番茄醬加工廢水的好氧顆粒污泥活性恢復(fù)研究

王維紅，康增彥，董星遼，許航，包文婷

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2.中建三局安裝工程有限公司，湖北 武漢 430079；3.中色科技股份有限公司，河南 洛陽 471000；4.河海大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210098)

應(yīng)用好氧顆粒污泥技術(shù)，可減少處理設(shè)施占地25%～75%，能耗降低20%～50%[1]。利用好氧顆粒污泥可處理畜禽養(yǎng)殖沼液、抗菌消炎PPCPs藥物污水等[2-3]。處理屠宰場廢水時，COD、氨氮和磷酸鹽的去除效率分別達(dá)到95.1%，99.3%和83.5%[4]。番茄醬加工排放的大量生產(chǎn)廢水，COD濃度范圍450～2 400 mg/L，氨氮4.5～26.5 mg/L，TP 0.5～5.5 mg/L[5]。番茄醬廢水處理需要在每年的生產(chǎn)季節(jié)提前馴化污泥，但好氧顆粒污泥儲存及快速效能恢復(fù)依舊限制了其在實(shí)際工程中的廣泛應(yīng)用[6]。本文探討番茄醬廢水培養(yǎng)的好氧顆粒污泥儲存后的性能恢復(fù)，為處理番茄醬廢水應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

無水乙酸鈉、氯化銨、磷酸二氫鉀、氯化鈣、硫酸鎂、氯化鐵、鉬酸銨、鄰菲啰啉等均為分析純。

Olympus光學(xué)顯微鏡；JEOL Ltd掃描電子顯微鏡；BA410數(shù)碼顯微鏡；Olympus熒光顯微鏡；ZEISS體視顯微鏡；Quintix224-1電子分析天平；DR6000紫外分光光度計；ZEISS激光共聚焦顯微鏡；JB-2A磁力攪拌器；KQ5200DE超聲波清洗器；H1850臺式高速離心機(jī)等。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 接種污泥 接種污泥取自以人工配制的番茄醬生產(chǎn)廢水為基質(zhì)培養(yǎng)了180多天的好氧顆粒污泥，裝入清水瓶經(jīng)冰箱在-18 ℃的環(huán)境中恒溫冷凍保存約260 d。

1.2.2 進(jìn)水水質(zhì) 進(jìn)水為人工合成番茄醬生產(chǎn)廢水。以新鮮番茄為原材料榨汁提供碳源，COD濃度為800～1 300 mg/L，N、P元素由NH4Cl和Na2HPO4配制。pH值采用無水碳酸鈉調(diào)節(jié)，保持在7.3～7.8之間。常量元素和微量元素成分和濃度配制模擬實(shí)際廢水[7]。

1.2.3 實(shí)驗(yàn)裝置 在SBR工藝模型中處理番茄醬生產(chǎn)廢水見圖1。反應(yīng)器模型尺寸為內(nèi)徑 8 cm，高度100 cm，有效容積4 L。工藝分為進(jìn)水、曝氣、沉淀、出水4個階段，運(yùn)行1個周期需要4 h，每天運(yùn)行 6個周期。系統(tǒng)運(yùn)行為進(jìn)水時間10 min；進(jìn)水完畢后自動啟動曝氣泵，曝氣反應(yīng)時間為 200 min，沉淀階段，初始沉淀時間28 min，排水時間 2 min。曝氣時混合液pH值保持在7.0～7.5之間，DO保持在 8 mg/L 左右。沉淀時間隨著實(shí)驗(yàn)的需要逐漸縮短，實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行130 d。

圖1 SBR反應(yīng)器裝置Fig.1 SBR Schematic1.進(jìn)水桶；2.蠕動泵；3.曝氣泵；4.流量計；5.自動控制裝置；6.電磁閥；7.出水桶；8.SBR反應(yīng)器；9.曝氣頭

1.3 分析方法

1.3.2 粒徑的檢測 采用Laguna等的濕篩分法[8]。接種污泥平均粒徑為7～8 mm的顆粒污泥，檢測使用體視顯微鏡和直尺可直接觀察測量。

1.3.3 AGS的沉降速度 顆粒沉降速度參照王燕杉等[9]的方法，采用自由沉降法進(jìn)行多次測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 粒徑分布

圖2為拍攝的冷凍前185 d的接種好氧顆粒污泥。

圖2 冷凍前培養(yǎng)185 d顆粒污泥Fig.2 Granular sludge was cultured for 185 dbefore freezing

