低有機(jī)負(fù)荷對(duì)污泥膨脹及造紙廢水處理效果的影響

張安龍， 張 雪， 王 森

(陜西科技大學(xué) 輕工與能源學(xué)院 陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710021)

0 引言

目前，關(guān)于污泥膨脹的研究指出，污泥負(fù)荷是最重要的影響因素之一.這是因?yàn)樵诨钚晕勰喾ㄎ鬯幚韽S中，污泥負(fù)荷最容易隨進(jìn)水水質(zhì)水量的變化而波動(dòng)，導(dǎo)致其成為影響污泥膨脹的首要因素[1，2].

有機(jī)負(fù)荷反應(yīng)了基質(zhì)與微生物之間的供求關(guān)系，是影響污泥增長(zhǎng)、污泥活性、有機(jī)物降解的重要因素之一.在污水廠運(yùn)行中，低DO和低負(fù)荷(F/M)是公認(rèn)地引起污泥絲狀菌增殖的主要原因[3]，但在不同類(lèi)型的反應(yīng)器中出現(xiàn)污泥膨脹的原因和控制措施其實(shí)不盡然相同[4-6].本實(shí)驗(yàn)選用氧化溝作為反應(yīng)器，通過(guò)調(diào)節(jié)有機(jī)負(fù)荷，來(lái)觀察其對(duì)污泥絲狀菌的影響.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器和試劑

(1)主要儀器：氧化溝(30 L)，恒流泵(BT100-02型)，pH計(jì)(PHS-3C型)，COD快速測(cè)定儀(5B-6C型)，溶氧計(jì)(JPBJ-608型)，磁力攪拌器(C-MAGMS10-S25型)，可見(jiàn)分光光度計(jì)(UV7200型)，高速離心機(jī)(HC-3018R型)，多媒體電子顯微鏡(MOTIC型).

(2)主要試劑：濃硫酸(分析純)，考馬斯亮藍(lán)(G250)，硫酸銀(分析純)，重鉻酸鉀(分析純).

1.2 實(shí)驗(yàn)廢水

本實(shí)驗(yàn)所用的廢水取自陜西某造紙廠的混合廢水，該廠主要利用麥草化學(xué)漿和廢紙漿生產(chǎn)紙品，年產(chǎn)能為10萬(wàn)噸左右.廢水的主要指標(biāo)如表1所示.

表1 水樣指標(biāo)

1.3 污泥的培養(yǎng)與馴化

原始污泥取自西安市第五污水處理廠與造紙廠回流污泥，二者的混合液加入氧化溝，使污泥濃度MLSS在3 000 mg/L左右，并根據(jù)COD∶N∶P=350∶5∶1的比例加入氮、磷，溶氧控制在2～4 mg/L[7-9]，隨時(shí)調(diào)節(jié)pH，保證pH為6.5～8.5，開(kāi)始培養(yǎng)馴化.

在馴化初期，污泥沉降比SV30在45%左右，經(jīng)過(guò)一個(gè)星期的培養(yǎng)馴化，SV30下降至27%，污泥沉降性能良好，絮凝體緊密，CODCr去除率達(dá)到88.31%左右，測(cè)得的污泥濃度為2 202 mg/L，鏡檢觀察污泥絮體良好，微生物種類(lèi)豐富，生命力旺盛，具體情況如圖1～圖3所示.

圖1 大量累枝蟲(chóng)

圖2 輪蟲(chóng)

圖3 污泥絮

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

在研究污泥負(fù)荷對(duì)污泥膨脹的影響時(shí)，需對(duì)其它能夠影響污泥膨脹的因素進(jìn)行嚴(yán)格控制，使其不能成為污泥膨脹的影響因素.為此，在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行如下設(shè)定：溶解氧濃度2～4 mg/L；反應(yīng)器進(jìn)水中的N、P含量通過(guò)投加氯化銨和磷酸二氫鉀來(lái)調(diào)節(jié)，并根據(jù)水中有機(jī)物濃度控制COD∶N∶P=350∶5∶1[10-12]；pH控制在6.5～8.5;反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度控制在2 000～2 500 mg/L左右.

氧化溝運(yùn)行狀態(tài)與污泥活性一切良好， COD去除率達(dá)80%以上，回流比75%，蠕動(dòng)泵連續(xù)運(yùn)行，每小時(shí)進(jìn)1.5 L原水，HRT=18小時(shí)，污泥齡15天.

