發(fā)布時間：2020-04-10所屬分類：農(nóng)業(yè)論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：建立污泥停留時間為5d和10d的兩套厭氧反應(yīng)器系統(tǒng)通過對比兩厭氧反應(yīng)器污泥中有機(jī)物以及金屬指標(biāo)，研究厭氧條件下金屬與有機(jī)物的釋放規(guī)律。研究表明，污泥絮體中K、Ca、Mg、Fe、A1五種常見金屬在兩厭氧反應(yīng)器中均發(fā)生釋放作用，且金屬的釋放規(guī)律與蛋白
摘要：建立污泥停留時間為5d和10d的兩套厭氧反應(yīng)器系統(tǒng)通過對比兩厭氧反應(yīng)器污泥中有機(jī)物以及金屬指標(biāo)，研究厭氧條件下金屬與有機(jī)物的釋放規(guī)律。研究表明，污泥絮體中K、Ca、Mg、Fe、A1五種常見金屬在兩厭氧反應(yīng)器中均發(fā)生釋放作用，且金屬的釋放規(guī)律與蛋白質(zhì)、溶解性COD的釋放規(guī)律相一致，Na變化較小，三價金屬結(jié)合的胞外蛋白質(zhì)存在離解釋放機(jī)制。10D的反應(yīng)系統(tǒng)的厭氧環(huán)境相較于5D更加穩(wěn)定，且污泥濃度有下降趨勢，可預(yù)期有更好污泥減量的效果。
關(guān)鍵詞：厭氧;污泥;金屬釋放;有機(jī)物釋放
以活性污泥法為主體的城市污水處理工藝在運(yùn)行的同時會產(chǎn)生大量剩余污泥，剩余污泥的處理處置費(fèi)用高昂，而且有可能造成嚴(yán)重的二次污染。實現(xiàn)污泥源頭減量化從而減少后續(xù)處置工藝和緩解環(huán)境壓力已經(jīng)成為環(huán)境工程研究的重要課題。
好氧一沉淀一厭氧(OSA)m藝具有良好的污泥減量化效果，且對出水水質(zhì)影響較小，多項實踐結(jié)果顯示其污泥減量率在40%一60%之間l1、2】。目前對OSA工藝減量化機(jī)理存在很多不同的觀點，如能量解耦聯(lián)代謝與能量濺溢理論13]、污泥自身衰退理論、胞外聚合物金屬絡(luò)合物離解理論[51等。無論是利用何種機(jī)理對污泥進(jìn)行減量。厭氧反應(yīng)器都在其中起了極為關(guān)鍵的作用，因此.研究污泥在厭氧條件下的有機(jī)物與金屬的釋放規(guī)律都將對OSA工藝的機(jī)理研究以及工藝優(yōu)化起到重要作用。本課題基于OSA工藝分別設(shè)立SRT=5和SRT=10兩個厭氧反應(yīng)器，研究厭氧條件下金屬與有機(jī)物的釋放規(guī)律。
1材料和方法
1.1實驗?zāi)Ｐ徒?
