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          技術支持
          好氧顆粒污泥處理高鹽榨菜廢水除污特性研究
          日期:2015/12/14 15:15:20 人氣:1780
              含鹽廢水因其鹽度會對微生物生長產生抑制作用而成為目前較難處理的工業廢水之一[1]。目前國內外學者采用SBR、生物接觸氧化、物化生化組合等多種不同的處理工藝研究了含鹽廢水生物處理效能,并得出了一系列含鹽廢水生化處理系統的關鍵參數[1, 2],但這些工藝均存在鹽度對活性污泥微生物生態抑制、污泥沉降性能低、鹽度變化對系統穩定性的影響顯著等問題,總體處理效能較低。總體而言,聚集態微生物較分散態微生物對高濃度NaCl的耐受力高,也就是說生物膜處理工藝較適合處理高鹽高濃度廢水[3]。而好氧顆粒污泥是在好氧條件下微生物自發形成的細胞自身固定化過程,它是一種特殊的生物膜,具有良好的沉降性能,可減少反應器容積及占地面積,在間歇反應器中使用可以縮短運行周期,提高反應器的處理效率;具有較高的生物量,可以承受高有機負荷和沖擊負荷;集不同性質微生物(好氧、兼氧和厭氧微生物)于一體,具有多種代謝形式,是實現廢水中生物營養物質一體化處理的理想主體[4, 5, 6]。同時含鹽有機廢水會產生較大的浮力導致污泥上浮和流失,而這一點恰恰是好氧顆粒污泥形成的基本條件[5],因此好氧顆粒污泥特別適合處理高鹽高濃度的工業廢水,并開始得到了一些應用,表現出較好的穩定性以及較高的處理效能[7, 8, 9]。但上述研究基本采用實驗室模擬配水,水質成分比較單一,并且相對于高鹽榨菜廢水而言,其有機物和氮磷濃度均較低。而目前并未見利用好氧顆粒污泥處理像榨菜廢水這類高鹽高氮磷高濃度有機廢水的相關報道。本試驗擬在SBR反應器中接種本實驗室培養成功的高鹽好氧顆粒污泥[10]處理榨菜工業園區產生的實際含鹽榨菜廢水(鹽度3%,NaCl計,下同),考察其對污染物的去除特性,以期為顆粒污泥處理高鹽榨菜廢水的工程應用提供技術支撐。
              1  材料與方法 
            1.1 試驗水質及接種好氧顆粒污泥
            試驗用水取自重慶涪陵某榨菜廠的腌制廢液(鹽度15%),經稀釋后得到高鹽廢水,平均鹽度為3%,COD、NH4+-N、TN、PO43--P平均質量濃度分別為4500、95、160、35mg/L,屬于典型的高鹽高氮磷高有機物廢水。接種的好氧顆粒污泥為本實驗室在3%鹽脅迫濃度下以葡萄糖為唯一碳源,人工配水成功培養出并穩定運行8周后的成熟顆粒污泥,污泥顆粒大小不一,平均粒徑為1.3mm,SVI為51.3mL/g,最小沉降速度4.3m/h。
            1.2 試驗裝置
            試驗采用4個完全相同PVC制成的SBR反應器,反應器內徑為4.8cm,有效高度為105cm,有效容積為1.9L,容積交換率根據進水負荷要求確定。反應器底部設置曝氣砂頭,由空氣壓縮機供氣,曝氣量根據不同試驗階段所需的溶解氧大小來控制。反應器運行周期為12h,其中進水2min、沉淀 5min、排水3min,剩余時間進行曝氣。通過加熱棒將反應器內的溫度控制在(25±1)℃。
            1.3 試驗方法
            首先對接種的好氧顆粒污泥用高鹽榨菜廢水進行適應性馴化,待反應器對COD去除率穩定達到90%以上后,進行正式試驗。試驗分兩階段進行,第一階段通過平行試驗考察有機負荷(以COD計)對反應器除污特性的影響,即在反應器DO為6.0mg/L條件下控制4個反應器的容積交換率分別為0.4、0.5、0.6、0.7,對應有機負荷為3.6、4.5、5.4、6.3kg/(m3·d);在第一階段確定的最佳有機負荷條件下,采用平行試驗方法考察DO分別為5.0、6.0、7.0、8.0mg/L時反應器的除污效能。試驗期間,測試COD、NH4+-N、TN、PO43--P等指標。