在實(shí)驗(yàn)中，使污泥負(fù)荷從高逐漸降低，觀察不同負(fù)荷下的活性污泥的變化情況[13].

2 結(jié)果與討論

2.1 顯微鏡圖片

從圖1可以看出，累枝蟲(chóng)正在生長(zhǎng)，大量的累枝蟲(chóng)聚集在一起.鐘蟲(chóng)和累枝蟲(chóng)都屬于原生動(dòng)物中的纖毛綱，固著型的纖毛蟲(chóng)，尤其是鐘蟲(chóng)，喜歡在寡污帶中生活，鐘蟲(chóng)類(lèi)在β-中污帶中也能生活，累枝蟲(chóng)耐污能力較強(qiáng).它們是水體自凈程度高、污水生物處理效果好的指示生物.

圖2為輪蟲(chóng).輪蟲(chóng)屬于微型后生動(dòng)物，要求較高的溶解氧量，是寡污帶和污水生物處理效果好的指示生物.它們吞食游離細(xì)菌，所以可起到提高處理效果的作用.輪蟲(chóng)伸縮性越好，證明活性越好.較之其它污泥，該種污泥顏色偏黃且微生物含量較高.

圖3為活性污泥性狀良好時(shí)的污泥絮體[14～16].

2.2 降低有機(jī)負(fù)荷對(duì)水質(zhì)指標(biāo)的影響

2.2.1 降低有機(jī)負(fù)荷對(duì)SV30和SVI的影響

由圖4可知，隨著COD負(fù)荷的降低，SV30成上升趨勢(shì)；而SVI值則隨著負(fù)荷的降低呈規(guī)律性變化.隨著負(fù)荷的降低,SVI值緩慢升高,當(dāng)負(fù)荷降低到一定程度后，即第4天開(kāi)始，SVI迅速升高，污泥發(fā)生膨脹.

圖4 降低有機(jī)負(fù)荷對(duì)SV30和SVI的影響

2.2.2 降低有機(jī)負(fù)荷對(duì)COD去除率的影響

COD負(fù)荷的降低是人為控制的.活性污泥來(lái)自造紙廠的回流污泥，顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)其微生物的種類(lèi)和數(shù)量較少，再采取第五污水處理廠的污泥，兩者混合在一起馴化，控制污泥的濃度在2 000 mg/L左右.顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)大量的微型后生動(dòng)物，污泥活性較高，COD的去除率在90%左右，這個(gè)時(shí)候COD負(fù)荷在0.26 kg COD·(kg MLSS·d)-1.

反應(yīng)器不同，COD負(fù)荷的取值范圍不同.查閱文獻(xiàn)可知，氧化溝的COD負(fù)荷一般在0.1～0.05 kg COD/kg MLSS·d之間，而本實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)器卻在0.26 kg COD·(kg MLSS·d)-1時(shí)，COD的去除率高，污泥活性好.

在這個(gè)基礎(chǔ)上，開(kāi)始降低COD負(fù)荷.COD負(fù)荷的影響因素是進(jìn)水COD和污泥濃度，考慮到取水困難的問(wèn)題，所以選擇降低COD值，在原水的基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算確定COD的值，然后再確定稀釋倍數(shù).

從圖5可以看出， COD負(fù)荷整體呈下降的趨勢(shì)，因污泥濃度很難控制一個(gè)準(zhǔn)確的數(shù)值，所以COD負(fù)荷在開(kāi)始的時(shí)候沒(méi)有呈現(xiàn)下降的趨勢(shì).COD的去除率在有機(jī)負(fù)荷降低的初期并沒(méi)有明顯的變化，是因?yàn)槲⑸飳?duì)于新的環(huán)境需要一個(gè)適應(yīng)的過(guò)程；從第三天往后，COD去除率開(kāi)始有下降的趨勢(shì)，這是因?yàn)楸３治勰酀舛仍谝欢ǚ秶耐瑫r(shí)，意味著微生物量控制在一定的范圍.這個(gè)時(shí)候，進(jìn)水COD降低，微生物的食物減少，勢(shì)必讓一部分微生物進(jìn)入衰退期，其數(shù)量開(kāi)始下降，原因是進(jìn)水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)已經(jīng)不足以維持其中的微生物繼續(xù)生存，并由于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的減少和自身副產(chǎn)物的增加而不斷消亡.

