您现在的位置: 中国污水处理工程网 >> 污水处理技术 >> 正文

水力停留时间对颗粒污泥有哪些影响

发布时间:2020-5-17 8:14:47  中国污水处理工程网

  稳定的亚硝化技术是短程脱氮工艺的关键.将短程硝化与污泥颗粒化技术结合, 培养具有亚硝化性能的颗粒污泥(PNG)是实现高效、稳定亚硝酸盐累积的可行方法, 并可作为全自养型脱氮工艺的重要步骤.PNG上富集有大量慢速生长的自养硝化微生物, 因而具有较异养AGS更好的密实度和沉降性能.阴方芳等将SBR中培养成熟的亚硝化颗粒污泥接种到连续流完全混合式反应器(CSTR)中, 可以在无机条件下实现极高的氨氮去除效能, 氨氮去除率稳定在80%左右, 亚硝积累率稳定在84%左右.

  对于CSTR而言, 水力停留时间(HRT)影响污泥截留性能和颗粒结构, 成为反应器效能调控重要的运行参数[5, 6].在传统活性污泥法中, HRT直接决定了微生物与污染物的接触反应时间, 过短的HRT易导致出水水质下降和污泥流失率增大.好氧颗粒污泥(AGS)由于具有良好的沉降性能, 能够在更短的HRT条件下实现稳定运行, 较短的HRT为AGS提供充足的水力选择压, 有助于促进胞外聚合物(EPS)分泌, 改善颗粒形态结构.

  目前, 关于CSTR中HRT对好氧颗粒污泥的影响多是结合基质负荷变化进行的, 将HRT作为单一因素考察对PNG性能和功能微生物影响鲜见报道.本研究在保持进水氨氮负荷不变的前提下, 较系统地考察HRT对CSRT中颗粒形态结构、氮转化性能、微生物活性和群落结构的影响.

  1 材料与方法 1.1 实验装置及运行条件

  本实验所用装置为合建式连续流CSTR反应器, 如图 1所示, 由有机玻璃制成, 分曝气区和沉淀区两部分, 有效容积分别为1.7 L和0.6 L.曝气区底部装有曝气装置, 控制曝气量为0.6 L·min-1(表面上升流速0.156 cm·s-1), 为污泥系统提供溶解氧和剪切力.反应器置于恒温水浴箱中, 温度控制在28℃左右.

乐通118娱乐图 1 实验装置及工艺流程示意

  1.2 接种污泥及实验用水

  接种污泥取自本实验室SBR中成熟的亚硝化颗粒污泥, 亚硝酸盐累积率在80% ~85%.初始MLSS和SVI分别约为4.8 g·L-1和35 mL·g-1.

  本研究所用模拟污水组成如下:125~500 mg·L-1NH4Cl(以N计), 18 mg·L-1 K2HPO4, 49 mg·L-1 MgSO4, 60 mg·L-1 CaCl2, 1.5 mg·L-1 FeCl3·6H2 O, 1 mL·L-1的微量元素, 微量元素配方见文献.通过向进水中投加NaHCO3, 维持反应器中pH在7.8~8.0.控制反应器进水氨氮负荷稳定在3.0 kg·(m3·d)-1, 运行工况分为3个阶段, 反应器具体运行参数如表 1所示.

表 1 反应器运行工况和参数

  1.3 分析测试方法

  NH4+-N、NO2--N、NO3--N、TN和MLSS/MLVSS等水质指标分别按文献[15]中规定的纳氏试剂比色法、N-(1-萘基)-乙二胺光度法、紫外分光光度法、过硫酸钾氧化法、重量法等进行测定.pH由PB-10型pH计(Sartorius公司)测定, 温度和DO采用H1946N型溶解氧测定仪(WTW公司)进行测定.

  采用甲醛-NaOH法进行颗粒污泥EPS的提取, 并使用苯酚-硫酸法、改进的Lowry法分别测定蛋白质(PN)和聚多糖(PS)组分的含量.颗粒污泥沉降速率采用清水静沉法测定.

  采用筛分法测算颗粒污泥的粒径分布.定期从反应器中取出部分污泥样品, 经0.9% NaCl溶液反复清洗后, 依次通过孔径为2.5、1.6、1.25、0.8和0.3 mm的分样筛, 称量各筛网截留的污泥质量.根据样品总质量, 计算各粒径区间所占比例和颗粒平均粒径.