            1.4 分析方法
            COD采用重鉻酸鉀完全氧化-差減法[11],DO采用HACHHQ30D溶解氧測定儀測定,其他指標均按標準方法測定。
              2  結果與分析
            2.1有機負荷對反應器除污特性的影響
            不同有機負荷條件下,好氧顆粒污泥對高鹽榨菜廢水的處理效能如圖1所示。


                            圖1 有機負荷對好氧顆粒污泥除污特性的影響
            由圖1可知,有機負荷對好氧顆粒污泥系統除污特性的影響顯著,當有機負荷為5.4kg/(m3·d)時,好氧顆粒污泥對高鹽榨菜廢水的除污效能達到最高,COD、NH4+-N、TN、PO43--P平均去除率分別為97.4%、80.9%、41.0%、73.8%。
            圖1(a)結果表明,顆粒污泥系統對COD的去除效果隨有機負荷的增加而增加,去除率從93.2%增加至97.4%。分析認為:隨著有機負荷的增加,顆粒污泥中的微生物快速生長繁殖,使顆粒粒徑不斷增加;同時較高的有機負荷也有助于克服傳質阻力,從而表現為顆粒污泥對有機物的降解速率隨之增加。但是,當有機負荷過高時,因微生物增長速率過高而導致粒徑增長過大,底物傳質受到影響,顆粒內核開始分解,引起顆粒密度和機械強度降低;同時,在DO濃度不變的條件下,因顆粒粒徑過大,導致顆粒內部出現厭氧區域產生氣體,最終導致顆粒發生解體,從而表現為當有機負荷從5.4kg/(m3·d)增加至6.3kg/(m3·d)時,COD去除率反而有所降低。
            圖1(b)、(c)結果表明,在一定范圍內,脫氮效果隨有機負荷的增加而增大,這與傳統的自養硝化菌脫氮理論不符。同時,結合反應器對COD、NH4+-N和TN的去除效果的總體變化趨勢可知,硝化菌并不能從氨氮氧化過程中獲得能量,主要還是從對有機物的同化作用來合成細菌、獲得能量和攝取營養。由此,可推斷本系統的脫氮作用主要由異養硝化菌完成,即異養硝化菌直接利用有機碳源合成生命體并進行異養硝化。隨著有機負荷的提高,異養硝化菌在有機碳源充足的條件下不斷合成生命體,并在氨單加氧酶(AMO)[12]作用下不斷對氨氮進行氧化,異養硝化作用得到加強,從而表現為反應器的脫氮效能不斷提高;同樣有機負荷過高時,由于顆粒發生解體,異養硝化菌不斷洗脫出反應器,而導致脫氮效能有所降低。總體來說,反應器對TN的去除率相對較低,最高僅達41%,而出水并未出現硝酸鹽的大量積累。分析認為,完整的異養硝化過程包括[13]:氨氮→羥胺→亞硝氮→硝氮。這一過程可由兼具反硝化作用的異養硝化菌完成,在好氧條件下,將中間產物羥胺在羥胺氧化還原酶(HAO)作用下氧化成亞硝酸鹽[14]。而本系統異養硝化過程出現了亞硝化鹽的積累,從而導致反應器對TN的去除效果不佳。
            圖1(d)結果表明,PO43--P去除率變化趨勢基本與COD去除率一致。分析認為,反應器對磷的去除主要通過聚磷菌的作用完成。而聚磷菌對磷的吸收是一個耗能過程,需要消耗有機物來提供能量,所以有機負荷直接影響聚磷菌的吸磷效率;同時,進水有機負荷直接影響顆粒污泥結構,從而創造出適合聚磷菌生存的厭氧/好氧微觀環境,提高反應器的除磷效能。但有機負荷過高則會破壞顆粒污泥結構并造成解體,從而影響聚磷菌除磷所需的環境。
            2.2 DO對反應器除污特性的影響
            不同DO條件下,好氧顆粒污泥對高鹽榨菜廢水的處理效能如圖2所示。


                            圖2 DO對好氧顆粒污泥除污特性的影響 
            由圖2可知,DO對好氧顆粒污泥除污特性的影響顯著,當DO為7.0mg/L時,好氧顆粒污泥對高鹽榨菜廢水的除污效能達到最高,COD、NH4+-N、TN、PO43--P平均去除率分別為93.9%、79.2%、35.2%、69.5%。
