Cu2+對好氧顆粒污泥理化特性的影響分析

巢少峰冒文娟鄭曉英吳顏科倪 明

(1.江蘇大禹水務(wù)股份有限公司,江蘇常州 213161;2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇南京 210098)

Cu2+對好氧顆粒污泥理化特性的影響分析

巢少峰1,冒文娟2,鄭曉英2,吳顏科2,倪 明2

(1.江蘇大禹水務(wù)股份有限公司,江蘇常州 213161;2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇南京 210098)

以普通活性污泥為接種污泥,葡萄糖和乙酸鈉為碳源,在SBR反應(yīng)器中培養(yǎng)好氧顆粒污泥,考察不同質(zhì)量濃度Cu2+(0 mg/L、1 mg/L、3 mg/L、5 mg/L和10 mg/L)沖擊作用對好氧顆粒污泥理化特性的影響。結(jié)果表明,隨著Cu2+質(zhì)量濃度從0mg/L上升至10mg/L,好氧顆粒污泥的理化特性均受到不同程度的影響。質(zhì)量濃度為1 mg/L和3 mg/L的Cu2+對COD和NH+4-N的去除率影響較小,而質(zhì)量濃度為5 mg/L和10 mg/L的Cu2+對COD和NH+4-N的去除率影響較大。隨著Cu2+質(zhì)量濃度的增加,好氧顆粒污泥的絲狀菌逐漸增多,污泥濃度不斷下降,沉降性能急劇惡化;密實(shí)度降低,結(jié)構(gòu)越來越松散,粒徑出現(xiàn)兩極分化的現(xiàn)象,而且在質(zhì)量濃度為10 mg/L的Cu2+作用下顆粒污泥解體。

好氧顆粒污泥;污泥理化特征;Cu2+;SBR反應(yīng)器

好氧顆粒污泥是由微生物自絮凝形成的污泥聚集體,與普通活性污泥相比,具有較高的污泥濃度和良好的沉降性能,能夠縮小污水處理廠的占地面積、降低工程造價以及減少剩余污泥排放量[1-4]。好氧顆粒污泥技術(shù)作為近幾年發(fā)展起來的污水處理新技術(shù),已成為國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)。Cu2+主要來源于電鍍、礦石處理、冶煉、皮革、電子等工業(yè)領(lǐng)域[5],痕量時是微生物必需的營養(yǎng)物質(zhì),但過量的重金屬離子則會抑制微生物生化反應(yīng),降低污水處理效果[6]。因此,不同質(zhì)量濃度Cu2+的沖擊作用對好氧顆粒污泥的影響還有待進(jìn)一步研究。

筆者以普通活性污泥作為接種污泥,以葡萄糖和乙酸鈉為碳源,采用SBR反應(yīng)器培養(yǎng)好氧顆粒污泥,考察在不同質(zhì)量濃度Cu2+沖擊作用下好氧顆粒污泥的污染物去除效率、外觀形態(tài)、污泥濃度、沉降性能以及物理特性等隨運(yùn)行時間的變化。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

SBR反應(yīng)器為有機(jī)玻璃制成,直徑80 mm,有效高度900mm,有效容積4L,每周期換水量2.5L。模擬廢水經(jīng)蠕動泵打入反應(yīng)器,采用曝氣泵和曝氣砂頭供氣,通過氣體流量計控制氣量。試驗(yàn)裝置見圖1。

試驗(yàn)運(yùn)行周期為6 h,每個周期的具體運(yùn)行時間為進(jìn)水10 min、曝氣342 min、沉淀3 min、排水5 min。通過蠕動泵從反應(yīng)器底部進(jìn)水,由電磁閥控制從中部排水,空氣壓縮機(jī)從反應(yīng)器上部插入玻璃砂芯砂頭曝氣,曝氣量為150 L/h,溶解氧(DO)質(zhì)量濃度控制在6～ 8 mg/L。5個反應(yīng)器并聯(lián)運(yùn)行,試驗(yàn)水溫控制在20℃±2℃。

1.2 進(jìn)水水質(zhì)

采取人工模擬生活污水,主要成分質(zhì)量濃度如下:ρ(C6H12O6)=500.0 mg/L,ρ(CH3COONa)= 120.0 mg/L,ρ(peptone)=15.0 mg/L,ρ(NH4Cl)=100.0 mg/L,ρ(KH2PO4)=10.0 mg/L,ρ(Na2HPO4)= 10.0 mg/L,ρ(Cacl2)=150.0 mg/L,ρ(MgSO4·7H2O)=20.0 mg/L,ρ(FeSO4·7H2O)=20.0 mg/L,ρ(Co(NO3)2·6H2O)=3.0 mg/L,ρ(MnCl2·4H2O)=0.4 mg/L,ρ(ZnSO4·7H2O)=0.5 mg/L。

