序批法制備好氧顆粒污泥

序批法制備好氧顆粒污泥

氧氣污泥的初始研究主要在連續(xù)流量控制器中進(jìn)行，操作條件非常嚴(yán)格。與連續(xù)性檢測(cè)器相比，序列檢測(cè)器（sdr）的設(shè)計(jì)和操作簡(jiǎn)單，能夠承受高的體積負(fù)荷和影響負(fù)荷。因此，sdr檢測(cè)器可用于研究和研究氧氣污泥，并具有特定的優(yōu)勢(shì)。自1997年以來，摩爾納羅茨等人（7、8、9、10、11、12和13）采用sdr裝置研究了氧氣污泥的形成和性能。與厭氧污泥相比，在好氧條件下很少有關(guān)于污泥和好氧條件下污泥的報(bào)道。還需要進(jìn)一步研究和證明好氧顆粒污泥的形成過程、影響因素、污泥性質(zhì)和形成機(jī)制。進(jìn)行好氧顆粒污泥的研究可采用不同接種污泥:普通的絮狀活性污泥和厭氧顆粒污泥.直接采用厭氧顆粒污泥進(jìn)行馴化,簡(jiǎn)便且成功率高;以普通絮狀活性污泥為接種污泥,啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng),控制難度較大,但有利于對(duì)顆粒污泥形成過程的研究,以便為實(shí)現(xiàn)其工業(yè)化應(yīng)用提供理論依據(jù).選擇壓是最早用于種群遺傳學(xué)的術(shù)語,將種群內(nèi)的選擇作用和物理學(xué)上的壓力相比,來表示種群內(nèi)的選擇作用大小.在微生物培養(yǎng)過程中,可利用選擇壓的原理,通過建立高度選擇性的培養(yǎng)環(huán)境,使不適應(yīng)該培養(yǎng)環(huán)境的微生物不能生長(zhǎng)或極少生長(zhǎng),從而篩選和富集培養(yǎng)專一類型的微生物.本試驗(yàn)的目的是以葡萄糖為底物,以普通活性污泥為接種污泥,在SBR反應(yīng)器中通過控制沉降速率在不同沉降性能污泥之間進(jìn)行選擇以造成選擇壓,對(duì)好氧顆粒污泥培育的可能性、污泥性質(zhì)及其形成過程進(jìn)行研究.1試驗(yàn)材料和方法1.1sbr反應(yīng)器采用SBR進(jìn)行研究.SBR反應(yīng)器直徑100mm,高1200mm,有效容積8.7L.試驗(yàn)裝置見圖1.廢水由seraR409.1型計(jì)量泵經(jīng)恒溫水浴,由上部進(jìn)入SBR反應(yīng)器.SBR反應(yīng)器不同高度設(shè)置出水口,由CKDAB41型電磁閥排水.反應(yīng)器底部設(shè)置粘砂塊微孔曝氣器,由GASTMOA型鼓風(fēng)機(jī)經(jīng)空氣流量計(jì)供氣.反應(yīng)器置入恒溫室內(nèi),夏季在室溫下運(yùn)行;冬季在20℃運(yùn)行,由換熱器保持反應(yīng)器恒溫在20±2℃.整個(gè)系統(tǒng)由KoyoSM-24R可編程控制器(PLC)控制進(jìn)水、曝氣、沉淀、排水和靜置全過程,可根據(jù)需要設(shè)定運(yùn)行周期及各運(yùn)行期的啟動(dòng)和結(jié)束時(shí)間.1.2試驗(yàn)水進(jìn)水采用人工合成模擬廢水(表1).1.3繁殖污泥接種污泥為無錫市蘆村污水處理廠二沉池回流污泥.接種量為4.0L,接種污泥濃度為MLSS18.2g/L(污泥).1.4sbr反應(yīng)器運(yùn)行狀況分析SBR反應(yīng)器一次循環(huán)時(shí)間為180min,其運(yùn)行操作參數(shù)見表2.定期測(cè)定反應(yīng)器中的SV,MLSS,pH和出水COD,SS等參數(shù),在對(duì)此進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上判斷反應(yīng)器運(yùn)行狀況并對(duì)操作參數(shù)做相應(yīng)調(diào)整.在不同運(yùn)行階段,改變SBR反應(yīng)器出水口位置,即相應(yīng)改變進(jìn)水水量和COD負(fù)荷.在排水高度一定情況下,減少沉淀時(shí)間,可以改變臨界沉降速率.