建立兩個完全混合的污泥厭氧反應(yīng)器。SRT分別為5天和1O天，以完全混合的方式運(yùn)行，每日進(jìn)/排泥各1次，同時測定進(jìn)出污泥中溶解性COD(SCOD)、總COD(TCOD)、可溶性蛋白質(zhì)、SS、VSS、TS、溶解性金屬、總金屬等指標(biāo)的變化，分析有機(jī)物和金屬的釋放規(guī)律。實驗過程中，室溫恒定為25℃。實驗裝置示意圖見圖1所示。
所選用的新鮮污泥取自廣州市瀝浯污水處理廠二沉池(污水處理工藝為A/A/O)，每周取回新鮮的污泥后置于4℃的冰箱中保存待用實驗采用20L的塑料容器作反應(yīng)器，污泥有效容積為10L，反應(yīng)器啟動初期，通人氮氣以保證系統(tǒng)處于嚴(yán)格的厭氧狀態(tài)。反應(yīng)裝置上中下三個部位分設(shè)三個出泥口。每次從三個出口平均排泥后混合，確保取樣的代表性。采用機(jī)械攪拌使反應(yīng)器處于完全混合狀態(tài)，反應(yīng)器頂部連接氣袋進(jìn)行氣體的收集。
1.2檢測指標(biāo)及測定方法
厭氧污泥樣品的各項溶解性指標(biāo)。采用如下步驟進(jìn)行預(yù)處理：將反應(yīng)器中取出的污泥立即進(jìn)行12，000r/rain離心，離心液通過0.45m微孔濾膜后按照《水和廢水監(jiān)測分析方法》問測定濾液的各項指標(biāo)。主要指標(biāo)和測定方法如表l所示。
便于表述方便，此處定義研究中出現(xiàn)的縮略語：“5D系統(tǒng)”指SRT為5天的厭氧污泥系統(tǒng);“10D系統(tǒng)”指SRT為1O天的厭氧污泥系統(tǒng)：“dx”指實驗開始后第X天。
2結(jié)果與分析
2.1污泥濃度變化
通過考察厭氧反應(yīng)器污泥濃度可以從表觀上分析污泥增長與削減情況。由于系統(tǒng)中污泥一直處于完全混合狀態(tài)，污泥濃度可以由懸浮物濃度SS反映.污泥中有機(jī)物的變化情況可以用VSS/SS的變化來反映。實驗過程中兩反應(yīng)器的SS和VSS/SS的變化情況見圖2所示。
實驗啟動時，兩反應(yīng)器污泥濃度均為10500mg/L。實驗前期dl—d15，兩個厭氧反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度整體上都呈下降再逐漸增長趨勢。由于反應(yīng)器體積較小，從污水廠取來的新鮮污泥濃度有一定的變動，使得SS表現(xiàn)出一定的波動。綜合來看兩反應(yīng)器污泥濃度相對穩(wěn)定，變化幅度小。SS下降主要因為生物量的降低.底物缺乏和缺氧都會導(dǎo)致微生物死亡溶胞，生物質(zhì)分解成可溶性物質(zhì)，從而導(dǎo)致污泥濃度的降低。
在系統(tǒng)啟動初期5D反應(yīng)器的污泥濃度遠(yuǎn)小于10D反應(yīng)器濃度，5D反應(yīng)器污泥濃度總體呈上升趨勢，而10D反應(yīng)器濃度基本處于平穩(wěn)狀態(tài)。污泥停留時間較長，有利于有機(jī)物質(zhì)的分解消化，促進(jìn)了污泥的削減[71。
由圖2中也可以看出，兩反應(yīng)器VSS/TS比值波動不大。均無明顯增長或下降趨勢。但總體上說，10D反應(yīng)器該值小于5D反應(yīng)器，分別為0.55與0.59，這說明隨著泥齡的增長，污泥中微生物種群有老化衰退跡象，10D反應(yīng)器污泥中更多的有機(jī)物(VSS)通過微生物死亡溶胞作用轉(zhuǎn)化為可溶性物質(zhì)。
2-2CoD的變化情況
通過檢測污泥可溶性COD(SCOD)與總COD(TCOD)，研究厭氧反應(yīng)器對COD的去除效果。兩反應(yīng)器污泥COD含量變化如圖3所示。