絲狀菌對(duì)于這樣的生存環(huán)境，有著自身的優(yōu)勢(shì).環(huán)境越惡劣，它較其它微生物越有優(yōu)勢(shì)，它的菌絲可以伸出菌膠團(tuán)的外部，較大的比表面積，更容易吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，這樣的環(huán)境促進(jìn)了絲狀菌的生長(zhǎng).對(duì)于該造紙廠的廢水而言，當(dāng)COD負(fù)荷降低到0.03 kg COD·(kg MLSS·d)-1、SV30為67%、SVI為325 mL·g-1時(shí)，絲狀菌開(kāi)始大量生長(zhǎng)，此時(shí)的COD去除率只有42.67%.

圖5 降低有機(jī)負(fù)荷對(duì)COD去除率的影響

2.2.3 降低有機(jī)負(fù)荷對(duì)總蛋白和SOUR的影響

從圖6中可以看出，總蛋白的波動(dòng)比較大，但整體趨勢(shì)是下降到第6天后又上升.總蛋白和微生物的量有關(guān)，而微生物的量又和污泥的多少有關(guān)，且和測(cè)定總蛋白的方法有關(guān).因?yàn)橄到y(tǒng)是連續(xù)運(yùn)行的半自動(dòng)化，所以對(duì)于污泥濃度MLSS的控制沒(méi)有那么精準(zhǔn)，在第五天到第六天時(shí)，總蛋白最少，因?yàn)榇藭r(shí)的污泥濃度是這個(gè)時(shí)期最小的，而第3天往后，微生物的活性正在降低，絲狀菌開(kāi)始生長(zhǎng)，第6天開(kāi)始，補(bǔ)充污泥到定量，加之絲狀菌開(kāi)始大量繁殖，故微生物的總蛋白又呈上升趨勢(shì).

比好氧速率受微生物的量和污泥濃度的影響，SOUR整體呈下降趨勢(shì).MLSS在運(yùn)行開(kāi)始后的每天都有略微減少，到第5天和第6天減少得最多，所以此時(shí)SOUR下降到0.564 5和0.577 5；從第3天開(kāi)始，絲狀菌呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，微型后生動(dòng)物(線蟲(chóng)、輪蟲(chóng)、鐘蟲(chóng)、累枝蟲(chóng)、浮游甲殼蟲(chóng))開(kāi)始減少，取而代之的是絲狀菌.SOUR測(cè)試結(jié)果表明，物種豐富、處理效果好時(shí)，此時(shí)的比好氧速率遠(yuǎn)大于絲狀菌大量繁殖時(shí)的比好氧速率.可見(jiàn)，微生物濃度是影響比好氧速率的關(guān)鍵.

圖6 降低有機(jī)負(fù)荷對(duì)總蛋白和SOUR的影響

2.3 控制污泥膨脹方法

2.3.1 提高有機(jī)負(fù)荷方式

為觀察提高有機(jī)負(fù)荷后對(duì)之前引起的絲狀膨脹的治理效果，現(xiàn)單純提高有機(jī)負(fù)荷，運(yùn)行反應(yīng)器，觀察微生物的生長(zhǎng)情況及去除率的影響,情況如圖7～圖8所示.

從圖7中可以看出，從提高有機(jī)負(fù)荷開(kāi)始，污泥SV30持續(xù)下降，到第5天，SV30下降變緩，運(yùn)行到第7天時(shí)，SV30為22%,可見(jiàn)對(duì)于因有機(jī)負(fù)荷過(guò)低而引發(fā)的污泥絲狀膨脹，通過(guò)單純地調(diào)節(jié)有機(jī)負(fù)荷也是有效果的，污泥絲狀膨脹得到了治理；SVI、SV30和污泥濃度MLSS有關(guān)，控制污泥濃度在一定范圍內(nèi)，波動(dòng)較小，所以SV30的下降直接影響到SVI，亦呈下降趨勢(shì)，到第5天開(kāi)始，SVI進(jìn)入正常范圍內(nèi)，到第7天時(shí),由之前的325 mL·g-1降至109 mL·g-1,污泥膨脹得到控制.

從圖8中可以看出，隨著有機(jī)負(fù)荷的提高，第五天，當(dāng)有機(jī)負(fù)荷為0.18 kg COD·(kgMLSS·d)-1時(shí)，COD去除率達(dá)到了80.66%，到第7天時(shí)，COD去除率由42.67%上升到90.03%.這說(shuō)明該微生物群同樣適用于這樣的情況：當(dāng)基質(zhì)濃度增大，菌膠團(tuán)的生長(zhǎng)速度遠(yuǎn)大于絲狀菌，絲狀菌膨脹得到了抑制.