由圖2可知，污泥外觀結(jié)構(gòu)密實(shí)、光滑，富有彈性，顆粒直徑最大達(dá)到11 mm，平均粒徑約7～8 mm左右。因內(nèi)部形成晶核，絲狀菌交錯纏繞，且微生物相對豐富，一些顆粒表面存在孔洞溝壑，用于向顆粒內(nèi)部傳遞營養(yǎng)物質(zhì)和排出氣體，此時的顆粒污泥活性已經(jīng)有所下降，顆粒趨于解體。

冷凍期間，接種顆粒污泥顏色逐漸由淺褐色向深褐色、黑色轉(zhuǎn)變，顆粒污泥長期在低溫環(huán)境中，處于缺氧饑餓狀態(tài)，細(xì)菌逐漸死亡，活細(xì)菌減少，死細(xì)菌增多，生物活性下降，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低，一些顆粒污泥出現(xiàn)破裂現(xiàn)象，冷凍期結(jié)束后，大部分好氧菌在饑餓缺氧環(huán)境中死亡，失去活性。隨著培養(yǎng)時間的推移，好氧顆粒污泥的粒徑不斷發(fā)生變化，圖3給出了130 d內(nèi)不同培養(yǎng)階段的顆粒分布情況。

接種時，顆粒污泥的粒徑主要以大粒徑為主(接種污泥平均粒徑為8 mm)，當(dāng)反應(yīng)器運(yùn)行到第13 d時，粒徑>4 mm的顆粒污泥占到34.7%左右，22.3%的污泥粒徑<0.45 mm，這部分主要是新生絮體污泥和破裂的懸浮物。培養(yǎng)到第30 d時，>4 mm 的顆粒污泥只占10%，絮體污泥占到19%，2～4 mm的顆粒，主要是大顆粒污泥不斷解體破裂，重造的穩(wěn)定顆粒。而產(chǎn)生的絮體污泥成長為 <2 mm 的顆粒污泥。隨后實(shí)驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行到第100 d時，0.45～2 mm的新生顆粒污泥占到68%，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到第130 d時，絮狀污泥占16%，0.45～4 mm的污泥起到主導(dǎo)作用，占比超過75%，而新長成2～4 mm 顆粒污泥占比逐漸增加，但一直沒有出現(xiàn)粒徑較大的顆粒污泥，且絮狀污泥一直偏高。粒徑隨時間增長變化緩慢，整個過程雖然粒徑分布均勻，但前期的顆粒是以接種顆粒污泥的裂解再造而形成的，而后期的顆粒主要是以絮體污泥不斷顆?；纬傻?。

圖3 粒徑分布Fig.3 Particle size distribution

2.2 顆粒污泥的沉降速度

AGS沉降性能主要與顆粒污泥的結(jié)構(gòu)和大小密切相關(guān)。當(dāng)顆粒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定密實(shí)、污泥比重，沉降速度越大。粒徑0.45～1 mm的顆粒污泥平均比重約為1.011 g/L，粒徑在1.6～2 mm時比重在1.1～1.07 g/L之間。粒徑越大，密實(shí)度越高，其比重越大。

本實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)的顆粒污泥沉降速度，隨著顆粒粒徑增大而增大。不同粒徑范圍的平均沉降速度見表1。

表1 顆粒污泥粒徑與沉速Table 1 Change of particle size and sedimentationrate of granular sludge

由表1可知，與培養(yǎng)的接種顆粒污泥階段的沉降速度[10]相比，同粒徑范圍下的最高沉速也只有第一代顆粒污泥的0.81倍，說明顆粒的密實(shí)度下降，比重及濕密度測試也證明了這一點(diǎn)。

