低溫SBR工藝活性污泥代謝特性研究

尹 軍,李 瑞,張振庭,王建輝,王小龍 (吉林建筑工程學(xué)院市政與環(huán)境工程學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130118)

低溫SBR工藝活性污泥代謝特性研究

尹 軍*,李 瑞,張振庭,王建輝,王小龍 (吉林建筑工程學(xué)院市政與環(huán)境工程學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130118)

在(7±1)℃條件下,從污染物的去除效能、生物活性、污泥特性等方面,研究了低溫 SBR系統(tǒng)中活性污泥的代謝特性.結(jié)果表明:低溫SBR系統(tǒng)在好氧階段前40min能夠?qū)?6%的COD去除,整個(gè)運(yùn)行周期活性污泥對(duì)COD的代謝狀況良好;由于低溫的影響,活性污泥硝化反應(yīng)過程受到抑制,反硝化過程無法正常進(jìn)行;低溫不是影響SBR反應(yīng)器中聚磷菌P代謝過程的關(guān)鍵因素,在低溫條件下聚磷菌對(duì)P的攝取、釋放代謝狀況良好;活性污泥 2,3,5氯化三苯基四氮唑(TTC)和碘硝基四氮唑(INT)電子傳遞體系(ETS)活性呈現(xiàn)出周期性變化規(guī)律,TTC和INT-ETS活性能夠有效表征整個(gè)運(yùn)行過程活性污泥的代謝特性;穩(wěn)定運(yùn)行的低溫SBR系統(tǒng)活性污泥表現(xiàn)出良好的沉降性,MLSS、MLVSS、以及MLVSS/MLSS都高于常溫SBR系統(tǒng).

污水處理；低溫SBR；活性污泥；代謝特性；生物活性；沉降性

SBR污水處理工藝是一種簡(jiǎn)便、高效、耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、運(yùn)行方式靈活、具有同步脫氮除磷能力的活性污泥污水處理方法[1].目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)于常溫SBR工藝運(yùn)行特征的研究已逐漸成熟,但關(guān)于低溫SBR工藝中活性污泥代謝特性的研究還很少.寒冷地區(qū)的SBR工藝在低溫條件下運(yùn)行時(shí)經(jīng)常會(huì)遇到一系列常溫條件下不常遇到的問題,因此近年來對(duì)低溫條件下SBR工藝的運(yùn)行特征和污染物去除效能的研究,日益引起關(guān)注.研究表明[2],水溫是影響活性污泥新陳代謝狀況的主要因素,當(dāng)水溫低于 15℃時(shí),微生物活性開始下降;當(dāng)水溫低于 10℃時(shí),微生物活性明顯下降;水溫小于 4℃時(shí),微生物活性非常微弱.因此,溫度對(duì)活性污泥的正常生命活動(dòng)具有很大的影響作用,對(duì)活性污泥的硝化反應(yīng)過程影響更加明顯[3].孫洪偉等[4]研究發(fā)現(xiàn),低溫導(dǎo)致了SBR工藝反硝化過程亞硝態(tài)氮積累現(xiàn)象.低溫SBR工藝中硝化、聚磷、釋磷等其他代謝過程特征還有待進(jìn)一步研究.

微生物電子傳遞體系(ETS)活性是評(píng)價(jià)活性污泥對(duì)有機(jī)污染物降解能力的重要指標(biāo),使用人工電子受體檢測(cè)微生物呼吸鏈上的電子傳遞速率,可以分析評(píng)價(jià)微生物ETS活性[5].常用的人工電子受體有 2,3,5氯化三苯基四氮唑(TTC)和碘硝基四氮唑(INT)2種,通過這2種電子受體檢測(cè)出的 ETS活性分別被稱為 TTC-ETS活性和INT-ETS活性[6-8].

