研究论文低溶解氧丝状菌污泥微膨胀在犛犅犚中的可行性.pdf

书书书 第 卷 第 期 化 工 学 报 年 月 檭檭檭檭檭 檭檭 檭檭檭檭檭 檭檭 殐 殐 殐 殐 研究论文低溶解氧丝状菌污泥微膨胀在犛 犅 犚中的可行性 彭赵旭 彭永臻 桂丽娟 刘旭亮 薛 清 哈尔滨工业大学市政环境工程学院 黑龙江 哈尔滨 北京工业大学环境与能源学院 北京 摘要 为了考察污泥微膨胀低能耗方法在间歇序批式 反应器中应用的可行性 采用实际生活污水进行 试验 研究了污泥膨胀的启动 过度膨胀的抑制以及微膨胀的维持方法 结果表明 在 温度 时 连续进水和单纯设置好氧段可以快速启动低氧丝状菌污泥膨胀 减少好氧时间和设置前置缺 厌 氧段可以有效地抑制丝状菌繁殖 微膨胀启动成功后 根据反应条件及处理要求的改变及时调整 运行 方式 可将系统稳定地维持在微膨胀状态 低氧微膨胀状态下处理实际生活污水 出水氨氮浓度 磷浓度和悬 浮物浓度 可分别控制在 和 以下 每周期中联合利用 等 在线参数可以实时了解系统生化反应的进程 关键词 低溶解氧 工艺 污泥微膨胀 脱氮除磷 中图分类号 文献标识码 文章编号 犉 犲 犪 狊 犻 犫 犻 犾 犻 狋 狔狊 狋 狌 犱 狔狅 狀犾 犻 犿 犻 狋 犲 犱犫 狌 犾 犽 犻 狀 犵狅 犳 狊 犾 狌 犱 犵 犲犮 狅 狀 狋 犪 犻 狀 犻 狀 犵 犳 犻 犾 犪 犿 犲 狀 狋 狅 狌 狊犫 犪 犮 狋 犲 狉 犻 犪狑 犻 狋 犺犾 狅 狑犱 犻 狊 狊 狅 犾 狏 犲 犱狅 狓 狔 犵 犲 狀犻 狀犛 犅 犚 犘 犈 犖 犌犣 犺 犪 狅 狓 狌 犘 犈 犖 犌犢 狅 狀 犵 狕 犺 犲 狀 犌 犝 犐犔 犻 犼 狌 犪 狀 犔 犐 犝犡 狌 犾 犻 犪 狀 犵 犡 犝 犈犙 犻 狀 犵 犛 犮 犺 狅 狅 犾 狅 犳犕 狌 狀 犻 犮 犻 狆 犪 犾犪 狀 犱犈 狀 狏 犻 狉 狅 狀 犿 犲 狀 狋 犪 犾犈 狀 犵 犻 狀 犲 犲 狉 犻 狀 犵 犎 犪 狉 犫 犻 狀犐 狀 狊 狋 犻 狋 狌 狋 犲狅 犳犜 犲 犮 犺 狀 狅 犾 狅 犵 狔 犎 犪 狉 犫 犻 狀 犎 犲 犻 犾 狅 狀 犵 犼 犻 犪 狀 犵 犆 犺 犻 狀 犪 犆 狅 犾 犾 犲 犵 犲 狅 犳犈 狀 狏 犻 狉 狅 狀 犿 犲 狀 狋犪 狀 犱犈 狀 犲 狉 犵 狔犈 狀 犵 犻 狀 犲 犲 狉 犻 狀 犵 犅 犲 犻 犼 犻 狀 犵 犐 狀 狊 狋 犻 狋 狌 狋 犲 狅 犳犜 犲 犮 犺 狀 狅 犾 狅 犵 狔 犅 犲 犻 犼 犻 狀 犵 犆 犺 犻 狀 犪 犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋 犓 犲 狔狑 狅 狉 犱 狊 收到初稿 收到修改稿 联系人 彭永臻 第一作者 彭赵旭 男 博士研 究生 基金项 目 新 加 坡 环 境 与 水 工 业 协 会 创 新 发 展 项 目 城市水资源与水环境国家重点实验室 开放基 金项目 犚 犲 犮 犲 犻 狏 犲 犱犱 犪 狋 犲 犆 狅 狉 