不同活性污泥中污泥質(zhì)量濃度對(duì)沉降性的影響

彭趙旭，彭永臻，2，于振波，劉旭亮，柴同志

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150090;2.北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源學(xué)院，北京100022)

活性污泥法二沉池中的污泥沉降性對(duì)于出水水質(zhì)起著至關(guān)重要的作用.目前對(duì)污泥沉降過(guò)程的研究多基于Dick提出的固體通量理論展開[1-2]，該理論認(rèn)為污泥的重力沉降速率由其質(zhì)量濃度決定.根據(jù)這個(gè)重要假設(shè)，學(xué)者們建立了冪函數(shù)模型、指數(shù)模型和Cho模型等沉降速率模型[3-4].后兩者由于分別能很好地描述污泥沉速與質(zhì)量濃度的關(guān)系，以及污泥批沉降曲線，因此得到了廣泛應(yīng)用.一般來(lái)說(shuō)，使用這些模型前需要先確定其中的參數(shù)，而污泥容積指數(shù)(SVI)由于易于測(cè)量而常被用來(lái)進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，并取得了很好的效果[5-6].但是SVI相關(guān)的測(cè)量方法很多(DSVI，USVI，SSVI)，并且受測(cè)量器具(高度，直徑等)和污泥質(zhì)量濃度等因素的影響非常明顯[7-9].考慮到日常操作的簡(jiǎn)易性，本研究采用標(biāo)準(zhǔn)的100 mL量筒進(jìn)行批沉降試驗(yàn)，考察不同活性污泥中質(zhì)量濃度對(duì)沉降性的影響，意在摸索以SVI作參數(shù)衡量污泥沉降性的適用范圍.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)用泥

按照沉降性，活性污泥可以分為不膨脹污泥、絲狀菌膨脹污泥和非絲狀菌膨脹污泥3種.為了更全面的研究污泥質(zhì)量濃度對(duì)沉降過(guò)程的影響，本課題組采用小試序批式間歇反應(yīng)器(SBR)，通過(guò)增設(shè)前置厭氧段，低有機(jī)負(fù)荷低DO運(yùn)行和加大曝氣量的方法，分別培養(yǎng)出了以上3種典型污泥，其微生物相如圖1所示.

圖1 試驗(yàn)污泥的微生物相(100×)

1.2 試驗(yàn)裝置和方法

本試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)的體積為100mL的量筒進(jìn)行批沉降試驗(yàn).為了減少試驗(yàn)中其他因素對(duì)沉速的影響，對(duì)污泥進(jìn)行如下預(yù)處理.取SBR排放的剩余污泥，過(guò)度曝氣后加乙酸鈉充分?jǐn)嚢?，確保反硝化完全，再小量曝氣吹脫10 min后靜沉.先測(cè)定沉后的污泥質(zhì)量濃度，之后根據(jù)不同的稀釋比分別取一定體積的沉后污泥加入到100 mL量筒中，其余體積用蒸餾水調(diào)至100 mL，配置不同質(zhì)量濃度的泥水混合液，搖勻后進(jìn)行批沉降試驗(yàn).記錄沉降開始后0、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90 min時(shí)的污泥沉降比SVt(t代表記錄的時(shí)間)，其相應(yīng)的污泥容積指數(shù)記為SVIt.

1.3 檢測(cè)分析項(xiàng)目

為了使試驗(yàn)結(jié)果便于實(shí)際應(yīng)用，采用最簡(jiǎn)單的SVI測(cè)定方法.污泥沉降比SVt由靜沉t分鐘后所形成的污泥體積占原混合液體積的百分比計(jì)算得出.污泥容積指數(shù)SVIt由相應(yīng)的SVt除以混合液污泥質(zhì)量濃度計(jì)算得出.它表示經(jīng)過(guò)t分鐘靜沉后，每克干污泥形成的沉淀污泥所占的體積.污泥微生物相用OLYPUSBX51顯微鏡觀察.