為了探討低溫SBR污水處理工藝中微生物對(duì)污染物的代謝特性,本研究在(7±1)℃條件下,考察分析了SBR反應(yīng)器中活性污泥對(duì)污染物的去除效能與特征、微生物ETS活性的變化規(guī)律,以及活性污泥的生長(zhǎng)特性,供寒冷地區(qū)采用SBR工藝處理低溫生活污水時(shí)參考.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)用水

反應(yīng)器進(jìn)水采用自來水配制,碳源為白酒和葡萄糖,氮源為硫酸銨,磷源為磷酸二氫鉀,通過投加碳酸氫鈉調(diào)節(jié) pH值.每日配制的污水水質(zhì)COD維持在350mg/L,BOD維持在260mg/L,TN維持在 25mg/L,TP控制在 5mg/L,pH值維持在7~8之間.

1.2 試驗(yàn)裝置

參考有關(guān)資料[9-10],制作的低溫SBR反應(yīng)器如圖1所示,反應(yīng)器由冷卻系統(tǒng)和SBR反應(yīng)器2部分組成,反應(yīng)器高 1m,有效容積為 40L,反應(yīng)器材質(zhì)為有機(jī)玻璃.曝氣方式為鼓風(fēng)曝氣,通過轉(zhuǎn)子流量計(jì)調(diào)節(jié)曝氣量;采用冷水冷卻系統(tǒng)和溫度控制儀調(diào)控水溫;采用定時(shí)電力攪拌器保證泥水完全混合,從而完成SBR反應(yīng)器缺氧反應(yīng)過程.

圖1 低溫SBR反應(yīng)裝置示意Fig.1 Low temperature SBR reactor diagram

1.3 反應(yīng)器的啟動(dòng)運(yùn)行

試驗(yàn)采用接種法培養(yǎng)馴化活性污泥,接種污泥取自長(zhǎng)春市某污水處理廠.啟動(dòng)階段培養(yǎng)溫度為(7±1)℃,pH值控制在7~8之間,進(jìn)水CODcr維持在 300~350 mg/L,進(jìn)水氨氮濃度維持在 25~ 30mg/L.系統(tǒng)不排泥間歇運(yùn)行 15d左右后,出水COD濃度可達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)[11],出水氨氮濃度可達(dá)到一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)[11],污泥逐漸由棕黑色變?yōu)辄S褐色,且沉降性能良好.此時(shí),可認(rèn)為反應(yīng)器完成啟動(dòng)過程[12].

反應(yīng)器啟動(dòng)完成后,通過冷循環(huán)系統(tǒng)和溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)將混合液溫度維持在 7℃左右.系統(tǒng)運(yùn)行周期為24h,具體流程為:進(jìn)水,曝氣6h,攪拌2h,靜沉 2h,出水,待機(jī) 14h.在系統(tǒng)運(yùn)行期間,保證每個(gè)周期投入數(shù)量相同的碳源、氮源、磷源,并且將pH值維持在一定范圍內(nèi);同時(shí)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)COD、氨氮、TN、TP、TTC-ETS活性、INT-ETS活性以及SV等指標(biāo)進(jìn)行周期性監(jiān)測(cè).

1.4 分析方法

1.4.1 TTC-ETS、INT-ETS活性測(cè)定 TTCETS活性測(cè)定方法步驟[13]:向10mL離心管中加入0.8mL的污泥混合液、0.5mL的0.36% Na2SO3溶液和0.3mL事先配制的0.4%TTC(2,3,5氯化三苯基四氮唑)溶液.速將制備好的樣品放在(37±1)℃的水浴振蕩器內(nèi)振蕩培養(yǎng)30min,然后加1mL的 37%甲醛終止酶反應(yīng).將該樣品 4000r/min離心5min,輕輕棄去上清液,加入5mL的丙酮,攪拌混合均勻后,繼續(xù)在(37±1)℃下暗處振蕩萃取10min.待樣品萃取完畢,4000r/min再離心 5min,將上清液和沉淀污泥分離.用分光光度計(jì)在485nm處讀取萃取液的吸光度(1cm比色皿).離心的沉淀污泥在(105±1)℃下烘干1h后測(cè)干重.