狉 犲 狊 狆 狅 狀 犱 犻 狀 犵 犪 狌 狋 犺 狅 狉 犉 狅 狌 狀 犱 犪 狋 犻 狅 狀犻 狋 犲 犿 引 言 活性污泥法是当前我国污水处理厂所普遍采用 的方法 其构造简单 运行管理方便 但是一直饱 受污泥膨胀的困扰 迄今为止 国内外关于污泥膨 胀的研究多集中于控制 预防及其产生机理上 本课题组在长期研究污泥膨胀预防与控制的过程 中 发现由低溶解氧引发的丝状菌污泥膨胀 并没 有导致污泥流失 而且在改善出水水质的同时还节 省大量曝气能耗 本文称其为低溶解氧丝状菌污泥 微膨胀 目前关于微膨胀的研究正处于起步阶 段 尚需要大量试验的验证 王淑莹等 用缺氧 好氧工艺 处理实际生活污水 发现溶解氧 浓度控制在 微膨胀可长期维 持稳定 郭建华等 在 反应器中成功验证了低 氧微膨胀节能理论与方法 彭赵旭等 则实现了低 氧微 膨 胀 和 短 程 硝 化 的 耦 合 污 泥 膨 胀 发 生 突 然 危害极大 尤其在连续流系统中 会造成污 泥短期内大量流失 但是间歇式系统因其高初始底 物浓度 具有抑制污泥膨胀的先天优势 并且操作 灵活 可根据沉降性的需要采用不同的运行方式 若能启动微膨胀会是应用低氧微膨胀的理想反应 器 本试验拟通过在 中采用实际生活污水为 处理对象 来验证低溶解氧污泥微膨胀节能方法 的可行 性 旨 在 为 该 方 法 的 广 泛 应 用 提 供 试 验 基础 材料与方法 试验用水来源和水质 为了使所得结果能更好地指导实际生产 采用 实际生活污水进行试验 生活污水取自哈尔滨工业 大学二校区家属区 不加任何化学药剂调节水质 具体组分详见表 每天打来的污水先贮存到水箱 内 之后再用蠕动泵打入反应器 每天清理贮水 箱 以防止微生物的生长 试验装置和方法 试验装置见图 反应器由有机玻璃制 成 上 部 为 圆 柱 形 下 部 为 圆 锥 体 高 为 直径为 总有效容积为 在反 应器壁的垂直方向设置一排间隔为 的取样 口 用于取样和排水 底部设有放空管 用于放空 和排泥 以曝气砂头作为微孔曝气器 由转子流量 计调节曝气量 每周期由进水 搅拌 曝气 沉 表 废水水质 犜 犪 犫 犾 犲 犠 犪 狋 犲 狉狇 狌 犪 犾 犻 狋 狔狅 犳狑 犪 狊 狋 犲 狑 犪 狋 犲 狉 淀 排水和闲置几部分组成 各部分时间依反应阶 段而定 每周期曝气末段排放一定体积的泥水混 合液 以维持混合液悬浮固体浓度 的稳 定 活性污泥取自哈尔滨文昌污水处理厂 工 艺 的曝气池 污泥容积指数 在 左右 具有良好的脱氮除碳能力 接种到 反应器后开始试验 试验共分 个阶段 分别为污 泥微膨胀的启动 过度膨胀的抑制以及污泥微膨胀 的维持 具体运行方式详见表 图 试验装置 检测分析项目 和 等均采用国家标 准方法测定 水样经过孔径 滤纸过滤 后迅速放到 冰箱内保存 并在 内测定 污 泥絮体结构用 显微镜观察 和 温 度 用 溶 解 氧 仪 在 线 检测 第 期 彭赵旭等 低溶解氧丝状菌污泥微膨胀在 中的可行性 表 不同试验阶段的运行模式 犜 犪 犫 犾 犲 犗 狆 犲 狉 犪 