逐步增大COD負(fù)荷的同時(shí),減少沉淀時(shí)間以造成擇壓,使低于臨界沉降速率的細(xì)小分散和絮狀活性污泥洗出,防止其累積,從而促進(jìn)好氧顆粒污泥的形成和累積.1.5沉降速率及污泥水處理(1)COD、MLSS、pH、SV、SVI、VSS、TSS、比重、含水率和化學(xué)元素分析等均按標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定.(2)最小沉降速率按測(cè)定[排水高度/沉降時(shí)間]測(cè)定(3)污泥齡按[反應(yīng)器污泥量(干重)/每天外排污泥量(干重)]測(cè)定.2試驗(yàn)結(jié)果與討論2.1好氧污泥的形成過程根據(jù)活性污泥形態(tài)的變化,從反應(yīng)器接種啟動(dòng)到SBR反應(yīng)器污泥床完全顆?；?可分為3個(gè)階段.2.1.1污泥沉降性能SBR反應(yīng)器接種污泥后,直接在運(yùn)行階段1條件下運(yùn)行(表2).控制污泥齡不小于1d,逐步減少沉降時(shí)間,最小沉降速率由0.2m/h增至5.7m/h.接種污泥較為松散,沉降性能較差,經(jīng)過啟動(dòng)期(21d)運(yùn)行,污泥的沉降性能有明顯提高.啟動(dòng)初期反應(yīng)器中活性污泥抗沖擊負(fù)荷能力較差,容易發(fā)生污泥膨脹,其原因與絲狀菌的過度生長(zhǎng)有關(guān).逐步減少沉降時(shí)間后,活性污泥性能改善,未發(fā)生污泥膨脹.在最小沉降速率5.7m/h時(shí),反應(yīng)器中污泥體積指數(shù)(SVI)為119.5mL/g,污泥齡1.7d.出水SS較高,達(dá)到2100mg/L,主要為沉降性能較差而被洗出的細(xì)小分散污泥.由于沉降時(shí)間的不斷減少,沉降性能較差的細(xì)小分散污泥不斷被洗出,剩余污泥排放量大,反應(yīng)器中尚未能滯留足夠量的活性污泥.2.1.2沉降時(shí)間的減少SBR反應(yīng)器運(yùn)行22d時(shí),控制反應(yīng)器在運(yùn)行階段2條件下運(yùn)行(表2),排水高度由35.5cm增加至52.5cm.由于COD負(fù)荷的增加,初期活性污泥沉降性能有所下降,操作中增加沉降時(shí)間以避免污泥的過度洗出,然后在控制污泥齡的前提下逐步減少沉降時(shí)間.表面氣體流速由0.0035m/s逐步增加至0.0087m/s以增加攪拌強(qiáng)度及克服傳質(zhì)阻力.反應(yīng)器運(yùn)行67d時(shí),以絮狀污泥為主的污泥床中開始出現(xiàn)顆粒污泥.初期形成的好氧顆粒污泥成不規(guī)則狀,直徑在1.0～3.0mm之間.反應(yīng)器MLSS比啟動(dòng)期提高37%,達(dá)到4800mg/L.出水SS逐漸下降,污泥體積指數(shù)(SVI)由100mL/g逐漸下降至50mL/g.污泥齡由2.7d上升至6.5d.此階段中由于沉降時(shí)間的減少,大部分難沉降的細(xì)小分散污泥被洗出,污泥床以沉降性能較好的絮狀及部分顆粒污泥為主;污泥床中活性污泥存在形式發(fā)生變化,沉降性能得到改善,污泥洗出量減少.2.1.3沉降型活性污泥sdvi在運(yùn)行階段2條件下沉降速率10.8m/h達(dá)到穩(wěn)態(tài)后,改變操作參數(shù)為運(yùn)行階段3條件(見表2).同時(shí),逐步控制沉降速率至32.4m/h.伴隨沉降性能較差的絮狀污泥的洗出,反應(yīng)器中絮狀污泥逐步減少,粒徑大于6mm的顆粒污泥所占比例明顯增加.由于反應(yīng)器容積負(fù)荷較高,可以克服傳質(zhì)阻力而有利于污泥的生長(zhǎng),污泥量上升,同時(shí)SVI明顯下降,最后污泥床完全實(shí)現(xiàn)顆粒化.此時(shí)曝氣強(qiáng)度大,反應(yīng)器內(nèi)攪動(dòng)均勻,顆粒污泥表面逐漸清晰,顆粒直徑增大至6.0～9.0mm,也有部分顆粒直徑為2.0～3.0mm.活性污泥SVI降為40mL/g,污泥齡增至7.6d,MLSS增至7800mg/L.出水SS仍較高,達(dá)到400mg/L左右,其原因與在較短的沉降時(shí)間下未及時(shí)沉降的細(xì)小顆粒污泥和部分絮狀污泥隨出水外排有關(guān)(表3).此階段SBR反應(yīng)器中的活性污泥具有良好的沉降性能,大部分活性污泥保留在反應(yīng)器內(nèi),反應(yīng)器中已能累計(jì)大量的活性污泥.