INT-ETS活性測(cè)定方法步驟[14]:向10mL離心管中加入0.5mL的污泥混合液和0.2mL事先配制的0.2% INT(碘硝基四氮唑)溶液.迅速將制備好的樣品放在(37±1)℃的水浴振蕩器內(nèi)振蕩培養(yǎng)30min,然后加1mL的37%甲醛終止酶反應(yīng).將該樣品4000r/min離心5min,輕輕棄去上清液,加入 7mL的甲醇,攪拌混合均勻后,繼續(xù)在(37±1)℃下暗處振蕩萃取 10min.待樣品萃取完畢,4000r/min再離心5min,將上清液和沉淀污泥分離.用分光光度計(jì)在485nm處讀取萃取液的吸光度(1cm比色皿).離心的沉淀污泥在(105±1)℃下烘干1h后測(cè)干重.

TTC-ETS和NT-ETS活性的計(jì)算公式:

式中:UI為 INT-ETS活性[mgINTF/(gTSS?h)]或者 TTC-ETS活性[mgTF/(gTSS?h)];D485為波長(zhǎng)485nm處的上清液吸光度;V為TTC或INT萃取劑體積,mL;KI為TTC或INT標(biāo)準(zhǔn)曲線斜率;W為污泥干重,g; t為培養(yǎng)時(shí)間,h.

1.4.2 常規(guī)指標(biāo)的測(cè)定 在試驗(yàn)過程中 CODcr的測(cè)定采用5B-1型COD快速測(cè)定儀,氨氮的測(cè)定采用納氏試劑分光光度法,TN的測(cè)定采用過硫酸鉀氧化紫外分光光度法,TP的測(cè)定采用鉬銻抗分光光度法,混合液懸浮固體(MLSS)和混合液揮發(fā)性懸浮固體(MLVSS)測(cè)定采用濾紙重量法.

2 結(jié)果與討論

2.1 污染物的去除效果

低溫SBR系統(tǒng)完成啟動(dòng)階段運(yùn)行穩(wěn)定后,在一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi),按不同時(shí)間,對(duì)混合液中的COD、氨氮、TN、TP等濃度指標(biāo)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè).進(jìn)行3個(gè)周期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)后,發(fā)現(xiàn)各污染物濃度在不同周期內(nèi)變化曲線基本相同,試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示.

圖2 低溫SBR系統(tǒng)中COD、氨氮、TN和TP濃度隨反應(yīng)時(shí)間的變化Fig.2 Variation of COD, NH4-N,TN and TP concentrations with time in the low temperature SBR system

由圖 2a可見,在好氧階段,當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行到第40min時(shí),96%的COD已被去除,從40min開始到好氧運(yùn)行階段結(jié)束,COD去除率基本保持不變;第360min添加碳源、系統(tǒng)進(jìn)入缺氧運(yùn)行階段后,在前10min和后1h,混合液中的COD明顯下降,在第370~450min COD無明顯變化.整個(gè)運(yùn)行周期,系統(tǒng)對(duì) COD的去除狀況良好,在好氧階段和缺氧階段末期COD均符合一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn).有研究認(rèn)為[15],培養(yǎng)馴化出較好活性的耐低溫菌能夠保證低溫SBR工藝穩(wěn)定良好運(yùn)行.本試驗(yàn)結(jié)果說明,低溫SBR系統(tǒng)經(jīng)過半個(gè)月的培養(yǎng)啟動(dòng)后,已形成了性能較好的耐低溫活性污泥菌膠團(tuán),從而表現(xiàn)出良好的 COD去除效果.譚學(xué)軍等[16]研究發(fā)現(xiàn),低溫SBR系統(tǒng)能夠獲得較為理想的COD去除率,好氧段的COD去除率均在90%左右,與本文得出的結(jié)論一致.

