2021, Vol. 42
2. 陕西省环境工程重点实验室, 西安 710055;
3. 陕西省膜分离技术研究院, 陕西省膜分离重点实验室, 西安 710055;
4. 陕西省现代建筑设计研究院, 西安 710024
, ZHU Chuan-shou1,2,3 , ZHANG Xu-yang1,2,3 , XU Chao1,2,3 , PAN Yong-bao4 , LIU Shuang4 , CUI Shuang-ke4 , WANG Lei1,2,3
2. Shaanxi Key Laboratory of Environmental Engineering, Xi'an 710055, China;
3. Key Laboratory of Membrane Seperation of Shaanxi Province, Research Institute of Membrane Seperation Technology of Shaanxi Province, Xi'an 710055, China;
4. Shaanxi Modern Architecture Design & Research Institute, Xi'an 710024, China
污泥膨胀是活性污泥系统常见的运行问题之一, 不仅导致污泥流失, 影响水处理效果, 还影响剩余污泥处理, 严重时使整个处理系统瘫痪[1~4].
投加次氯酸钠等氧化剂能有效消除污泥膨胀[5, 6], 同样具有氧化作用且不产生二次污染的臭氧对污泥沉降性能的影响备受关注[7, 8].Nilsson等[9]对污水厂回流污泥投加臭氧时发现, 不仅可消除污泥膨胀, 还能降低污泥沉降指数(sludge volume index, SVI); 刘振超等[10]的研究发现, 低温条件下臭氧能抑制丝状菌生长, 改善污泥的絮体结构.但臭氧改善污泥沉降性能的机制尚不清楚, 且对系统处理效果的影响有待进一步研究.
本研究接种膨胀期污泥, 采用SBR反应器分析了臭氧投量对污泥沉降性能及脱氮除磷效果的影响, 并探索了相关机制, 旨在为臭氧改善污泥沉降性能的工程应用提供理论依据.
1 材料与方法 1.1 试验装置和设备采用SBR反应器, 有效容积3 L, 排水比0.33.每天运行4周期, 单周期6 h, 具体为：进水5 min, 搅拌300 min, 曝气搅拌120 min, 沉淀50 min, 排水5 min.采用微孔曝气并磁力搅拌.室温条件运行, 水温为12~23℃.
1.2 污泥来源和试验用水种泥取自西安市某污水处理厂, 为冬季膨胀期污泥.接种后反应器中初始污泥浓度为4 500 mg·L-1左右, 泥龄控制为15 d左右.
试验用水人工配制, 由乙酸钠、氯化铵、磷酸二氢钾、碳酸氢钠和微量元素组成.进水COD为400~450 mg·L-1, 氨氮为40~50 mg·L-1, 总磷(TP)为6~8 mg·L-1.另外, 微量元素按文献[11]配制, 投加量为1 mL·L-1.
1.3 试验方案每天投加臭氧1次, 沉淀初始3 min内将臭氧发生器(型号HW-XS-3G)接入微孔曝气头, 持续通入60 s, 通过流量计控制臭氧投加量(以O3/MLSS计, 下同)分别为0.085、0.17和0.34 g·g-1.尾气用碘化钾溶液吸收, 不同投加量连续运行60 d.
1.4 分析方法常规指标按标准方法[12]测定：COD采用重铬酸钾法; 总磷采用过硫酸钾-钼锑抗分光光度法; 氨氮采用纳氏试剂分光光度法; VSS采用马弗炉燃烧减重法.
采用热处理法提取胞外聚合物(extracellular polymeric substances, EPS)[13]：多糖(polysaccharides, PS)采用蒽酮比色法测定, 蛋白质(protein, PN)采用福林酚比色法测定.利用尼康50i显微镜对污泥形态进行镜检.
2 结果与讨论 2.1 臭氧投量对SBR系统污泥沉降性能的改善接种污泥的SVI为280 mL·g-1, 为膨胀期污泥, 本文研究了不同臭氧投加量对系统SVI和污泥浓度的影响, 结果见图 1.
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图 1 SVI和MLSS随臭氧投加量的变化规律 Fig. 1 Variation in SVI and MLSS with ozone dosage |
由图 1可见, 臭氧投加(0.085 g·g-1)3 d后, SVI开始迅速下降, 到第20 d时降至125 mL·g-1, 消除了污泥膨胀.之后, 稳定在110~130 mL·g-1.
当臭氧投量升至0.17 g·g-1时, 初始20 d内(第60~80 d)SVI继续降至75 mL·g-1, 之后稳定在80 mL·g-1左右.当臭氧进一步升至0.34 g·g-1(第120 d后)时, SVI反而开始升高, 污泥沉降性能开始变差, SVI最大值为210 mL·g-1.
投加臭氧后, 部分微生物被杀死并洗选出反应器, 导致污泥浓度有所降低, 当投量为0.085和0.17g·g-1时, 基本稳定在2 500~3 000 mg·L-1; 当进一步加大投量后, 污泥浓度继续降至2 000 mg·L-1左右, 因为过量投加氧化剂会进一步杀死菌胶团细菌导致污泥减量[14~16].
综上, 低浓度臭氧投加可迅速消除污泥膨胀现象, 投加量增大后, 反而会使SVI升高.