在培育好氧顆粒污泥的過程中,COD負(fù)荷不斷提高,而出水COD經(jīng)歷由低到高,再到低的過程.圖2給出了連續(xù)運(yùn)行130dCOD的去除情況.由圖2可知,在好氧顆粒污泥出現(xiàn)前后,反應(yīng)器出水水質(zhì)產(chǎn)生波動(dòng).原因與形成顆粒污泥過程中反應(yīng)器生物量的變化有關(guān).接種污泥中難沉降的細(xì)小分散污泥占優(yōu)勢(shì);在選擇壓作用下,大量的細(xì)小分散污泥被洗出.由于存在傳質(zhì)阻力,絮狀和顆粒狀污泥生長(zhǎng)速率較慢,大量的細(xì)小分散污泥被洗出導(dǎo)致反應(yīng)器MLSS的下降及出水水質(zhì)的惡化.較高的COD負(fù)荷可克服傳質(zhì)阻力,有利于絮狀和顆粒狀污泥生長(zhǎng);同時(shí),由于污泥沉降性能的改善可在較短的沉降時(shí)間下累積較高的生物量,所以在較高COD負(fù)荷下達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)反應(yīng)器生物量增加,出水水質(zhì)明顯改善.在SBR反應(yīng)器整個(gè)啟動(dòng)期中,進(jìn)水COD濃度為1200～1300mg/L,COD去除率在86.1%～91.8%;在高COD負(fù)荷[4.8kg/(m3·d)]情況下,出水COD穩(wěn)定在120mg/L左右,COD去除率達(dá)到88.8%,出水清澈.這說明本試驗(yàn)條件下培育的好氧顆粒污泥由于具有良好的沉淀性能,在反應(yīng)器中可以維持較高的生物量,并具有在高容積負(fù)荷條件下穩(wěn)定高效降解高濃度有機(jī)廢水的良好生物活性.2.2好氧顆粒污泥與成熟好氧顆粒污泥的生物活性比較在COD負(fù)荷4.8kg/(m3·d)、表面氣體流速0.0175m/s的條件下達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)培育的好氧顆粒污泥為球形(圖3).污泥大體呈白色,中間強(qiáng)度較大,呈淡黃色,周圍呈絨毛狀,呈白色.此結(jié)構(gòu)能使其具有良好沉降性能,同時(shí)又能減少傳質(zhì)阻力并保證活性污泥具有良好的懸浮性.與厭氧顆粒污泥相比,本試驗(yàn)中培育的好氧顆粒污泥直徑較大.顆粒直徑與COD負(fù)荷、水流剪切力相關(guān),具體分析見2.3節(jié).達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí),顆粒直徑、COD負(fù)荷和水流剪切力之間達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡.在此條件下,不會(huì)因?yàn)楹醚躅w粒污泥直徑較大影響物質(zhì)的傳遞,進(jìn)而影響顆粒污泥的性質(zhì).接種污泥與成熟好氧顆粒污泥中化學(xué)元素的變化見表4.從表4可看出,與接種污泥相比,好氧顆粒污泥灰分中的化學(xué)元素含量都發(fā)生變化:其中好氧顆粒污泥Ca的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為接種污泥的150%,Fe為接種污泥的2.9%,而Co為接種污泥的50%.與厭氧顆粒污泥相似,Ca在好氧顆粒污泥形成過程中亦可能起重要的作用.污泥顏色由深褐色變?yōu)榘咨cMg、Fe、Cu、Co的質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少有關(guān).由圖4可以看出,運(yùn)行120d形成的好氧顆粒污泥VSS/TSS值比接種污泥VSS/TSS值高27%,即揮發(fā)性有機(jī)質(zhì)的含量增加27%,說明好氧顆粒污泥的培育過程中生物相發(fā)生變化,單位質(zhì)量生物量有明顯上升,在相同干重情況下好氧顆粒污泥具有更大的COD去除能力.所以,好氧顆粒污泥具有良好的生物活性與其生物相的變化及單位質(zhì)量生物量的增加直接相關(guān).與接種污泥比較,好氧顆粒污泥的比重和含水率亦有所下降.好氧顆粒污泥的含水率為99.01%,低于接種污泥(99.6%);而污泥體積指數(shù)(SVI)為40mL/g,約為普通活性污泥的一半,即對(duì)于相同干重的污泥,好氧顆粒污泥體積可大大減少,為接種污泥體積的2/5.