5D系統(tǒng)的SCOD平均值為163.18mg/L略高于10D系統(tǒng)的平均值157.25mg/L。對于TCOD，10D系統(tǒng)明顯高于5D系統(tǒng)。可見10D系統(tǒng)對污泥消解的更多。由于污泥取樣和COD測定的偶然性較大。因此圖3的結(jié)果波動較大。在運(yùn)行過程中出泥TCOD沒有明顯下降，這主要是溶胞作用使細(xì)胞中的有機(jī)物進(jìn)入混合液中，同時造成SCOD的升高。10D系統(tǒng)的溶胞作用更強(qiáng)。
2.3可溶性蛋白質(zhì)的變化
兩系統(tǒng)厭氧反應(yīng)器中可溶性蛋白質(zhì)的變化情況如圖4所示。多項研究表明ol，蛋白質(zhì)是胞外聚合物(EPS)的主要組成成分，因此測定溶解性蛋白質(zhì)將有助于了解污泥EPS的理解狀況。由圖4可知.5D系統(tǒng)與10D系統(tǒng)污泥中可溶性蛋白質(zhì)含量均值分別為137.74mg/L與107.25mg/L，且兩反應(yīng)器污泥中可溶性蛋白質(zhì)含量均呈少量的上升趨勢，d12開始5D系統(tǒng)污泥中可溶性蛋白質(zhì)含量高于10D系統(tǒng)。說明在厭氧條件下，大量生物質(zhì)死亡溶解使得溶胞物質(zhì)進(jìn)入混合液中，蛋白質(zhì)發(fā)生了釋放現(xiàn)象，而較長的反應(yīng)時間促使更多的有機(jī)物被降解成無機(jī)物。
2.4金屬釋放規(guī)律研究
通過分析兩系統(tǒng)中六種金屬(K、Na、Ca、Mg、Fe、A1)的總含量和溶解態(tài)含量的變化情況，研究厭氧條件下的金屬釋放規(guī)律。
2.4.1金屬K和Na的變化情況
金屬K和Na含量變化情況見圖5和圖6所示
從圖5中可以看出，dl—d15兩厭氧系統(tǒng)中污泥溶解性K含量均隨著運(yùn)行時間的增加而急劇上升，10D系統(tǒng)污泥中溶解性K含量略高于5D系統(tǒng)，d15之后溶解性K含量值趨于平穩(wěn)。由于SCOD和蛋白質(zhì)在反應(yīng)初期急劇上升，且10D系統(tǒng)含量更高，可見溶解性K含量來源于微生物的溶胞作用。Bakker等1發(fā)現(xiàn)，在厭氧環(huán)境中K含量的升高可說明其中存在細(xì)胞死亡溶解現(xiàn)象，且在SRT更長情況下，K+作為細(xì)胞質(zhì)重要組成部分，在厭氧情況下隨細(xì)胞溶解釋放出來。兩反應(yīng)器中K的總含量也在dl—d15期間有增加.反應(yīng)器運(yùn)行穩(wěn)定后趨于平穩(wěn)且接近原泥總K含量92.12mg/L。
Na作為常量元素濃度很高。兩系統(tǒng)污泥中可溶性Na含量均值分別為45.67mg/L和46.93mr,/L，Na的總含量均值分別90.63mg/L和93.87mg/L，可溶性Na含量和總Na含量測量結(jié)果波動較大，但均值與原泥Na含量均值相近。因Na與其他生物聚合物的結(jié)合沉淀能力差且可自由進(jìn)出微生物細(xì)胞壁、細(xì)胞膜，Na的變化不能反映細(xì)胞內(nèi)外物質(zhì)的變化。
由此可見，一價金屬K在厭氧環(huán)境下發(fā)生了釋放現(xiàn)象.使得溶解性金屬含量升高。結(jié)合圖4可知，蛋白質(zhì)的釋放伴隨著金屬的釋放，二者釋放規(guī)律一致，由此得出蛋白質(zhì)和金屬離子伴隨EPS的離解而被釋放出來。
2.4.2金屬Ca和Mg含量變化情況
金屬Ca和Mg含量變化情況見圖7和圖8所示。
