COD对生物除磷颗粒污泥稳定性影响研究刘小英

第5卷第4期环境工程学报Vol．5，No．42011年4月ChineseJournalofEnvironmentalEngineeringApr．2011COD对生物除磷颗粒污泥稳定性影响研究刘小英1姜应和1*郭超2田晓杰3李祥4(1.武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉430070;2．西安建筑科技大学环境与市政工程学院，西安710055;3．中冶南方工程技术有限公司，武汉430223;4．西安建筑科技大学建筑设计研究院，西安710055)摘要颗粒污泥稳定性是影响其应用的主要因素之一。以SBR中成熟的生物除磷颗粒污泥为研究对象，探讨进水COD浓度对系统稳定性的影响。结果表明，当进水COD浓度由300mg/L逐渐升高到500mg/L时，磷去除率由93%降低到88%;当进水COD浓度在400mg/L以下时，污泥的最大比释磷速率和比吸磷速率分别为45.2mg/(gMLSS·h)和33.5mg/(gMLSS·h)，污泥中P的含量为5.6%～7%，出水SS在50mg/L以下;当进水COD浓度提高到550mg/L时，磷去除率仅为63%，此时反应器出水SS在150mg/L以上，颗粒污泥周围丝状菌过度生长，而且菌丝粗壮，颗粒污泥解体。因此，生物除磷颗粒系统具有一定的耐COD冲击能力，但在高COD负荷下会导致颗粒污泥系统崩溃。关键词COD浓度生物除磷颗粒污泥稳定性中图分类号X703文献标识码A文章编号1673-9108(2011)04-0807-05InfluenceofCODonphosphorusremovalgranularsludgestabilityLiuXiaoying1JiangYinghe1GuoChao2TianXiaojie3LiXiang4(1.SchoolofCivilEngineering＆Architecture，WuhanUniversityofTechnology，Wuhan430073，China;2．SchoolofEnvironmental＆MunicipalEngineering，Xi’anUniversityofArchitecture＆Technology，Xi’an710055，China;3．WISDRIEngineering＆ResearchIncorporationLimited，Wuhan430223，China;4．ArchitectureDesign＆ResearchInstitute，Xi’anUniversityofArchitecture＆Technology，Xi’an710055，China)AbstractThestabilitywasoneofimportantfactorsforapplicationofgranularsludge．WiththeinfluentCODconcentrationchangedthestabilityofthebiologicalphosphorousremovalgranularsludgewasstudiedinasequencingbatchreactor(SBR)．WhentheinfluentCODconcentrationgraduallyincreasedfrom300mg/Lto500mg/L，thephosphorusremovalefficiencydecreasedfrom93%to88%．WhentheinfluentCODconcentra-tionwasbelow400mg/L，themax．specificphosphorusreleaserateandthemax．specificphosphorusuptakeratewere45.2mg/(gMLSS·h)and33.5mg/(gMLSS·h)，respectively，andthephosphoruscontentofMLSSwas5.6%～7%，andtheeffluentSSwasbelow50mg/L．WhentheinfluentCODconcentrationwassteppedupto550mg/L，thephosphorusremovalefficiencydecreasedto63%，theeffluentSSwasabove150mg/L，thefilamentousbacteriaovergrew，andthegranularsludgewasdisintegrated．ThebiologicalphosphorousremovalgranularsludgecouldstandsomeimpactsofCODconcentration，andthesystemwouldbreakdownathighCODconcentrations．KeywordsCODconcentration;biologicalphosphorusremoval;granularsludge;stability基金项目:水体污染控制与治理科技重大专项研究任务(2008ZX07317-002-01-02);武汉理工大学自主创新研究基金(2010-Ⅳ-053);武汉理工大学博士启动基金(471-38650493);第二批国家大学生创新性实验计划(081049713);第三批国家大学生创新性实验计划(091049729)收稿日期:2010－02－08;修订日期:2010－06－04作者简介:刘小英(1975～)，女，博士，副教授，主要从事污水的脱氮除磷研究。E-mail:[e-mail]*通讯联系人，E-mail:[e-mail]生物除磷颗粒污泥作为一种新型生物处理技术，具有沉速快、活性高、污泥浓度高等特点［1-3］。但其稳定性能问题一直制约其广泛运用，而丝状菌与其稳定性关系密切。