1.3 試驗(yàn)方法

采用普通活性污泥培養(yǎng)好氧顆粒污泥,接種絮狀污泥取自南京市江寧污水處理廠ρ(MLSS)= 1830 mg/L)。經(jīng)40 d后培養(yǎng)出成熟的好氧顆粒污泥,并將5個反應(yīng)器的污泥進(jìn)行混合,再平均分布于5個反應(yīng)器中,保證每個反應(yīng)器內(nèi)的污泥質(zhì)量濃度基本相當(dāng)(ρ(MLSS)=3500～4000mg/L)。在好氧顆粒污泥培養(yǎng)成功后,分別投加Cu2+質(zhì)量濃度為0 mg/L、1 mg/L、3 mg/L、5 mg/L、10 mg/L(其他條件不變);在投加不同質(zhì)量濃度Cu2+的過程中,每天在固定時間分別從5個反應(yīng)器內(nèi)取樣檢測各項污染成分指標(biāo)。

1.4 分析方法

2 結(jié)果與討論

2.1 Cu2+對好氧顆粒污泥脫氮降碳性能的影響

質(zhì)量濃度為1 mg/L的Cu2+對NH-N去除率的影響較小,基本維持在95%左右;質(zhì)量濃度為3 mg/L的Cu2+對NH-N去除率有輕微影響,去除率下降到91.18%;而質(zhì)量濃度為5 mg/L和10 mg/L的Cu2+均會對NH-N去除率產(chǎn)生明顯的影響,去除率分別下降到81.05%和58.97%。從圖2可以看出,隨著Cu2+質(zhì)量濃度的增加,NH-N的去除率逐漸降低,說明Cu2+對硝化反應(yīng)有抑制作用,而且隨著Cu2+質(zhì)量濃度的增加,抑制作用逐漸增強(qiáng)。對比圖2中Cu2+對COD和NH-N去除率的影響情況可知,Cu2+對NH-N的抑制作用明顯大于其對COD的抑制作用,這一點(diǎn)說明硝化細(xì)菌比異養(yǎng)生物對重金屬更為敏感[10]。

2.2 Cu2+對好氧顆粒污泥外觀形態(tài)的影響

從圖3可以看出:空白樣(未投加Cu2+)的好氧顆粒污泥表面光滑,結(jié)構(gòu)密實(shí),輪廓清晰;隨著Cu2+質(zhì)量濃度的增加,好氧顆粒污泥的密實(shí)度逐漸降低,而且顆粒污泥結(jié)構(gòu)越來越松散,表面的絲狀菌逐漸增多;在質(zhì)量濃度為10mg/L的Cu2+影響下,顆粒污泥解體,暴露出顆粒內(nèi)部的絲狀菌骨架。根據(jù)A/V假說[11],絲狀菌比表面積大,抵抗“惡劣”環(huán)境的能力比菌膠團(tuán)細(xì)菌強(qiáng),因此在“惡劣”的環(huán)境中絲狀菌一般為優(yōu)勢菌種。

采用普通光學(xué)顯微鏡對好氧顆粒污泥的外觀形態(tài)進(jìn)行跟蹤觀察,發(fā)現(xiàn)隨著Cu2+質(zhì)量濃度的增加,顆粒污泥中微型動物的種類和數(shù)目逐漸減少,在10 mg/L的Cu2+作用下,基本檢測不到微型動物的存在。好氧顆粒污泥中豐富的微生物相在污染物去除中具有重要作用,原、后生動物是污水處理效果的指示性微生物。

2.3 Cu2+對好氧顆粒污泥質(zhì)量濃度和沉降性能的影響

不同質(zhì)量濃度Cu2+對污泥質(zhì)量濃度和沉降性能的影響如圖4所示。反應(yīng)器中污泥質(zhì)量濃度和沉降性能是影響工藝運(yùn)行穩(wěn)定性的基本要素,只有保持污泥質(zhì)量濃度穩(wěn)定,沉降性能良好,才能維持高效的除污能力和穩(wěn)定的運(yùn)行工況。

從圖4可以看出,隨著Cu2+質(zhì)量濃度的升高,好氧顆粒污泥質(zhì)量濃度呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢。分析認(rèn)為,Cu2+進(jìn)入生物細(xì)胞內(nèi),與蛋白質(zhì)結(jié)合,使酶失去活性,導(dǎo)致菌體死亡,污泥松散、沉降性能變差,污泥大量流失[12-13]。隨著Cu2+質(zhì)量濃度從0 mg/L上升至10 mg/L時,污泥體積指數(shù) SVI從4.24 mg/L上升至131.58 mg/L,沉降性能急劇惡化。重金屬離子導(dǎo)致好氧顆粒污泥沉降性能差的原因主要有以下2點(diǎn):(a)重金屬離子影響了好氧顆粒污泥內(nèi)微生物的細(xì)胞活性,降低了微生物自身的絮凝作用[14]。(b)重金屬離子大量存在時,重金屬離子可置換出污泥中的H+,從而使環(huán)境pH發(fā)生一定程度的下降,進(jìn)而使活性污泥的沉降速度變慢[15]。耐毒性較強(qiáng)的絲狀菌大量增生可能是導(dǎo)致污泥沉降性能下降的主要原因。