狋 犻 狅 狀犿 狅 犱 犲 犾 狌 狀 犱 犲 狉犱 犻 犳 犳 犲 狉 犲 狀 狋 犲 狓 狆 犲 狉 犻 犿 犲 狀 狋 犪 犾 狊 狋 犪 犵 犲 狊 结果与讨论 试验过程中污泥沉降性的调控 污泥膨胀的启动 间歇式系统具有初始底 物浓度高 反应过程中底物浓度梯度变化明显等抑 制污泥膨胀的先天优势 实际工程中常当作选择器 使用 传统理论认为 低溶解氧 低负荷 等 都易引起污泥膨胀 另外 絮状菌在高底物浓度下 相对丝状菌具有更强的底物贮存能力 在低底物浓 度条件下 污泥絮体容易长成中空状或丝状 绝 大 多 数 丝 状 菌 都 是 好 氧 菌 例 如 常 见 的 犕 狆 犪 狉 狏 犻 犮 犲 犾 犾 犪 综合考虑以上因素 在膨胀启 动阶段制定了连续进水 完全好氧的运行策略 尽 最大可能地创造适合丝状菌生长的条件 以实现膨 胀的短期启动 运行结果如图 所示 按照上述方 法运行后 接种污泥的沉降性立刻呈现恶化趋势 污泥容积指数 逐渐上升 在第 周期左 右 从 骤增到 之 后上升速率又趋于平稳 有趣的是 发现沉降性在 恶化过程中存在突越现象 犪点所示 这正是实 际工程中污泥膨胀发生突然的原因所在 等 指出污泥絮体中丝状菌含量和 并不存在 线性关系 本试验也验证了这一点 发现 突 跃值在 一般将 定义为 污泥膨胀的发生值 在实际运行中当 达到这 个数值时就应该引起注意了 否则再继续上升就容 易出现突然恶化 导致污泥大量流失 从这里可见 将 定义为污泥膨胀发生的临界值是比 较科学的 在膨胀启动阶段后期 仍然按照原有方 式运行 污泥沉降性继续恶化 呈现出过度膨胀趋 势 第 周期时 已经接近 此 时若不采取控制措施 系统将因污泥沉降速度过慢 而影响日常运行 因此需要对污泥沉降性的恶化进 行抑制 过度膨胀的抑制 抑制污泥膨胀主要有药 剂法和工艺法两大类 药剂法见效快 但是成本较 图 试验过程中沉降性的变化 高 投药量掌握不当还会影响污泥活性 并且停止 投药后膨胀容易复发 工艺法虽然见效较慢 却可以创造不合适丝状菌的生长环境 从而在本质 上抑制其生长 选择器作为工艺法的一种常见表现 形式 是目前工程上抑制污泥膨胀的有效方法 而 本身就是常用的选择器 因此为抑制膨胀提 供了合适条件 广泛使用的缺 厌 氧选择器抑制 膨胀的主要原理是通过接触时间等参数的设置让可 生物降解 在前置非曝气段被大量贮存或降 解 从而减少后续曝气过程中丝状菌生长的底物来 源 根据以上分析 第 周期开始每周期进水 阶段的 内取消限制曝气 单纯搅拌 表 所 示 进入膨胀抑制阶段 图 所示 按照上述方 式运行后 沉降性恶化趋势立刻得到抑制 但是并 没有出现好转 仍然在 左右的水 平上下浮动 这主要有两方面原因 一是进水阶段 原水中大量可生物降解 都被用于反硝化和释 磷过程 进水 平均 缺氧末 降到 而好氧末出水 在 减少了后续好氧阶段丝状菌 生长的底物来源 二是每周期好氧时间减少 丝状 菌生长受到抑制 但是污泥絮体中微生物组成的变 化是一个缓慢的过程 理论上认为要完成系统中菌 化 工 学 