  1.4 功能菌动力学活性

  当反应器出水水质达到稳定状态, 通过批次实验测定颗粒污泥的基质比降解速率和产物比累积速率, 以表征不同功能菌的动力学活性.具体方法为:取湿重为2 g的颗粒污泥, 经0.9% NaCl溶液反复清洗后, 置于250 mL烧杯中, 注入200 mL基质溶液, 曝气反应2 h.控制初始NH4+-N浓度为150 mg·L-1, 其他组分与反应器进水相同, pH=8.0, 水温为28℃, DO浓度在2~4 mg·L-1.期间, 定期取样测定水质指标, 并计算以下比速率值.

  NH4+-N比降解速率,mg·(g·h)-1:

NO2--N比累积速率, mg·(g·h)-1:

NO3--N比累积速率, mg·(g·h)-1:

  式中, Δc(NH4+-N)、Δc(NO2--N)和Δc(NO3--N)分别指反应时间Δt内, 上清液中NH4+-N、NO2--N和NO3--N的浓度变化, mg·L-1;MLVSS为挥发性悬浮固体浓度, g·L-1;Δt为各参数值呈线性变化的时间段, h.

  1.5 微生物高通量测序分析

  在HRT稳定运行条件下反应器中多点采样混合后作为污泥样品, 采用FastPrep DNA提取试剂盒抽提基因组DNA.用16S rRNA基因引物338F(ACTCCTACGGGAGGCAGCAG)和806R(GGACTA CHVGGGTWTCTAAT)对细菌16S rRNA基因进行PCR扩增.使用AxyPrepDNA凝胶回收试剂盒(AXYGEN公司)切胶回收PCR产物, 由上海美吉生物医药科技有限公司完成对PCR扩增产物的高通量测序.

  2 结果与讨论 2.1 颗粒污泥的理化特征变化

  随着HRT的逐渐缩短, 亚硝化颗粒污泥粒径分布变化如图 2所示.当HRT=4 h时, 粒径1.6~2.5 mm和>2.5 mm的大颗粒分别占到了约40%和35%, 污泥平均粒径为1.8 mm.缩短反应器HRT会使得大颗粒污泥逐渐减少, 粒径在0.3~0.8 mm的颗粒快速增多.当HRT=1 h时, 粒径在0.3~0.8 mm的颗粒占据主导地位, 约占50%, 粒径>1.6 mm和 < 0.3 mm的颗粒分别占到36%和5%以下, 污泥平均粒径稳定在1.3 mm.该结果表明, 缩短HRT, 增大水力冲刷强度, 提升了选择压, 可显著改变CSTR中颗粒污泥的粒径分布, 并使颗粒形态更加均匀和密实.

图 2 不同的HRT条件下CSTR中污泥粒径分布

  从图 3可知, 缩短HRT, 反应器出水SS总体呈下降趋势.反应器中污泥浓度从5.2 g·L-1持续增加, 运行至第90 d, MLSS高达15g·L-1左右, 比启动初期提高了近2倍.HRT从4 h减小到1 h, 进水氨氮容积负荷始终维持在3.0kg·(m3·d)-1不变, 污泥MLSS增幅加大, 进一步证实了颗粒污泥可显著提升反应器污泥的生物截留能力, 由于污泥密实度高、沉降速率快, 缩短水力停留时间, 并未出现污泥流失.有研究表明, 随着HRT减小, 容积负荷逐渐增加使得微生物具有较高的生长速率, MLSS显著增加.Beun等提出较短的HRT有利于颗粒污泥的形成, SBR反应器HRT为8 h运行10周, 颗粒污泥的MLSS从1.2 g·L-1增加到1.3 g·L-1, 缩短HRT到6.75 h运行8周, 颗粒污泥的MLSS从1.3 g·L-1增加到2.7 g·L-1.Liu等维持进水氨氮容积负荷在8.0kg·(m3·d)-1, 考察HRT单一因素对污泥颗粒化过程的影响, 运行14 d, HRT为4 h的反应器, MLSS从2 g·L-1增加到3.6 g·L-1, 较短的HRT有利于污泥增殖.Rosman等和Pan等均证实了较短的HRT条件下形成的颗粒污泥结构密实, 形状规则, 具有较好的沉降性能.本研究自养亚硝化颗粒污泥中AOB、NOB属于慢速生长微生物, 较短的HRT, 提高了水力选择压, 有利于微生物增殖, 且使污泥颗粒粒径分布更加均匀.

