調節曝氣池DO=1～5mg/L,結果發現PVA凝膠小球的光偏轉值變化與印染廢水COD去除率變化和之前的研究存在相似的變化關系.

2.6 重金屬濃度對PVA凝膠小球光偏轉值的影響

金屬鉻化合物被廣泛應用于印染領域染色工藝中,如媒染劑重鉻酸鉀(K2Cr2O7)就常用于羊毛染色[32-33].為探究重金屬對PVA凝膠小球內細菌代謝狀態的影響,向印染廢水活性污泥完全混合式曝氣池內投加CrCl3.

如圖6(d)所示,印染廢水COD去除率持續降低,PVA凝膠小球的光偏轉值先快速降低后增加,然后再次降低.隨著Cr3+濃度從0mg/L增至20mg/L, PVA凝膠小球的光偏轉值從289.2μm減小到269.7μm,印染廢水COD去除率從52.5%降至47.5%,重金屬會使酶活性受到抑制[34-35],此時曝氣池內小球中細菌的代謝活性在Cr3+作用下減弱;當Cr3+濃度從20mg/L增至40mg/L時,PVA凝膠小球的光偏轉值從269.7μm增大到304.3μm,印染廢水COD去除率從47.5%降至30.7%,此時曝氣池內PVA凝膠小球中細菌的代謝活性進一步減弱,但部分對Cr3+耐受性較差的細菌出現細胞膜受損甚至死亡,導致細胞內物質大量釋放[36],從而使PVA凝膠小球中富集的細菌與外界溶液物質交換時產生的濃度梯度變化增大,導致PVA凝膠小球光偏轉值增加,對應狀態下印染廢水COD去除率的下降速度加快.Plaper等[37]研究表明Cr3+可能引起DNA損傷并抑制拓撲異構酶DNA活性,且Cr3+還會降低細胞的活力或增殖速率,這與本研究PVA凝膠小球光偏轉值增加結論一致;當Cr3+濃度升至50mg/L時,污泥出現解體上浮現象,曝氣池內PVA凝膠小球中富集的尚有活性的細菌代謝狀態持續減弱,PVA凝膠小球光偏轉值降低至281.4μm,印染廢水COD去除率降低至25.73%.

3 活性污泥中微生物代謝引發光偏轉的機理分析

3.1 三維熒光光譜檢測

圖7 活性污泥降解印染廢水前后有機物三維熒光光譜圖

a:降解前;b:降解后

如圖8所示,通過三維熒光光譜[38-39]檢測發現,印染廢水三維熒光峰分別為A酪氨(ex/em= 210.0nm/320.0nm)、B芳香類蛋白(ex/em= 230.0nm/335.0nm)、C色氨酸(ex/em=280.0nm/ 320.0nm),這3種有機物的熒光強度分別為2210、8663、8138.說明印染廢水中主要的有機物為酪氨酸、芳香類蛋白、色氨酸.

對比經印染廢水活性污泥完全混合式曝氣池處理后的出水,發現酪氨酸、芳香類蛋白、色氨酸的熒光強度分別降為270.7、1032、1138.下降率分別為87.77%、88.08%、86.02%(表2),說明這3類有機物是活性污泥中參與微生物(主要為細菌)代謝的主要有機物.

表2 各有機組分熒光強度

3.2 展望

在活性污泥中,有活性的微生物(Ma)、微生物自身氧化殘留物(Me)、吸附在活性污泥上沒有被微生物所降解的有機物(Mi)、無機懸浮固體(Mii)甚至是菌膠團中的胞外聚合物(EPS)在不同運行條件下都會對活性污泥本身的性質產生重要影響[40-41],在不同條件下產生何種微生物代謝產物及哪種物質對于光偏轉值影響較大還未展開具體探究,后續實驗以期深入探究光偏轉快速檢測法檢測活性污泥代謝狀態的影響因素及機理,進一步縮短檢測時間,并提升檢測方法的精度和靈敏度,為日后光偏轉快速檢測法應用于活性污泥代謝狀態的檢測、活性污泥處理系統的運行調節及保護、出水水質在線預警提供有效的依據.