报 第 卷 种的完全更替至少需要一个污泥龄 的时 间 本试验每天运行 周期 一个 共 运行 周期 从第 周期抑制膨胀开始 到第 周期左右沉降性出现好转 中间经历了大约一 个 的时间 这段时间内虽然污泥沉降性表观上 没有明显改善 但是污泥内部却在不断地进行着菌种 的竞争 丝状菌在和絮状菌的竞争中逐渐失去优势 贮存选择理论认为 在底物丰富的状态下非丝 状菌微生物具有更强的贮存底物能力 而被贮存物 质在底物匮乏时又能够被代谢产生能量或者合成蛋 白质 从而使非丝状菌在高度动态的系统中具有选 择优势 为了加强贮存选择作用 第 周期开始 采用瞬时进水 之后搅拌 再进入好氧阶 段 采用瞬时进水方式后 在原水水质基本稳定的 情况下 混合液悬浮固体浓度 骤然升高 图 所示 经过 个周期的运行后 在 左右达到稳定 的增高主要是强化 贮存作用刺激了微生物自身生长所致 絮体更 加密实 污泥沉降性趋于好转 污泥微膨胀的维持 不论是否发生丝状菌 污泥膨胀 活性污泥中都含有一定数量的丝状菌 丝状菌形成活性污泥絮体的骨架 菌胶团细菌等微 生物产生多聚糖附着在上面 形成了凝胶基质架 胶体物质和其他微生物附着在其上 菌胶团细菌和 丝状菌之间有一个合适的比例关系 活性污泥中适 当数量的丝状菌对于维持污泥的絮体结构是非常重 要的 本试验污泥沉降性好转以后 长期 稳定在 是典型的污泥微膨胀 状态 镜检发现此时污泥絮体厚实 丝状菌与菌胶 团细菌比例适中 图 所示 由于丝状菌比表面 积大 其伸长的菌丝在沉降过程中对水中细小悬浮 物具有网捕卷扫作用 致使沉后水十分清澈 出水 悬浮物浓度 稳定在 以下 事实 上 掌握了污泥膨胀的启动 降低初始底物浓度 降低好氧阶段 浓度 增加好氧时间等 和抑制 方法 设置前置缺氧段 缩短好氧时间 强化贮存 作用等 也就掌握了污泥微膨胀的维持方法 当活 性污泥处于低氧微膨胀状态时 应该针对进水水 质 环境条件变化对污泥沉降性的影响灵活地制定 出相应对策 改变系统运行方式 使其继续维持在 低溶解氧微膨胀状态 试验过程中系统的脱氮除磷表现 接种污泥具有良好的脱氮除磷特性 在膨胀启 图 污泥微膨胀状态下的微生物相 动过程中 虽然进水氨氮浓度在 之间波动 但是系统脱氮效果稳定 出水氨氮浓度 一直在 以下 图 所示 但是磷的 处理效果则不太理想 初始还能做到有效去除 周期以后开始出现除磷不干净的现象 出水磷浓度 从开始的 以下逐渐上升到第 周期 的 与进水磷浓度相当 除磷能力彻底 丧失 细致考察该段时间内每周期水中的磷浓度变 化发现 活性污泥基本没有释磷过程 导致后续吸 磷能力降低 每周期去除的磷几乎只来自微生物的 同化作用 在膨胀抑制阶段 进水期间不再限制曝 气 单纯搅拌 此举强化了释磷过程 缺 厌 氧 释磷量从第 周期的 逐渐上升到第 周期的 同 时 出 水 磷 从 下降到 恢复到初始水平 由于好氧时间从 降低至 硝化过程受 到一些影响 出水氨氮浓度较启动阶段有小幅上 升 但是仍然稳定在 以下 在微膨胀 维持阶段 采用瞬时进水方式 初始有机底物浓度 很高 此举强化了贮存作用 