2.4 Cu2+對好氧顆粒污泥物理特性的影響

粒徑、含水率和相對密度是表征好氧顆粒污泥物理特性的基本指標(biāo),圖5顯示了不同質(zhì)量濃度Cu2+沖擊作用對好氧顆粒污泥物理特性的影響。從圖5(a)可以看出,隨著 Cu2+質(zhì)量濃度的增加,粒徑d＜300 μm和d＞1500 μm的好氧顆粒污泥所占比例逐漸增大。當(dāng)Cu2+質(zhì)量濃度分別為0 mg/L、1 mg/L、3 mg/L、5 mg/L和10 mg/L時,粒徑d＜300 μm的顆粒污泥分別為15.97%、18.38%、23.75%、25.74%和29.35%,粒徑d＞1 500 μm的顆粒污泥分別為0.09%、0.04%、5.80%、6.17%和11.33%。分析認(rèn)為,Cu2+對好氧顆粒污泥的結(jié)構(gòu)性能產(chǎn)生了一定的影響,隨著Cu2+質(zhì)量濃度的增加,反應(yīng)器中出現(xiàn)了較多結(jié)構(gòu)松散、表觀尺寸較大的顆粒污泥以及分散細(xì)小的懸浮污泥。

而且從圖5(b)中可以看出,Cu2+對好氧顆粒污泥的含水率和相對密度均有較大程度的影響,隨著Cu2+質(zhì)量濃度從0 mg/L上升至10 mg/L,好氧顆粒污泥的含水率從98.040%上升至98.887%,相對密度由1.016下降至1.002。污泥含水率上升進(jìn)一步驗(yàn)證了Cu2+導(dǎo)致好氧顆粒污泥結(jié)構(gòu)松散的猜想,好氧顆粒污泥密度下降也是導(dǎo)致其沉降性能變差的主要因素。

3 結(jié) 語

本文采用普通活性污泥作為接種污泥,葡萄糖和乙酸鈉為碳源,在SBR反應(yīng)器中培養(yǎng)好氧顆粒污泥。在好氧顆粒污泥培養(yǎng)成熟后,分別投加不同質(zhì)量濃度的Cu2+(0 mg/L、1 mg/L、3 mg/L、5 mg/L和10 mg/L),考察其對好氧顆粒污泥理化特性的影響,得出以下結(jié)論:

a.質(zhì)量濃度為1 mg/L和3 mg/L的Cu2+對COD和NH+4-N的去除率影響較小,而質(zhì)量濃度為5 mg/L和10 mg/L的Cu2+對COD和NH+4-N的去除率影響較大。

b.隨著Cu2+質(zhì)量濃度的增加,好氧顆粒污泥的絲狀菌逐漸增多,污泥濃度不斷下降,沉降性能急劇惡化。

c.隨著Cu2+質(zhì)量濃度的增加,好氧顆粒污泥密實(shí)度降低,結(jié)構(gòu)松散,粒徑出現(xiàn)兩極分化的現(xiàn)象,而且在10 mg/L的Cu2+作用下,好氧顆粒污泥解體。

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Analysis of influence of Cu2+on physicochemical characteristics of aerobic granular sludge

CHAO Shaofeng1,MAO Wenjuan2,ZHENG Xiaoying2,WU Yanke2,NI Ming2
(1.Jiangsu Dayu Water Co.,Ltd.,Changzhou 213161,China; 2.College of Environment,Hohai University,Nanjing 210098,China)

In this study,aerobic granular sludge was cultivated in a sequencing batch reactor(SBR)with glucose and sodium acetate as the carbon sources.The shock-loading effects of varying Cu2+concentrations(0,1,3,5 and 10 mg/L)on the physicochemical characteristics of the aerobic granular sludge were studied.The results show that the physicochemical characteristics of the aerobic granular sludge were affected as the concentration of Cu2+increased from 0 to 10 mg/L.Cu2+with concentrations of 1 and 3 mg/L had a slight effect on the removal efficiencies of COD and NH+4-N,while Cu2+with concentrations of 5 and 10 mg/L had a significant effect on the removal efficiencies of COD and NH+4-N.As the concentration of Cu2+increased,filamentous bacteria in the aerobic granular sludge increased gradually,the concentration of sludge decreased continuously,and the settling property deteriorated rapidly.In addition,a decrease in the density degree,a loosening structure,and polarization of particle size of the aerobic granular sludge were found in the SBR,and the granular sludge disintegrated when the Cu2+concentration was 10 mg/L.

aerobic granular sludge;physicochemical characteristics of sludge;Cu2+;sequencing batch reactor

X703

:A

:1000-1980(2014)05-0399-05

10.3876/j.issn.1000-1980.2014.05.005

2013-08 08

國家自然科學(xué)基金(51208174);水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07506-002-2)

巢少峰(1974—),男,江蘇常州人,工程師,主要從事污水處理系統(tǒng)運(yùn)行管理與水環(huán)境治理研究。E-mail:chaoshaof88@163.com