            由圖2(a)可知,好氧顆粒污泥對COD的去除率隨DO的增加而升高,從92.7%增加至94.4%。分析認為,DO濃度較高時,顆粒污泥中的絲狀菌生長受到一定抑制;同時在高DO所提供的高水流剪切力下,顆粒表面的絲狀菌被剪切掉并洗脫出反應器,顆粒密度不斷增大,生物量不斷增加,從而表現為COD去除率隨DO濃度的增加而增大。
            由圖2(b)、(c)可知,反應器隨著DO質量濃度從5.0mg/L提高至7.0mg/L時,脫氮效果隨之增加,但當DO濃度繼續增加后,脫氮效果反而有所下降。試驗結果表明,DO對異養硝化和好氧反硝化具有較大的影響。過高的DO反而導致了反應器中亞硝酸鹽的積累,在DO質量濃度為7.0mg/L時,反應器對NH4+-N、TN的去除率達到最高,分別為79.2%、35.2%;DO濃度較之高或低,均會導致脫氮效果降低而發生亞硝酸鹽的積累。相關研究結果表明[12],O2在AMO和HAO處參與反應,并且與亞硝氮/硝氮協同呼吸。而不同菌種對DO的耐受能力也不同,本試驗最佳DO質量濃度為7.0mg/L,這與文獻[15]報道的異養硝化菌(Marinobacter sp.)最佳DO質量濃度為6.75mg/L這一結論比較一致。由此可見,DO濃度的變化將影響細菌體內AMO的表現,從而使異養硝化菌的代謝途徑發生改變[13]。因此,合理控制DO濃度,可以優化顆粒污泥脫氮效果。
            由圖2(d)可知,在完全好氧條件下,系統具有良好的除磷效能。當DO在5~8mg/L時,反應器并未按傳統生物除磷理論中要求的好氧與厭氧交替環境運行,但同樣能實現較好的除磷效果,磷酸鹽去除率可達60%~70%。分析認為,在完全好氧條件下,反應器中磷的去除得益于顆粒污泥的特殊結構,主要通過兩個階段實現。第一階段,在進水階段由于進水中較高的COD,有機物向顆粒內部擴散,為內部的聚磷菌提供碳源;另一方面,DO在顆粒污泥的梯度分布,形成內部厭氧區,為聚磷菌厭氧釋磷提供了條件。第二階段,隨著試驗的進行,有機物不斷得到降解,顆粒從外至內的生物活性降低,DO向顆粒內部擴散程度加強,顆粒內的好氧和兼氧區加大,為聚磷菌的好氧吸磷提供條件。因此,顆粒污泥對PO43--P的去除效果直接受顆粒內部形成的厭氧/好氧微環境的影響,而這體現在DO濃度水平上。當DO濃度過低時,好氧區域過小,影響了聚磷菌好氧吸磷效率,從而表現為PO43--P去除率僅為58.8%;同樣,當DO質量濃度從7.0mg/L增加至8.0mg/L時,顆粒內部形成的厭氧區域減小,而影響聚磷菌的厭氧釋磷效率,從而表現為磷酸鹽去除率從69.5%降低至63.3%。
            3  結論
            (1) 有機負荷對好氧顆粒污泥除污特性影響顯著,有機負荷過高或過低均會影響顆粒粒徑及結構,從而影響反應器對污染物的去除。在有機負荷為5.4kg/(m3·d)時,反應器的除污效能達到最高,COD、NH4+-N、TN、PO43--P去除率分別為97.4%、80.9%、41.0%、73.8%。顆粒污泥主要通過異養硝化途徑實現了生物脫氮,但因反應器內出現了亞硝酸鹽積累而導致TN去除率總體不高。
            (2) DO對好氧顆粒污泥的除污特性有顯著影響,DO的提高有助于對COD的去除,但過高或過低的DO則會導致亞硝酸鹽的積累和顆粒污泥微環境的分布,從而影響反應器對其他污染物的去除效果。本實驗中,當DO為7.0mg/L時,系統反應器的除污效能最佳,COD、NH4+-N、TN、PO43--P去除率分別為93.9%、79.2%、35.2%、69.5%。
              (來源:《工業水處理》2015年第11期,文章題目:好氧顆粒污泥處理高鹽榨菜廢水除污特性研究)


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