由圖2b可見,低溫SBR系統(tǒng)在一個(gè)反應(yīng)周期結(jié)束后,出水氨氮濃度可以達(dá)到一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn).大部分氨氮的去除主要在好氧階段完成,缺氧階段氨氮濃度變化不大.與常溫 SBR系統(tǒng)相比,氨氮在好氧階段的硝化反應(yīng)不完全,在第360min好氧運(yùn)行階段結(jié)束時(shí),只有50%的氨氮被硝化去除,說明低溫對(duì)氨氮的硝化過程有明顯的抑制作用.有研究表明[16]低溫 SBR系統(tǒng)氨氮氧化速率較慢,好氧段結(jié)束時(shí)氨氮硝化率不足 30%,這也說明低溫SBR系統(tǒng)硝化過程難以正常進(jìn)行.

對(duì)比圖 2b與圖 2c分析,在整個(gè)反應(yīng)周期內(nèi),TN變化幅度很小,在缺氧階段沒有呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),說明在低溫條件下,反硝化過程基本無法正常進(jìn)行,反而出現(xiàn)了嚴(yán)重的硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮積累的現(xiàn)象.孫洪偉等[4]在對(duì)低溫SBR工藝反硝化過程的研究中也觀察到這種亞硝酸鹽氮積累的現(xiàn)象,同時(shí)發(fā)現(xiàn)碳源類型是影響亞硝態(tài)氮積累的一個(gè)因素,在溫度為13.9℃條件下,甲醇、乙醇、乙酸鈉和丙酸鈉為碳源的反硝化過程亞硝態(tài)氮明顯積累,而以葡萄糖為碳源時(shí)則沒有發(fā)生亞硝態(tài)氮積累.也有研究認(rèn)為[16],以啤酒為碳源的低溫SBR系統(tǒng)具有較強(qiáng)的反硝化能力,反硝化過程可在1h內(nèi)完成.低溫SBR系統(tǒng)雖普遍存在反硝化過程亞硝態(tài)氮積累現(xiàn)象,但通過調(diào)節(jié)碳源有可能會(huì)使反硝化過程正常進(jìn)行.

由圖2d可見,TP在好氧階段前90min得到較好的去除,從第90min開始到好氧運(yùn)行過程結(jié)束,出水TP濃度可達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn).這說明在低溫SBR系統(tǒng)中,聚磷菌在曝氣開始90min內(nèi)就能完成對(duì)P的攝取過程.因此,經(jīng)過培養(yǎng)馴化后,低溫SBR系統(tǒng)的好氧聚磷過程能夠正常進(jìn)行;從第360min缺氧反應(yīng)階段開始到反應(yīng)周期結(jié)束,TP濃度逐步升高,釋磷過程正常進(jìn)行.分析認(rèn)為[15]聚磷菌是一種嗜冷性細(xì)菌,在低溫環(huán)境下能夠正常生存,本試驗(yàn)結(jié)果也表明,低溫不是影響 SBR反應(yīng)器中聚磷菌P代謝過程的關(guān)鍵因素,在低溫條件下聚磷菌仍然能表現(xiàn)出良好的除P效果.

在本試驗(yàn)第360min外加碳源是為了促進(jìn)缺氧階段氮的去除,但試驗(yàn)結(jié)果表明缺氧段氨氮的濃度沒有太大變化,反而出現(xiàn)了嚴(yán)重的硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮積累的現(xiàn)象;同時(shí)由于外加碳源和缺氧段釋磷,使出水COD、TP濃度均高于好氧段末端,此時(shí)可以考慮將低溫SBR系統(tǒng)的運(yùn)行程序改為:進(jìn)水,曝氣 6h,靜沉 2h,出水,待機(jī).這樣能夠大幅度提高低溫SBR系統(tǒng)的污染物去除率.