却对自养型的硝化细 菌生长不利 系统出水氨氮浓度进一步上升 在 波动 该阶段虽然前置缺 厌 氧段的释磷量较连续进水时期有所下降 但是在后 续好氧段仍然能够充分地吸收 出水磷浓度一直维 持在 以下 在污泥保持低溶解氧微膨胀状态期间 沉降性 稳定 出水水质良好 典型周期内污染物变化情况 如图 所示 在 缺 厌 氧 段 聚 磷 菌 分解体内的聚磷酸盐 以 形式释放到水 中 吸收乙酸合成聚 羟基丁酸盐 第 期 彭赵旭等 低溶解氧丝状菌污泥微膨胀在 中的可行性 图 试验过程中系统脱氮除磷表现 下降 好氧段初期 缺氧段被吸附的有机物又 吹脱 入 水 中 小 幅 升 高 此 时 分 解 为吸磷过程提供能量 随着 降低 硝 化速率逐渐加快 氨氮浓度降低 硝态氮浓度升 高 由于不是短程硝化 没有出现亚硝态氮的积 累 硝化过程消耗碱度 降低 本试验好氧阶 段 浓度低 硝化过程进行得不彻底 因此 曲线缓 慢 下降 后 没 有 出 现象征 硝 化 结 束 的 氨 谷 点 好氧段曝气量保持恒定 水中耗氧污染物 质随着微生物的代谢而逐渐减少 因此 缓慢升 高 由此可见 结合每周期中的 等在线 参数 能够实时了解系统生化反应的进程 本文研 究 了 低 氧 污 泥 微 膨 胀 低 能 耗 方 法 在 中的可行性及其稳定性 具有抑制丝状 菌生长的先天优势 可以有效防止因膨胀过度而发 生的跑泥现象 另外 反应器运行方式灵活多 变 控制反应进程能力强 可以根据外界环境条件 及处理目标的要求及时做出相应改变 从而将污泥 沉降性稳定维持在低氧微膨胀范围内 需要注意的 是 污泥微膨胀启动之后需要及时改变运行方式对 沉降性进行控制 否则沉降性会继续恶化 为后期 抑制膨胀工作带来困难 由此可见 不但可 以实现稳定的污泥微膨胀 而且还是应用该方法的 理想反应器 结 论 在 中可以利用连续进水 单纯设置 好氧段的运行方式快速启动低氧丝状菌污泥微膨 胀 设置前置缺 厌 氧段和减少好氧时间可以有 图 污泥微膨胀状态下典型周期内氮磷及 在线参数变化情况 第 周期 效地抑制丝状菌过度繁殖 瞬时进水较连续进水可以强化污泥贮存作 用 使更多有机物用于微生物自身的合成 低氧微膨胀状态下处理实际生活污水 出 水水质良好 出水氨氮浓度可控制在 以下 出水磷浓度在 以下 沉后水 在 以下 每周期中利用 等在线参数可以 实时了解系统的生化反应进程 犚 犲 犳 犲 狉 犲 狀 犮 犲 狊 犲 狋 犪 犾 犠 犪 狋 犲 狉 犚 犲 狊 犲 犪 狉 犮 犺 犅 犻 狅 狉 犲 狊 狅 狌 狉 犮 犲犜 犲 犮 犺 狀 狅 犾 狅 犵 狔 犲 狋 犪 犾 犠 狅 狉 犾 犱犑 犕 犻 犮 狉 狅 犫 犻 狅 犾 犅 犻 狅 狋 犲 犮 犺 狀 狅 犾 彭永臻 郭建华 王 淑 莹 陈 滢 犈 狀 狏 犻 狉 狅 狀 犿 犲 狀 狋 犪 犾犛 犮 犻 犲 狀 犮 犲 环 境 科 学 王淑莹 白璐 宋乾武 邓彦君 王 之 晖 张 癑 狏 犻 犪 犑 狅 狌 狉 狀 犪 犾 狅 犳犅 犲 犻 犼 犻 狀 犵犝 狀 犻 狏