2.2 臭氧改善污泥沉降性能的机制 2.2.1 臭氧投加对污泥形态的影响图 2显示了臭氧投加前后的污泥形态.
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图 2 投加臭氧对污泥形态的影响 Fig. 2 Effect of ozone on sludge morphology |
从图 2中可见, 接种污泥结构疏松[图 2(a)], 丝状菌含量多, 菌丝长, 相互缠绕.投加臭氧20 d后[图 2(b)], 丝状菌的菌丝变短, 相互不再缠绕, 因为与絮体污泥相比, 氧化剂更易作用于形态较长的菌丝体[17], 因而打断菌丝能消除污泥膨胀, 使絮体结构紧实[18].
2.2.2 臭氧投加对EPS的影响EPS在一定程度上影响着污泥的沉降性能, 对不同臭氧投加阶段的EPS、PS和PN进行测定, 结果见图 3.
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图 3 投加臭氧后EPS及各组分的变化关系 Fig. 3 Variation of the EPS and its components after ozone dosage |
由图 3可知, EPS随时间呈先降后升的趋势, 与SVI变化一致.臭氧投量较低(0.085 g·g-1和0.17 g·g-1)时, EPS、PS和PN的含量(分别以EPS/VSS、PS/VSS和PN/VSS计, 下同)均随时间呈降低趋势, 分别由125、75和50 mg·g-1左右降至88、48和40 mg·g-1.当进一步提高臭氧投量至0.34 g·g-1时, 三者反而分别升至127、74和53 mg·g-1.
为了进一步探索EPS与污泥沉降性能间的相关关系, 分别将EPS、PS/PN与SVI之间的数据进行处理, 结果如图 4所示.
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图 4 SVI与EPS及PS/PN之间的相关性 Fig. 4 Correlation between SVI, EPS, and PS/PN |
由图 4(a)可知, EPS总量与SVI值变化呈正相关关系, R2为0.743 2, 即EPS含量越高污泥沉降性能越差.因为EPS与菌胶团结合较疏松, 其总量增加导致活性污泥变得松散[19, 20].同时, EPS内部的密实凝胶结构会截留大量水分[20~22], 降低了污泥与水之间的密度差, 从而增加污泥沉降的难度.
由图 4(b)可知, PS/PN值与SVI值也呈正相关关系, 相关系数高达0.938 1, 可用于表征污泥的沉降性能.由于PN多以疏水键为主, 而PS多以亲水基团为主[21~23], 因此, PS/PN值越大, 亲水性基团越多, 污泥沉降性能越差.据拟合结果, 当比值大于1.4时, SVI将大于180 mL·g-1.
综上, 除打断菌丝体外, 臭氧影响着EPS的含量及其组成, 低投量条件下, EPS含量及PS/PN值的降低是污泥沉降性能改善的原因; 高投加量后, EPS及PS占比的升高导致污泥沉降性能恶化.
2.3 臭氧投量对SBR系统脱氮除磷性能的影响不同臭氧投量对SBR系统COD、氨氮和总磷去除性能的影响见图 5.
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图 5 臭氧投量对SBR系统处理效果的影响 Fig. 5 Effect of ozone dosage on SBR pollutants removal performance |
由图 5可知, 不同投量条件下, 出水COD浓度均维持在20~50 mg·L-1之间, 去除率均高于90%.投加臭氧初始20 d内, 出水氨氮浓度略有上升, 之后, 稳定在3 mg·L-1以下, 去除率在95%以上.故臭氧投加对除碳和硝化的效果影响不大.
随着臭氧投量的升高, 总磷的去除率呈下降的趋势：0.085 g·g-1时, 出水总磷在0.5 mg·L-1以下, 去除率大于92%; 0.17 g·g-1时, 去除率降至75%~92%; 进一步升至0.34 g·g-1时, 除磷率大幅降至60%.
臭氧会优先作用于丝状菌, 膨胀现象消除后, 进一步杀死菌胶团细菌, 杀死的微生物含有磷, 并以SS的形式流出反应器, 导致污泥浓度不断降低(见图 1), 并使出水总磷浓度上升, 除磷效率大幅下降.而本系统氨氮负荷仅为0.03kg·(kg·d)-1, 即本系统对硝化要求较低, 因此, 臭氧氧化对少量硝化菌的抑制尚未影响到硝化效果.
投加次氯酸钠等氧化剂也能有效消除污泥膨胀[5, 6, 17, 24], 且该方法相对简单, 配制一定浓度药剂加至生物池或沉淀池即可, 但会产生消毒副产物等新污染物[25].臭氧投加需要新增制臭氧设备并投加至回流污泥管道, 该方法虽相对复杂, 但不会引入新污染物, 在水环境保护日趋严格的背景下, 提供了一种可选择的方法.
3 结论(1) 低浓度投加臭氧可在较短时间内消除污泥膨胀, 且不影响除碳、硝化与除磷的效果; 高浓度臭氧会杀灭更多菌胶团细菌, 并以SS形式流出反应器, 导致除磷效率大幅下降.
(2) 投加臭氧除能打断菌丝体消除污泥膨胀外, 还通过改变EPS含量及组分进而影响着污泥的沉降性能, 低浓度臭氧降低了EPS含量以及亲水性基团为主的PS占比, 从而改善了污泥的沉降性能.
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