2 結(jié)果與討論

2.1 不膨脹污泥中質(zhì)量濃度對(duì)沉降性的影響

在不膨脹污泥批沉降試驗(yàn)中，除去質(zhì)量濃度較低的情況(1 500 mg/L)外，沉降過(guò)程始終存在著清晰的泥水分界面，且其下沉速率隨著污泥質(zhì)量濃度的增加而降低.Fuchs等研究發(fā)現(xiàn)了2種可導(dǎo)致清晰泥水分界面形成的機(jī)理.1)擁擠沉淀.它是在沉降過(guò)程中顆粒之間互相影響，彼此沉速不斷改變.如果速率分布區(qū)間很小，清晰的泥水分界面就會(huì)形成.2)交聯(lián)分離.它是絮體之間彼此交聯(lián)形成了相對(duì)固定的整體結(jié)構(gòu)，所有絮體都用一個(gè)速率一起沉降[10].對(duì)于不膨脹污泥來(lái)說(shuō)，由于缺少相互交聯(lián)的絲狀菌(圖1(A)所示)，因此擁擠沉淀是導(dǎo)致形成清晰泥水分界面的主要原因.另外，隨著質(zhì)量濃度增大，污泥絮體的空隙減小，沉降過(guò)程中水流過(guò)生物絮體的阻力增大，導(dǎo)致污泥絮體的沉速逐漸減小，反映在SVt上就是其同一時(shí)間的數(shù)值隨著污泥質(zhì)量濃度的增加而增加(圖2所示).而當(dāng)質(zhì)量濃度過(guò)小時(shí)，污泥絮體彼此之間處于離散狀態(tài).由于各絮體在尺寸、密度和形狀等方面的差異導(dǎo)致了不同的沉速，因此難以形成清晰的泥水分界面，從而對(duì)SVt的測(cè)量造成很大的誤差.在低質(zhì)量濃度情況下，本試驗(yàn)的SVt數(shù)值取自沉降污泥主體部分的最上端.另外，質(zhì)量濃度低時(shí)絮體沉降速率快，污泥很快進(jìn)入壓縮沉淀過(guò)程，沉后體積幾乎不再減小.而隨著質(zhì)量濃度的升高，污泥進(jìn)入沉后體積不變狀態(tài)所需的時(shí)間也越來(lái)越長(zhǎng).SVIt是指每克干污泥形成的沉淀污泥的體積，影響其數(shù)值的最大因素就是沉后污泥絮體之間的空隙.隨著靜沉?xí)r間的增加，空隙越來(lái)越小，不同質(zhì)量濃度下的SVIt值也趨于統(tǒng)一.從圖3可以看出，不同質(zhì)量濃度下的SVI60差別已經(jīng)很小，SVI90則完全相同，但是平常所使用的SVI30卻存在誤差.考慮到實(shí)際中操作的簡(jiǎn)易性，對(duì)不膨脹的活性污泥來(lái)說(shuō)，用SVI60來(lái)作為沉降性能好壞的指標(biāo)可以忽略質(zhì)量濃度的影響.而SVt則對(duì)質(zhì)量濃度過(guò)于敏感，不太適合用來(lái)表征污泥沉降性.