4 結論

4.1 研究表明,在印染廢水活性污泥完全混合式曝氣池中,采用光偏轉快速檢測法,檢測PVA凝膠小球中細菌的代謝狀態及依據PVA凝膠小球光偏轉值變化,預測系統隨后15h的出水水質是可行的;

4.2 曝氣池運行條件改變且狀態正常時,細菌代謝狀態良好,對應狀態下PVA凝膠小球光偏轉值快速增大并穩定在較高值,且SD<5;曝氣池運行條件改變但狀態異常時,細菌代謝狀態受到抑制或細胞受到損傷,此時PVA凝膠小球光偏轉值快速減小或異常增大,且SD>5;

4.3 PVA凝膠小球光偏轉值增大并穩定在較高值,且SD<5時,對應狀態下印染廢水COD去除率隨之增大,出水水質穩定;當PVA凝膠小球光偏轉值減小或異常增大,且SD>5時,對應狀態下印染廢水COD去除率隨之降低,出水水質不穩定;

4.4 三維熒光光譜表明在印染廢水處理中參與微生物(主要為細菌)代謝的主要有機物為酪氨酸、芳香類蛋白、色氨酸.

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Study on rapid detection of beam deflection method for detecting metabolic status of activated sludge from printing and dyeing wastewater.

ZHANG Luo-hong*, LI Rui-ying, CAO Min, CHENG Jing-jing, WANG Xun-tao, ZHAI Ying-bo, XIONG Xin

(Xi'an polytechnic University, Department of Environmental Science and Engineering, Xi'an 710600, China)., 2021,41(9)：4157～4166

Considering that limitation that cumbersome process, time-consuming and lagging detection of current activated sludge testing process, a rapid detection of beam deflection method were provided in this study. The polyvinyl alcohol gel beads with a particle size of 4mm and microporous structure of 20μm were put in the printing and dyeing wastewater complete mixed activated sludge treatment system with a sludge load of 0.33KgCOD/(kg MLSS×d) and a hydraulic retention time of 15h. The light spot analyzer was used to detecte light deflection which reflect the surface concentration gradient changes due to the exchange of external solutions and microbial metabolites after the beads reached a stable state. The corresponding COD of effluent after 15h were also measured, meanwhile the COD removal rate were calculated. After ten consecutive months of testing, it was found that the predominant microorganism is bacteria in the PVA-gel beads. The light deflection value of the beads increased from 229.51μm to 299.97μm when the influent COD increased from 91.95mg/L to 519.4mg/L, and The COD removal rate also increased from 16.03% to 66.99%. The light deflection of the beads increased with dissolved oxygen concentration and reached to the higest value 309.3μm at DO=4mg/L, meanwhile, the corresponding COD removal rate reached to the maximum which is 61.18%, when the dissolved oxygen concentration range from 1.5mg/L to 5mg/L. The light deflection of the beads increased with dissolved oxygen concentration and reached to the higest value 293.96μm at pH=7, meanwhile, the corresponding COD removal rate reached to the maximum which is 64.83%, when the pH range from 6to 9. The light deflection value of the beads decreased with the concentration of Cr3+and reached to 269.7μm when the Cr3+concentration at 20mg/L. The light deflection value increased with Cr3+concentration continiued increased to 50mg/L, but the corresponding COD removal rate decreased form 52.5% to 25.73%, for the reason that the microbial cells are damaged and the intracellular substances are dissolved. The results show that the changes information of metabolic state in activated sludge can be quickly obtained by this method. And the changes of light deflection value of beads can be used to predict the subsequent COD concentration removal effect of printing and dyeing wastewater under specific conditions. Three-dimensional fluorescence spectroscopy were also used to explore the mechanism of microbial metabolism triggering light deflection. And the results showed that the main organic substances involved in microbial metabolism are tyrosine, aromatic proteins and tryptophan.

rapid detection of beam deflection method；activated sludge method；microbial metabolism status；polyvinyl alcohol (PVA) -gel beads；COD removal rate

X703.1

A

1000-6923(2021)09-4157-10

張洛紅(1969-),男,陜西西安人,教授,博士,主要研究方向為環境監測與污染控制.發表論文80余篇.

2021-02-01

陜西省重點研發計劃項目(2018KW-036);西安市科技計劃項目(2019217114GXRC007CG008-GXYD7.10)

* 責任作者, 教授, 1710501539@qq.com