2.2 TTC-ETS和INT-ETS活性的變化

圖3 低溫SBR系統(tǒng)活性污泥TTC-ETS和INT-ETS活性隨時(shí)間的變化Fig.3 TTC and INT-ETS activity of activated sludge with respect to reaction time in the low temperature SBR system

由圖3可見,在前40min,隨著大量COD初期被吸附降解去除,TTC-ETS和INT-ETS活性明顯下降;當(dāng)?shù)?0min活性污泥的內(nèi)源代謝反應(yīng)開始時(shí),TTC-ETS和INT-ETS活性急劇上升,之后又下降到初始水平;當(dāng) COD內(nèi)源代謝反應(yīng)完成時(shí),TTC-ETS和 INT-ETS活性變化趨于平緩.TTC-ETS和INT-ETS活性隨著活性污泥內(nèi)源代謝反應(yīng)開始而增加的原因是,此時(shí) COD代謝開始進(jìn)入另一個(gè)階段,從而導(dǎo)致該時(shí)刻測(cè)得的活性數(shù)值是好氧異養(yǎng)菌和自養(yǎng)硝化菌的TTC和INT-ETS活性的總和.當(dāng)COD的代謝反應(yīng)完成、硝化反應(yīng)速率趨于穩(wěn)定時(shí),TTC-ETS和INT-ETS活性隨之開始保持相對(duì)穩(wěn)定.在第360min缺氧階段開始時(shí),隨著活性污泥對(duì)外加碳源的代謝反應(yīng)的啟動(dòng),TTC-ETS和INT-ETS活性有所下降,隨后由于低溫造成的反硝化過程硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮的不斷積累,TTC-ETS和INT-ETS活性隨之上升,然后趨于平緩.

硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮的積累可以看作反硝化過程的逆反應(yīng),在這一過程中,活性污泥利用有機(jī)物質(zhì)參與了一系列電子傳遞反應(yīng),此外,厭氧階段的釋磷過程也伴隨著一些電子轉(zhuǎn)移過程,因此,TTC-ETS和INT-ETS活性在這一階段有所上升.縱觀低溫 SBR系統(tǒng)的整個(gè)反應(yīng)周期,在有機(jī)物代謝、硝化和反硝化過程以及 P的代謝始末,TTC-ETS和INT-ETS活性變化曲線上都相應(yīng)的出現(xiàn)了特征點(diǎn),由此可證明 TTC-ETS和INT-ETS活性能夠有效表征低溫SBR系統(tǒng)中活性污泥的代謝特性[17-18].

2.3 SV、MLSS、MLVSS、和SVI的變化

圖4 低溫SBR系統(tǒng)SV、SVI、MLSS以及MLVSS隨時(shí)間的變化Fig.4 SV, SVI, MLSS and MLVSS with respect to reaction time in the low temperature SBR system

由圖 4a可見,SV為 35~55%,SVI為 50~ 75mL/g,說明活性污泥在整個(gè)周期中沉降性能良好.SV和SVI在前90min均呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì),在這一階段,大部分COD、P被代謝去除,硝化過程也在順利進(jìn)行,活性污泥的好氧代謝速率在這一階段較高,因此表現(xiàn)出良好的沉降性能.在第360min缺氧階段開始,由于溶解氧的變化以及低溫造成的反硝化過程硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮的積累,SV和SVI突然上升、活性污泥的沉降性變差,之后經(jīng)過一段時(shí)間的適應(yīng)過程,活性污泥的沉降性能又逐漸恢復(fù)原來的狀態(tài).