2.2 絲狀菌膨脹污泥中質(zhì)量濃度對(duì)沉降性的影響

由于發(fā)生膨脹的活性污泥壓縮性惡化，而為了不破壞污泥絮體的結(jié)構(gòu)，本試驗(yàn)僅通過(guò)重力沉降來(lái)濃縮原始污泥(未離心)，因此試驗(yàn)污泥質(zhì)量濃度較低，最大也只有3 712 mg/L.與不膨脹污泥的批沉降試驗(yàn)相似，當(dāng)質(zhì)量濃度過(guò)低時(shí)(1 000 mg/L)，污泥絮體處于離散狀態(tài)，沉降速率較快且沒有明顯的泥水分界面.與前者不同的是，當(dāng)質(zhì)量濃度增加時(shí)，絲狀菌的存在大大增加了沉淀過(guò)程中絮體所受的阻力，導(dǎo)致沉降速率明顯變緩，甚至降低為零.質(zhì)量濃度升高時(shí)沉降過(guò)程中也出現(xiàn)了清晰的泥水分界面，但是其成因不是擁擠沉淀，而是絲狀菌使絮體相互交聯(lián)形成固定整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的交聯(lián)分離作用導(dǎo)致的.需要指出的是，絲狀菌相互交織形成的絮體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)在沉降過(guò)程中會(huì)對(duì)上升水流起到過(guò)濾作用，吸附和截留水中細(xì)小顆粒物，因此沉后上清液十分清澈[11].絲狀菌對(duì)污泥沉降性的影響是多方面的，它不但會(huì)增大沉淀過(guò)程所受阻力，而且其交聯(lián)形成的疏松多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)會(huì)降低活性污泥絮體的密度.由于活性污泥絮體的密度普遍在1.022～1.056 g/mL，而沉降過(guò)程的動(dòng)力來(lái)自絮體所受重力與水的重力之差，因此絮體密度的改變會(huì)直接影響到污泥的沉降性[12].Schuler等研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)絮體的密度與水密度接近時(shí)，這種影響尤為顯著[8].從圖4可見，當(dāng)質(zhì)量濃度大于2 000 mg/L時(shí)，污泥絮體的沉降過(guò)程已不明顯.在整個(gè)批沉降期間，SVt一直維持在90%以上，幾乎不隨質(zhì)量濃度而改變，但是SVIt受質(zhì)量濃度影響十分明顯，與質(zhì)量濃度成反比(圖5所示).由此可見，對(duì)于質(zhì)量濃度大于2 000 mg/L的絲狀菌膨脹污泥來(lái)說(shuō)，延長(zhǎng)沉降時(shí)間對(duì)強(qiáng)化泥水分離效果甚微，通常所采用的30 min已經(jīng)足夠描述其沉降性能.當(dāng)用SVI30為參數(shù)表征污泥沉降性時(shí)，可以設(shè)定某一質(zhì)量濃度的SVI30作為標(biāo)準(zhǔn)值(比如3 000 mg/L)，其他質(zhì)量濃度下的SVI30值通過(guò)反比例關(guān)系換算到該質(zhì)量濃度下進(jìn)行比較.進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，采用SV30來(lái)表征絲狀菌污泥沉降性更為方便.在沉降過(guò)程出現(xiàn)明顯泥水分界面的情況下，如果通過(guò)鏡檢發(fā)現(xiàn)污泥絮體中存在大量絲狀菌，且SV30大于90%，則可以判定該污泥發(fā)生了絲狀菌膨脹而不用考慮測(cè)定時(shí)的污泥質(zhì)量濃度.

圖5 絲狀菌膨脹污泥中質(zhì)量濃度對(duì)SVI t的影響

2.3 非絲狀菌膨脹污泥中質(zhì)量濃度對(duì)沉降性的影響

絲狀菌是活性污泥的骨架，絮狀菌附著其上形成活性污泥絮體.兩者比例合適時(shí)，污泥絮體大小適中，沉降性能良好[13].當(dāng)由于某種因素刺激絮狀菌過(guò)量增殖或者胞外聚合物的大量積累時(shí)，往往會(huì)導(dǎo)致非絲狀菌膨脹的發(fā)生.由于膨脹污泥的壓縮性嚴(yán)重惡化，用于批沉降試驗(yàn)的污泥質(zhì)量濃度偏低，最濃的也只有1 993 mg/L.與前兩種污泥的批沉降試驗(yàn)相似，當(dāng)質(zhì)量濃度過(guò)低時(shí)(1 000 mg/L)，污泥沉降速率較快.沉降的污泥絮體呈現(xiàn)出底部濃，頂部稀的狀態(tài)，且沒有明顯的泥水分界面，上清液渾濁.當(dāng)質(zhì)量濃度增加時(shí)，污泥絮體密度不再分布不均，而是呈現(xiàn)出均一的果凍狀形態(tài)，外表狀似浮云，非常難以沉降，同時(shí)也出現(xiàn)了清晰的泥水分界面.由圖1(C)可見，發(fā)生非絲狀菌膨脹的污泥絮體依靠體表的胞外聚合物(EPS)相互黏連成一個(gè)整體，有些類似于絲狀菌膨脹污泥中依靠絲狀菌的相互交聯(lián)，這是形成清晰泥水分界面的主要原因.另外，非絲狀菌膨脹污泥絮體疏松多孔，在沉降過(guò)程中可以充分的吸附截留水中的細(xì)小顆粒物，致使沉后上清液非常清澈.從圖6可見，只要不是質(zhì)量濃度過(guò)稀的情況(1 000 mg/L)，非絲狀菌膨脹的污泥絮體幾乎沒有沉降.分析其原因主要有以下兩點(diǎn).1)非絲狀菌膨脹的污泥絮體含有大量的結(jié)合水，密度和水的密度接近，導(dǎo)致沉降動(dòng)力不足;2)非絲狀菌膨脹污泥絮體表面黏性很大，增加了泥水混合液的黏度和沉降過(guò)程中的阻力[14-15].在整個(gè)批沉降期間，SVt一直維持在接近100%的水平.由于SVIt是表征靜沉t分鐘后，每克干污泥形成的沉淀污泥所占的體積.因此在SVt保持在100%的前提下，SVIt與質(zhì)量濃度成反比例關(guān)系(圖6所示).與絲狀菌膨脹污泥相似，對(duì)非絲狀菌膨脹污泥來(lái)說(shuō)，由于污泥壓縮性的嚴(yán)重惡化，延長(zhǎng)沉降時(shí)間并不會(huì)改善泥水分離效果.當(dāng)用SVI30為參數(shù)表征污泥沉降性時(shí)，可以設(shè)定某一質(zhì)量濃度的SVI30作為標(biāo)準(zhǔn)值(比如2 000 mg/L)，其他質(zhì)量濃度下的SVI30值通過(guò)反比例關(guān)系換算到該質(zhì)量濃度下進(jìn)行比較.進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，采用SV30來(lái)表征非絲狀菌膨脹污泥沉降性更為方便.在沉降過(guò)程出現(xiàn)明顯泥水分界面的情況下，如果通過(guò)鏡檢發(fā)現(xiàn)污泥絮體中幾乎不含絲狀菌，沉降的污泥外表呈果凍狀，且SV30大于90%，則可以判定該污泥發(fā)生了非絲狀菌膨脹.