從圖9中可以看出，總蛋白的生長(zhǎng)呈上升趨勢(shì).當(dāng)增加有機(jī)負(fù)荷時(shí)，能促使微生物生長(zhǎng)，微生物開(kāi)始生長(zhǎng)，總蛋白就會(huì)增加；比好氧速率SOUR在開(kāi)始的4天，可以看到其變化比較小.微生物在初期生長(zhǎng)的時(shí)候，活性沒(méi)那么高，處于適應(yīng)期，因?yàn)榄h(huán)境改變，在原有微生物的基礎(chǔ)上不能適應(yīng)就會(huì)死亡，適應(yīng)之后，就是微生物成對(duì)數(shù)增長(zhǎng)的階段，這時(shí)的比好氧速率SOUR快速增長(zhǎng)，微生物活性高.當(dāng)單純只提高有機(jī)負(fù)荷時(shí)，絲狀膨脹得到控制共用時(shí)7天.

圖8 提高有機(jī)負(fù)荷對(duì)去除率的影響

圖9 提高有機(jī)負(fù)荷對(duì)總蛋白和SOUR的影響

2.3.2 提高有機(jī)負(fù)荷同時(shí)改變運(yùn)行方式

制定的方案和之前僅提高有機(jī)負(fù)荷時(shí)的數(shù)據(jù)相同，但增大回流比為100%.調(diào)整回流比，將影響著好氧微生物的生存條件，從而影響對(duì)有機(jī)物的去除率.一般來(lái)說(shuō)，污泥膨脹時(shí)加大回流比，適當(dāng)縮短厭氧反應(yīng)時(shí)間，有利于好氧生物的生長(zhǎng)繁殖，改善污泥沉降性能.同時(shí)，排泥量增加為之前的1.5倍.

從圖10～圖11中可以看出，在前3天，SV30和SVI下降較快，到第5及第6天時(shí)，趨于平穩(wěn).可見(jiàn)，增大排泥量和回流量，在前3天可以迅速抑制污泥絲狀膨脹.從第5天開(kāi)始，微生物生長(zhǎng)趨于穩(wěn)定.當(dāng)?shù)?天時(shí)，SV30為20%、SVI從325 mL·g-1降至99 mL·g-1，COD的去除率從42.67%上升至91.56%，相比只單純提高有機(jī)負(fù)荷時(shí)，這種協(xié)同方式可以較快抑制絲狀膨脹.

圖10 同時(shí)改變有機(jī)負(fù)荷和運(yùn)行方式 對(duì)SV30和SVI的影響

圖11 同時(shí)改變有機(jī)負(fù)荷和運(yùn)行方式 對(duì)COD去除率的影響

從圖12可以看出，在改變有機(jī)負(fù)荷的同時(shí)增大排泥量和回流量，對(duì)總蛋白和SOUR會(huì)有較大影響.這是因?yàn)樵龃笈拍嗔?，減少了微生物的量，從第3天開(kāi)始微生物的量有所回升，并逐漸增大，總蛋白的量增多，證明微生物的量變大.比好氧速率SOUR的增大，說(shuō)明微生物活性高.

圖12 同時(shí)改變有機(jī)負(fù)荷和運(yùn)行方式 對(duì)總蛋白和SOUR的影響

3 結(jié)論

(1)活性污泥在低有機(jī)負(fù)荷下易發(fā)生膨脹.低負(fù)荷下，DO成為微生物增殖的限制因素，空氣量和MLSS濃度基本不變時(shí)，有機(jī)負(fù)荷降低必然引起DO的過(guò)量.充足的氧氣有利于微生物生長(zhǎng)，但是進(jìn)水的基質(zhì)濃度過(guò)低，會(huì)導(dǎo)致微生物加速進(jìn)入衰亡期，進(jìn)行內(nèi)源呼吸，這時(shí)可通過(guò)減少空氣量或減小MLSS濃度(即減小SOUR)來(lái)提高DO濃度，使污泥的膨脹得到控制與恢復(fù).

(2)綜合比較，改變有機(jī)負(fù)荷的同時(shí)，增大排泥量為原來(lái)的1.5倍，回流量變?yōu)?00%，和僅提高有機(jī)負(fù)荷相比，能更快地抑制污泥的絲狀膨脹.

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