對于可溶性Ca，5D系統(tǒng)污泥中含量略高.均值為60.65mg/L。兩系統(tǒng)內(nèi)Ca總量有逐漸下降趨勢，兩反應(yīng)器中均值分別為354.16mgCL和386.02mg/L。對于可溶性Ca所占百分比比值，兩反應(yīng)器均有明顯的上升趨勢說明Ca在厭氧環(huán)境中得到釋放。研究表日月【挖一31，厭氧反應(yīng)器中溶解性TP會有大幅度增加，其中一部分磷酸鹽與厭氧環(huán)境中的Ca2+結(jié)合。形成一系列正磷酸鈣鹽以及羥基磷灰石(Ca(PO4)3OH，HAP)不溶物，形成沉積f】41。反應(yīng)中一定數(shù)量的Ca通過與磷酸根結(jié)合沉積在反應(yīng)器底部累積造成了總Ca含量下降，表觀顯示可溶性Ca濃度變化不大。
由圖8可知，兩反應(yīng)器中可溶性Mg含量和Mg總量也均在dl—d15有明顯上升趨勢d15后趨于平穩(wěn)，且兩反應(yīng)器內(nèi)含量相當(dāng)。
上述實驗說明在厭氧條件下，污泥中二價金屬M(fèi)g和Ca均發(fā)生了釋放.而Novakf~認(rèn)為鈣鎂結(jié)合態(tài)的胞外聚合物在好氧環(huán)境中容易被釋放出來，這與實驗中得出的規(guī)律矛盾。
2.4.3金屬Fe和Al含量變化情況
金屬Fe和Al含量變化情況見圖9和圖10所示。
對于Fe總量，兩系統(tǒng)中含量相差較小。對于二價鐵，d1一d5有明顯上升現(xiàn)象，之后下降，保持在比較低的水平。根據(jù)金屬釋放理論，三價鐵被還原為二價鐵也可以引起金屬與胞外聚合物離解。Novak等在研究污泥厭氧金屬釋放時發(fā)現(xiàn)【15、l司，在厭氧環(huán)境下.Fe會有選擇性地與蛋白質(zhì)結(jié)合在一起，并還原為二價Fe，減弱了Fe與EPS之間的連接作用，部分EPS成為溶解態(tài)物質(zhì)釋放到溶液中，這與實驗結(jié)果是一致的。由圖10得出，二價Fe含量不高，且細(xì)胞的溶解沒有導(dǎo)致可溶性Fe的增加，主要是由于污泥微生物細(xì)胞內(nèi)Fe元素含量不高，因Fe鹽具有較強(qiáng)的絮凝作用.Fe元素存在于污泥微生物質(zhì)聚合物之中，F(xiàn)e絮凝后形成螯合物或者難溶解形態(tài)，因此溶解性的Fe釋放水平不高。
兩反應(yīng)器污泥Al含量所測定值波動均很大，平均值很接近。Al在反應(yīng)器中釋放水平很低，因為Al鹽也有絮凝作用，Al與Fe有相似的釋放機(jī)理
3結(jié)論
(1)在5D和10D的兩厭氧系統(tǒng)中，各金屬含量的變化趨勢很接近，污泥絮體中K、Ca、Mg、Fe、Al六種常見金屬均有一定量的釋放作用發(fā)生，且與反應(yīng)器中蛋白質(zhì)和溶解性COD的釋放規(guī)律相一致。Na沒有明顯的釋放規(guī)律.二價金屬M(fèi)g和Ca有明顯的釋放現(xiàn)象，實驗結(jié)果與Novak的結(jié)論相矛盾。三價金屬Fe和A1結(jié)合的胞外蛋白質(zhì)存在離解釋放機(jī)制。說明金屬釋放的同時帶來胞外聚合物的離解和釋放。
(2)10D厭氧反應(yīng)器中可溶性指標(biāo)含量較污泥停留時問為5D厭氧反應(yīng)器低，主要是釋放出來的可溶性有機(jī)物在厭氧環(huán)境下被降解，污泥停留時間為l0天時可預(yù)期更好的污泥減量效果：厭氧環(huán)境中，好氧微生物死亡.溶胞作用使有機(jī)物溶于混合液中，使污泥中可溶性指標(biāo)含量水平升高，如K+和蛋白質(zhì);同時VSS/TS值不高，說明反應(yīng)器中存在有機(jī)物的厭氧消化作用。
(3)10D的反應(yīng)系統(tǒng)的厭氧環(huán)境相較于5D厭氧反應(yīng)器更加穩(wěn)定，且污泥濃度有下降趨勢，實驗證明污泥停留時間為10天時更有利于減量化工藝系統(tǒng)后續(xù)有機(jī)物的降解，可預(yù)期有更好污泥減量的效果。
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