图 3 反应器运行过程中出水SS的变化

  EPS对颗粒污泥的形成和稳定性具有显著影响, 微生物细胞产生EPS, 形成交联的网络, 并进一步加强颗粒的完整性使得颗粒结构更加密实.本研究发现(图 4), 缩短HRT, EPS总量逐渐升高, 蛋白质和多糖都有所提高, 蛋白质的增幅略高于多糖, 符合成熟亚硝化颗粒污泥典型的EPS分布特征.EPS中的蛋白质比多糖具有更丰富的静电键与金属架桥, 有利于污泥结构的稳定.胞外蛋白质富含各类降解酶, 包埋于EPS中的微生物可降解特定污染物.较短的HRT, 提高颗粒污泥水力剪切力, 促使微生物分泌更多的胞外聚合物(EPS), 有利于提升微生物活性和颗粒物稳定性.这一现象可进一步解释在低HRT条件下, 反应器具有良好微生物截留性能, 较高的污泥增殖速率的原因.

图 4 不同HRT条件下EPS的变化关系

  2.2 HRT对氮转化效能的影响

  HRT不断缩短过程中, 亚硝化颗粒污泥反应器的整体运行状况如图 5所示.随着HRT降低, 氨氮去除率呈阶梯式增长最终稳定在99%左右.其中HRT为2 h时, 氨氮去除率出现较为明显的波动, 出水亚硝酸盐浓度略有波动.HRT对微生物群落结构和反应器性能会产生影响.缩短HRT, 促进污泥增殖, 使颗粒污泥粒径分布更加均匀.对于连续流反应器, HRT是重要参数, 过高的HRT会导致反应器处理效率降低, 而缩短HRT, 易加剧污泥流失.本研究在HRT为1 h的条件下, 系统仍具有较高的脱氮性能, 这与颗粒污泥良好的沉降性能密不可分.

 图 5 亚硝化颗粒污泥反应器运行氮的转化规律

  有研究发现, 随着HRT降低, 反应器的硝化性能下降, 而本研究整个运行过程中亚硝酸盐累积率始终保持在85%以上(图 5), 随着HRT不断下降, 氨氮去除率逐步增长, 出水硝态氮浓度逐渐降低至10 mg·L-1左右.本研究控制氮容积负荷不变, 进水氨氮浓度随着HRT缩短而下降(表 1), 污泥氮负荷进一步下降.系统中微生物处于低负荷运行, 污泥活性增强, 氮去除效率提高.通过逐渐缩短HRT的方式, 降低污泥沉降时间, 将沉降性能较差的絮状污泥逐渐从反应器内淘洗出去, 污泥龄(SRT)缩短, 起到淘洗NOB的作用。本研究缩短HRT成为有效抑制NOB、维持颗粒污泥稳定亚硝化性能的有效因素.笔者认为可能存在以下3个原因:①研究所用接种污泥具有良好的亚硝化效果, 保证了反应器中较高的AOB和较低的NOB数量;②在自适应条件下, 缩短HRT增加了水力选择压, 颗粒污泥粒径分布集中于0.3~0.8 mm, 有利于优化基质和DO的传质条件, 提高AOB的活性, 抑制NOB;③由于颗粒污泥中不同功能微生物呈层状分布, AOB通常分布在颗粒的外层, 有利于获得更好的基质和生长条件, 相对于NOB, 更易在颗粒化污泥中成为优势种群.

  2.3 HRT对功能微生物动力学活性的影响

  HRT对CSTR中亚硝化颗粒污泥的粒径分布产生了较大影响, HRT为1 h, 反应器中污泥粒径集中于0.3 mm~0.8 mm.颗粒污泥粒径的差异, 将直接影响反应器性能.

  本研究对不同HRT稳定运行条件下, 粒径小于0.8 mm和大于0.8 mm的两大类污泥中功能微生物AOB和NOB的活性进行分析, 氨氮比降解速率μ(NH4+-N)、亚硝酸盐比生成速率μ(NO2--N)和硝酸盐比生成速率μ(NO3--N)测定结果见表 2.

表 2 不同HRT条件下CSTR中大小颗粒污泥功能微生物活性对比

  结果发现, 粒径 < 0.8 mm的颗粒污泥, 氨氮比降解速率和亚硝酸盐比生成速率、硝酸盐比生成速率均高于粒径>0.8 mm的颗粒污泥, 说明粒径较小颗粒污泥中AOB和NOB均具有更高的活性.因此, 在HRT缩短过程中, 0.3~0.8 mm的颗粒比例逐渐提升, 反应器亚硝化性能也得以提升.不同粒径污泥中功能微生物的活性受HRT的影响完全不同.粒径>0.8 mm的颗粒污泥, 缩短HRT, AOB和NOB功能微生物的活性都逐渐提升;与之相反, 粒径 < 0.8 mm的颗粒污泥, 缩短HRT, AOB和NOB功能微生物的活性都有所下降.在本研究中, 两种效果叠加, 缩短HRT, NOB在竞争基质和DO时处于劣势, 硝酸盐比生成速率总体下降, 证实了较低的HRT对NOB有较好的抑制作用, 这一结果与运行数据HRT缩短, 硝酸盐生成量减少的情况吻合.