2.3 污泥指標(biāo)變化

接種污泥冷凍前的MLSS為5.75 g/L，MLVSS為4.83 g/L，MLVSS/MLSS在0.84。冷凍保存 260 d 后，各指標(biāo)均有下降。見圖4，接種2 d時MLSS、MLVSS、MLVSS/MLSS分別為4.33 g/L，2.37 g/L，0.58，沉淀時間為25 min。隨著恢復(fù)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，第9 d時各指標(biāo)達(dá)到穩(wěn)定，MLSS、MLVSS為5.57，4.93 g/L，MLVSS/MLSS為0.88。此時污泥指標(biāo)已恢復(fù)到接種前的污泥活性，隨后的20 d內(nèi)污泥濃度穩(wěn)定，MLVSS/MLSS平均值在0.9以上。MLSS和MLVSS在第30 d時達(dá)到8.31 g/L和 7.43 g/L，隨后2 d內(nèi)沉淀時間逐漸縮短到15 min，MLSS和MLVSS分別降至4.34 g/L和3.85 g/L。反應(yīng)器持續(xù)運(yùn)行到第47 d時，沉淀時間縮短到 10 min，MLSS和MLVSS由7.43 g/L和6.68 g/L降低到6.47 g/L和5.81 g/L。在第65 d時，沉降時間縮短到8 min，MLSS和MLVSS由 8.33 g/L，7.43 g/L 降至 4.66 g/L，4.18 g/L。在第69 d時，沉降時間再次縮短到5 min，此時的MLSS、MLVSS分別為3.97 g/L和3.52 g/L。由于此時好氧顆粒污泥生長緩慢，接下來的很長一段時間絮狀污泥增多。為培養(yǎng)好氧顆粒污泥，沉淀時間再次調(diào)至 25 min。在第90 d前后，顆粒污泥再次恢復(fù)，隨后沉淀時間由25 min逐漸降至15 min，之后的培養(yǎng)一直保持沉降時間。后期的MLSS和MLVSS再次達(dá)到了8 g/L以上。

圖4 MLSS、MLVSS、MLVSS/MLSS的變化Fig.4 The changes of MLSS，MLVSS，MLVSS/MLSS

自從顆粒污泥活性恢復(fù)后，MLVSS/MLSS一直穩(wěn)定在0.89左右，最后時間段達(dá)到0.9以上。沉降時間對污泥濃度的影響顯著，污泥濃度隨著沉降時間的縮短而降低。

圖5 SVI 的變化Fig.5 The changes of SVI

由圖5可知，接種污泥的沉淀性能一直很好，前60 d內(nèi)SVI5和SVI30均保持在50～60 mL/g之間，高于冷凍前的10 mL/g。在60～90 d之間污泥沉淀性較差，隨著反應(yīng)進(jìn)行，絮狀污泥逐漸轉(zhuǎn)化為顆粒污泥，SVI30/SVI5的比值為95%左右，比例趨近于1。這意味著在降解合成番茄加工廢水時，顆粒形成獲得了優(yōu)異的沉降性。Caluwé等[11]在石化廢水處理中，污泥的SVI30/SVI5比率等于1，與此研究結(jié)果接近。

2.4 系統(tǒng)對污染物的去除能力

由圖6可知，在本實(shí)驗(yàn)中進(jìn)水COD保持在800～1 300 mg/L之間。剛接種前期，好氧顆粒污泥有一個恢復(fù)期，恢復(fù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到第2 d時，進(jìn)水COD約為1 100 mg/L，出水COD為203.6 mg/L，去除率在83.8%，水質(zhì)不能達(dá)到排水標(biāo)準(zhǔn)?；謴?fù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到第12 d時，去除率能達(dá)到90%以上。然而在第60～90 d的污泥波動中，并沒有對COD的處理能力造成影響，去除率依然保持在90%以上，說明好氧菌的活性良好，且菌群結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，絮狀污泥并沒有降低COD的去除率。COD去除率最高達(dá)到98.3%，平均去除率保持在95%。

圖6 系統(tǒng)對COD的去除Fig.6 System removal rate of COD

圖7 系統(tǒng)對的去除Fig.7 System removal rate of

3 結(jié)論

(1)恢復(fù)實(shí)驗(yàn)初期，顆粒污泥開始膨脹、破裂出現(xiàn)解體現(xiàn)象，7～10 d儲存的污泥活性已經(jīng)恢復(fù)；20 d 時，粒徑由最初的8 mm裂變?yōu)? mm左右，內(nèi)部有空洞的“稻殼”型扁長顆粒，顆粒污泥基本完成解體“再造”，并趨于一段時間的穩(wěn)定，但仍有少量顆粒繼續(xù)解體再生；此時，出水清澈，“再造顆?！被謴?fù)了好氧顆粒污泥的優(yōu)良性質(zhì)。在30 d以后，新生成的顆粒生長的飽滿凝實(shí)，粒徑分布梯度明顯，0.45～1 mm粒徑顆粒占優(yōu)勢，微生物活性高，出水清澈，去除率高，基本完成了系統(tǒng)的恢復(fù)再生。MLSS和MLVSS分別達(dá)到8.31 g/L和7.43 g/L，系統(tǒng)運(yùn)行效能趨于穩(wěn)步提高。

(2)相比之下，在整個恢復(fù)再生培養(yǎng)期內(nèi)，顆粒的粒徑偏小，增長緩慢，在相同粒徑范圍下的顆粒污泥沉速、密實(shí)度均較低；但SVI30/SVI5的比值為95%左右，比例趨近于1，沉降性能良好。