由圖4b可見,MLSS、MLVSS在整個(gè)運(yùn)行周期中變化幅度不大、整體呈緩慢上升的趨勢(shì),且MLSS/MLVSS為0.84~0.87,說明經(jīng)過15d的低溫馴化培養(yǎng),活性污泥的生長(zhǎng)繁殖狀態(tài)良好、同時(shí)含有較高的有機(jī)成分.對(duì)比常溫 SBR系統(tǒng),低溫SBR工藝的MLSS、MLVSS、以及MLVSS/MLSS都相對(duì)較高[19].譚學(xué)軍等[16]研究發(fā)現(xiàn)低溫 SBR系統(tǒng)活性污泥中有機(jī)成分含量高于常溫SBR系統(tǒng),與本結(jié)論一致.有研究認(rèn)為[20],與常溫運(yùn)行時(shí)相比,低溫環(huán)境下運(yùn)行的活性污泥所攜帶的負(fù)電荷少,而具有更高的親水性,胞外分泌物含有更多的黏性物質(zhì).在本試驗(yàn)中,盡管MLSS幾乎是常溫SBR的2倍,但活性污泥仍表現(xiàn)出了良好的沉降性,其原因?yàn)楦呶勰嗔吭黾恿嘶钚晕勰嗨鶐ж?fù)電荷的數(shù)量、相應(yīng)的也減小了活性污泥的親水性,從而使低溫SBR活性污泥具有較好的沉降性能.

3 結(jié)論

3.1 低溫SBR系統(tǒng)好氧階段前40minCOD去除率可達(dá)96%,整個(gè)運(yùn)行周期活性污泥對(duì)COD的代謝狀況良好,出水COD小于50mg/L;低溫環(huán)境下,SBR系統(tǒng)活性污泥硝化反應(yīng)過程受到抑制,反硝化過程難以正常進(jìn)行,且表現(xiàn)出明顯的硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮的積累;低溫不是影響SBR反應(yīng)器中聚磷菌P代謝過程的關(guān)鍵因素,在低溫條件下聚磷菌對(duì)P的攝取、釋放代謝狀況良好.

3.2 在整個(gè)運(yùn)行周期內(nèi),低溫 SBR系統(tǒng)活性污泥的TTC-ETS和INT-ETS活性變化規(guī)律相關(guān)性較好,TTC-ETS和INT-ETS活性能夠有效的表征出整個(gè)運(yùn)行過程活性污泥的代謝特性.

3.3 經(jīng)過15d馴化培養(yǎng)后,低溫SBR系統(tǒng)活性污泥表現(xiàn)出良好的沉降性;低溫 SBR系統(tǒng)的MLSS、MLVSS、以及MLVSS/MLSS都高于常溫SBR系統(tǒng).

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Activated sludge metabolic features in low temperature sequencing bath reactor.

YIN Jun*, LI Rui, ZHANG Zhen-ting, WANG Jian-hui, WANG Xiao-long (School of Municipal and Environmental Engineering, Jilin Architectural and Civil Engineering Institute, Changchun 130118, China). China Environmental Science, 2012,32(1)：69~74

The activated sludge metabolic features of a low temperature SBR system (7±1)℃ were studied for pollutant removal efficiency, bioactivity, and the sludge feature aspects. The low temperature SBR system removed 96% of COD within 40 minutes during the aerobic phase. The whole operation cycle was beneficial to COD degradation. The nitration process was restrained and the denitrifying process was unable to work normally due to the effect of low temperature. The low temperature was not the key factor that affected the phosphorus metabolic process of poly-P bacteria in the SBR reactor, as the poly-P bacteria could absorb and release the phosphorus normally in the low temperature environment. The TTC(2,3,5-triphenyl-tetrazolium chloride) and INT[2-(p-indophenols)-3-(p-nitro phenyl)-5-phenyl-tetrazolium Chloride] Electron Transport System(ETS) activity can effectively characterize the operation of activated sludge metabolic properties. Sludge in the stable operated low-temperature SBR system showed good settling. MLSS, MLVSS and MLVSS/MLSS in the low temperature SBR system were higher than that in normal temperature SBR system.

sewage treatment；low temperature SBR；activated sludge；metabolic features；bioactivity；settle ability

2011-04-08

國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2008ZX07207-009-02)

* 責(zé)任作者, 教授, hitjunyin@163.com

X703.5

A

1000-6923(2012)01-0069-06

尹 軍(1954-),男,吉林省吉林市人,教授,博士,主要從事水體污染控制與治理技術(shù)研究.發(fā)表論文200多篇.