好氧顆粒污泥含水率低,剩余污泥排放量少;可減少反應(yīng)器占地面積,減少污泥處理費(fèi)用和基建投資.2.3影響污泥形成條件的初步分析在SBR反應(yīng)器中,好氧顆粒污泥的形成與COD負(fù)荷、水流剪切力和沉淀時(shí)間密切相關(guān).(1)顆粒污泥和速降泥cod的選擇SBR反應(yīng)器中,控制沉降時(shí)間可以洗出沉降性能較差的細(xì)小分散污泥和絮狀污泥,是影響形成好氧顆粒污泥的主要因素.沉降時(shí)間用于強(qiáng)化活性污泥的沉降速率,并在顆粒污泥(快速沉降)和懸浮或絮狀污泥(慢速沉降)間作出選擇.較高的COD負(fù)荷有利于顆粒污泥的生長(zhǎng);較長(zhǎng)的沉淀時(shí)間會(huì)導(dǎo)致絮狀污泥的積累,過低的沉降時(shí)間會(huì)使活性污泥大量洗出,導(dǎo)致反應(yīng)器中MLSS的下降及COD降解能力的下降.在較高的COD負(fù)荷情況下,控制沉降時(shí)間以洗出沉降較慢的懸浮和絮狀污泥,最終會(huì)選擇出具有良好沉降性能的顆粒污泥.(2)cod負(fù)荷和高cod負(fù)荷由于存在傳質(zhì)阻力,相對(duì)于絮狀污泥而言,顆粒污泥生長(zhǎng)較慢.較高的COD負(fù)荷有助于克服傳質(zhì)阻力,但也易引起絲狀菌大量生長(zhǎng),從而阻礙污泥沉淀并最終導(dǎo)致反應(yīng)器出水的惡化和反應(yīng)器運(yùn)行狀況的不穩(wěn)定.如果在較高的COD負(fù)荷情況下提高水流剪切力,絲狀菌易于破碎而隨反應(yīng)器出水排出,則有利于形成較為緊密而邊界清晰、沉降性能較好的顆粒污泥.水流剪切力一定時(shí),除非顆粒污泥的內(nèi)核受到底物傳質(zhì)的限制,顆粒污泥的粒徑將不斷增加.當(dāng)?shù)孜锏膫髻|(zhì)受到限制時(shí),顆粒污泥的內(nèi)核開始分解,這會(huì)減弱顆粒強(qiáng)度及降低顆粒密度,使其易受到水流剪切力的影響,不易沉淀而被洗出.最終在COD負(fù)荷和顆粒污泥的粒徑之間達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡.在高COD負(fù)荷情況下,反應(yīng)器壁上容易形成生物膜.相對(duì)于顆粒污泥,生物膜傳質(zhì)阻力小、生長(zhǎng)速度較快并與顆粒污泥競(jìng)爭(zhēng)底物,最終導(dǎo)致顆粒污泥數(shù)量減少和顆粒污泥床絮狀化.因此,在反應(yīng)器運(yùn)行過程中需要定期清洗反應(yīng)器壁以防止生物膜的積累.(3)好氧顆粒污泥特性在COD負(fù)荷一定的情況下,水流剪切力的變化會(huì)導(dǎo)致顆粒污泥直徑的變化.較高的水流剪切力會(huì)形成粒徑較小的顆粒污泥,而較低的水流剪切力會(huì)形成粒徑較大的顆粒污泥,最終在水流剪切力和顆粒污泥粒徑之間達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡.過高的水流剪切力會(huì)引起反應(yīng)器中大量好氧顆粒污泥的解體并隨出水排放而洗出,導(dǎo)致反應(yīng)器中MLSS下降.好氧顆粒污泥機(jī)械強(qiáng)度低、穩(wěn)定性差,與反應(yīng)器中水流剪切力較大亦有直接關(guān)系.在本試驗(yàn)中,通過不斷提高SBR反應(yīng)器中COD負(fù)荷的同時(shí),控制沉降時(shí)間,洗出細(xì)小分散污泥和絮狀污泥最終導(dǎo)致形成好氧顆粒污泥.3好氧顆粒污泥ca的形成(1)以葡萄糖為底物,普通絮狀活性污泥為接種污泥,在SBR中通過控制操作條件以造成選擇壓可以實(shí)現(xiàn)好氧活性污泥的顆?；?(2)COD負(fù)荷、沉降時(shí)間及水流剪切力是SBR反應(yīng)器中形成好氧顆粒污泥的重要影響因素.通過提高COD負(fù)荷,增大水流剪切力以改善傳質(zhì)條件,控制沉降時(shí)間造成選擇壓,不斷洗出細(xì)小分散污泥和絮狀污泥,最終導(dǎo)致好氧顆粒污泥的形成.(3)COD負(fù)荷4.8kg/(m3·d),表面氣體流速0.0175m/s時(shí),SBR反應(yīng)器污