据报道，在好氧颗粒污泥形成过程中，丝状菌一直存在，在污泥颗粒化中起骨架作用;但不合适的基质浓度和操作会导致生物除磷颗粒污泥中丝状菌的过度生长而出现污泥膨胀，最终系统丧失除磷能力［3-4］。生物除磷系统的碳源主要用于在厌氧阶段合成胞内贮存物(如聚-β-羟基丁酸、聚-β-羟基戊酸、糖原等)以有利于好氧或缺氧吸磷。为了保证系统除磷效果，一般要求C/P比在15以上。研究表明，碳环境工程学报第5卷源与丝状菌生长有直接的关系［3，5］，但目前该方面的研究较少［6-7］。本实验以SBR内培养的生物除磷颗粒污泥为对象，研究不同进水COD浓度下除磷颗粒污泥释磷、吸磷特性，污泥的形态以及反应器的除磷效果，探讨系统的稳定性。1实验材料与方法1．1实验装置与运行条件实验用SBR材质为有机玻璃，总容积5L，有效容积4L，直径16cm，高径比为1.56(见图1)。SBR每周期运行240min，包括进水、搅拌(厌氧)、曝气(好氧)、沉淀、排水以及闲置6阶段，各阶段由微电脑时控开关控制。反应器每周期进、排水量2L，污泥龄在10～12d(在反应器好氧末期人工排出适量的泥水混合物来维持)，搅拌转速为150r/min，曝气强度在20～25m3/(m3·h)之间，温度为25±2℃，pH值在7.8左右。图1SBR示意图Fig.1SchematicdiagramofSBR1．2实验用水实验进水采用人工配制废水，其主要组成如下:NaAc384.4～704.7mg/L，KH2PO443.9mg/L，NH4Cl38.2～57.3mg/L，CaCl2111mg/L，微量元素0.07mL/L。其中微量元素组成如下:FeSO4·7H2O3000mg/L，MnSO4·4H2O26mg/L，CoCl2·6H2O50mg/L，CuCl2·2H2O7mg/L，ZnCl224mg/L，H3BO320mg/L，NiCl2·6H2O36mg/L，EDTA二钠盐50mg/L，(NH4)6Mo7O24·4H2O21mg/L。进水pH值通过氢氧化钠和盐酸调节保持在7.0左右。1．3实验方法在SBR中接种成熟生物除磷颗粒污泥，污泥颗粒的粒径在0.5～1.5mm之间，平均沉速在20～30m/h之间，最大释磷速率为52mg/(gMLSS·h)，最大吸磷速率为36mg/(gMLSS·h)，将进水COD浓度由300mg/L逐渐提高到550mg/L，研究反应器磷的去除率、MLSS、SVI以及颗粒污泥的形态，探讨COD负荷变化、高COD负荷对颗粒污泥系统稳定性的影响。1．4分析项目与方法反应器进出水磷酸盐浓度(以P计)、出水SS，以及反应器内MLSS、SVI均按国家标准方法测定［8］;污泥形态、结构采用NIKON(YS2)光电显微镜观察。2实验结果与讨论2.1进水COD对除磷颗粒污泥反应器的影响当进水COD浓度由300mg/L提高到550mg/L时，反应器P的去除率、MLSS、SVI以及厌氧末期COD和P的浓度变化见表1，反应器在稳定和非稳定运行条件下污泥的形态变化(见图2)。表1不同进水COD浓度下反应器内各参数的变化Table1ChangesofparametersofreactoratdifferentinfluentCODconcentrations参数COD浓度(mg/L)300350400450500550P的去除率(%)939290898863MLSS(mg/L)440051005700620066002500SVI(mL/g)3335344045100厌氧末期COD(mg/L)223040434565污泥中P含量(%)76．55．65．55．33SRT(d)10．310．910．9121214厌氧末期P(mg/L)767466635735由表1可以看出，当进水COD从300mg/L逐渐提高到500mg/L时，厌氧末期P浓度由76mg/L逐渐下降到57mg/L，COD浓度由22mg/L升高到45mg/L(一般情况下，厌氧末期COD浓度在50mg/L时有利于聚磷菌的富集)，系统P去除率均在88%以上，SVI在45mL/g以下;反应器内污泥呈淡黄色球状或椭球状，边缘清晰(见图2(a))，此时系统运行稳定。当进水COD浓度提高到550mg/L时，反应器内污泥大量流失，MLSS下降到2500mg/L，SVI高达100mL/g，运行2倍泥龄时间后出水P仍高达3.7mg/L，颗粒污泥边缘生长了密而粗的丝状菌，且菌丝较长，颗粒污泥密实度变差，颜色变浅(见图2(b))，同时反应器内产生大量果808第4期刘小英等:COD对生物除磷颗粒污泥稳定性影响研究图2颗粒污泥形态Fig．2Granularsludgemorphology冻状物质和白色泡沫，出水呈乳白色，生物除磷颗粒污泥系统崩溃。研究发现，当COD过高时，厌氧期不能完全利用COD，厌氧期结束时剩余大量COD，在后续好氧期这部分COD会促进其他异养菌(与聚磷菌相比，这些异养菌生长速率快)的生长，最终使系统中聚磷菌处于弱势;在高进水COD下，细胞产生大量的亲水多聚糖，导致污泥表面疏水性降低，使颗粒污泥解体［9-10］;同时在较恶劣环境下丝状菌容易生长。本实验中，在某一进水COD浓度下，运行2倍多泥龄时间，得到不同进水COD浓度下厌氧期摩尔比的变化情况(见图3)。结合表1可以看出，随着进水COD浓度的提高，污泥中磷的含量逐渐下降，而厌氧期醋酸盐的吸收量和释磷量之间的摩尔比逐渐提高。当进水COD低于400mg/L以下时，厌氧期摩尔比在0.7～1之间，污泥中磷的含量在5.6%～7%之间(与普通絮状生物除磷污泥中磷的含量相当);当进水COD浓度在400～500mg/L之间时，其摩尔比大于1，污泥中磷的含量仍在5.3%以上;当进水COD浓度达到550mg/L时，污泥中磷的含量仅为3%(一般非除磷污泥中磷的含量为1.5%～2.3%［11］)，系统几乎丧失除磷能力。该实验条件下，进水COD浓度在500mg/L以下时系统可获得较好的除磷率，同时具有一定耐冲击负荷能力。厌图3COD浓度对厌氧段醋酸盐吸收量与释磷量之间摩尔比的影响Fig．3InfluenceofCODonratiobetw