  粒径相对较小颗粒污泥, 既具有颗粒污泥沉降性能好、生物富集度高的优势, 又具有相对较大的比表面积, 有利于富集在颗粒污泥表面的优势微生物生长代谢.在实际工程运用中, 可根据主导颗粒污泥粒径分布调控合理的HRT, 提高系统效能.

  2.4 高通量测序结果分析

  图 6为CSTR系统在HRT为4 h和1 h稳定运行条件下, 污泥测序在门水平下微生物群落多样性分析结果, 主要包括变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、绿菌门(Chlorobi)、绿弯菌门(Chloroflexi)、浮霉菌门(Planctomycets).涉及到脱氮功能微生物的变形菌门占绝对优势, 超80%.HRT从4 h缩短至1 h, 变形菌门比例略有升高.系统中出现厌氧氨氧化菌所在的浮霉菌门, HRT缩短后, 这类微生物的比例略有下降.

图 6 不同HRT时CSTR中微生物群落组成(门)相对丰度

  为了进一步阐明HRT对CSRT污泥微生物种群变化影响, 对属水平样品功能微生物和优势微生物菌群进行分析.如图 7所示, 亚硝化单胞菌属(Nitrosomomas)在CSTR污泥微生物群落中占绝对优势.亚硝化单胞菌属(Nitrosomomas)是典型的AOB, 在本系统污泥中富集度高达56%以上.短程硝化技术实现的关键在于亚硝酸盐的积累, 也就是通过富集污泥中的AOB, 并控制AOB和NOB的数量与活性平衡, 在硝化过程中实现亚硝酸盐的稳定积累.高通量微生物测序结果表明, 优势微生物Nitrosomomos的高度富集度, 也进一步解释系统具有良好的氨氧化性能和亚硝酸盐积累率.缩短HRT, Nitrosomomos丰度提高3%左右, 与系统脱氮性能提升结果吻合.尽管维持容积负荷不变, HRT从4 h到1 h, AOB绝对优势不变, 微生物门类一致, 但微生物种类和丰度发生变化, 有利于颗粒污泥中微生物的自平衡, 提升污泥自适应性能.

图 7 不同HRT时CSTR中微生物群落组成(属)相对丰度

  3 结论

  (1) HRT从4 h缩短至1 h, CSTR中颗粒污泥粒径分布发生显著变化.随着HRT缩短, 粒径 < 0.3 mm和粒径>1.6 mm颗粒的质量分数分别由17%和75%逐渐下降至5%和36%, HRT为1 h时, 粒径为0.3~0.8 mm颗粒占比约达50%.

  (2) 缩短HRT, CSRT中亚硝化颗粒污泥性能稳定, 亚硝酸盐累积率稳定在85%以上, HRT缩短至1 h, 氨氮的去除率提高到99%.整个运行过程中, 颗粒结构更加密实, 无颗粒解体现象, MLSS由5.2g·L-1上升至15g·L-1.

  (3) 粒径 < 0.8 mm的颗粒, 氨氮比降解速率和亚硝酸盐比生成速率、硝酸盐比生成速率均高于粒径>0.8 mm的颗粒污泥.缩短HRT有利于大颗粒功能微生物活性提升, 在较长的HRT条件下, 粒径 < 0.8 mm的颗粒污泥活性更高.

  (4) 系统中变形菌门(Proteobacteria)占绝对优势, 亚硝化单胞菌属(Nitrosomomas)为代表的AOB在系统污泥中富集度高达56%以上, 缩短HRT有利于AOB的富集.(来源:环境科学 作者:王建芳)

相关推荐
技术工艺案例
网站地图 lt088乐通娱乐平台 新櫈娱乐手机下载 yzc579亚洲城官网
申博娱乐太阳成怎么登入 申博娱乐网址 手机版百乐家 申博官网注册主页
9亿娱乐官网登入 彩票巴巴台湾宾果 中华彩票韩式1.5分彩 香港皇冠公司
申博开户6636 lt乐通娱乐官网 tbet88通博娱乐官网xz 优优娱乐社区
新櫈娱乐官方网 通博娱乐游戏官网 新櫈娱乐导航 lt乐通娱乐官网
538PT.COM bq138.com 651SUN.COM 8AKSS.COM 898sj.com
206SUN.COM 387PT.COM 157cw.com 787sunbet.com 451xx.com
5888DZ.COM 555xsb.com 616jbs.com 444BBIN.COM 198XTD.COM
304sun.com 758sj.com 989sunbet.com 761sun.com 97XTD.COM