圖6 非絲狀菌膨脹污泥中質(zhì)量濃度對(duì)SV t和SVI t的影響

SV和SVI是表征污泥沉降性能的常見參數(shù)，描述的是沉降的結(jié)果.而沉淀的過(guò)程則可以從沉降速率和沉后上清液兩方面來(lái)考察，本試驗(yàn)僅僅初步考察了沉后上清液的特性，對(duì)于沉降速率的描述還不夠，缺少區(qū)域沉降速率(ZSV)等參數(shù)的測(cè)量.另外，本試驗(yàn)在配置不同污泥質(zhì)量濃度的混合液時(shí)采用的是蒸餾水稀釋的方法，這多少會(huì)破壞污泥絮體和水之間的初始狀態(tài)，從而影響沉降過(guò)程的測(cè)定結(jié)果.若在培養(yǎng)污泥的SBR中直接進(jìn)行1.2節(jié)中的預(yù)處理，之后讓泥水混合液進(jìn)行沉降，隨著污泥的濃縮而取出一系列質(zhì)量濃度的沉后污泥進(jìn)行批沉降試驗(yàn)，則可以避免上述因素的影響，這些都需要今后進(jìn)一步的研究.

3 結(jié)論

本文考察了不同活性污泥系統(tǒng)中質(zhì)量濃度對(duì)沉降過(guò)程的影響，得到以下主要結(jié)論.

1)當(dāng)質(zhì)量濃度過(guò)稀時(shí)，無(wú)論不膨脹污泥(1 500 mg/L)還是膨脹污泥(1 000mg/L)，污泥絮體都呈離散或半離散狀態(tài)，沉速較快，泥水分界面模糊不清，沉后上清液渾濁.

2)當(dāng)質(zhì)量濃度升高時(shí)，隨著沉降過(guò)程中水流過(guò)污泥絮體的阻力增大，各種污泥的沉速都會(huì)降低.膨脹沉速降幅尤其明顯，幾乎降低為零.泥水分界面都十分清晰，但是成因不同.不膨脹污泥是由絮體的擁擠沉淀造成的，而膨脹污泥則是由絲狀菌或EPS的交聯(lián)分離作用造成的.

3)在絮體不處于離散狀態(tài)的情況下，用SVt來(lái)表征污泥沉降性時(shí)，質(zhì)量濃度對(duì)不膨脹污泥影響十分明顯，而對(duì)絲狀菌膨脹污泥和非絲狀菌膨脹污泥則幾乎沒有影響.在整個(gè)批沉降試驗(yàn)中，膨脹污泥的SV一直保持在90%以上，延長(zhǎng)沉淀時(shí)間對(duì)改善泥水分離效果作用不大.

4)在絮體不處于離散狀態(tài)的情況下，用SVIt來(lái)表征污泥沉降性能時(shí)，對(duì)于不膨脹污泥，SVI60可以消除質(zhì)量濃度對(duì)測(cè)定值的影響.對(duì)于膨脹污泥，需要設(shè)定一個(gè)特定質(zhì)量濃度下的SVI30標(biāo)準(zhǔn)值，其他質(zhì)量濃度下的SVI30按照反比例關(guān)系換算到該質(zhì)量濃度下進(jìn)行沉降性能比較.

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