SBR系统中好氧颗粒污泥的培养及脱氮除硫研究

中国环境科学2010,30(4)：522~526ChinaEnvironmentalScienceSBR系统中好氧颗粒污泥的培养及脱氮除硫研究苏彩丽,余泳昌*,任天宝,张莎莎,田园(河南农业大学机电工程学院,农业部可再生能源重点开放实验室,河南郑州450002)摘要：采用SBR反应器进行了好氧颗粒污泥的培养和脱氮除硫研究.结果表明,以厌氧颗粒污泥为种泥,通过控制运行条件,在30d内可培养出好氧颗粒污泥.好氧颗粒污泥粒径以1~2mm为主,SVI为30~40mL/g,微生物组成以短杆菌为主,外部包裹大量丝状菌.当COD和NH4+-N负荷分别保持在1.65kg/(m3·d)和0.17kg/(m3·d),硫化物负荷从0.15kg/(m3·d)逐步提高到0.90kg/(m3·d)时,好氧颗粒污泥对硫化物、COD和NH4+-N的去除率分别99%、80%和98%.在高硫化物浓度下,反应器仍然表现出良好的脱氮效果,可能是由好氧颗粒污泥的层状结构和硫化物能先于NH4+-N快速氧化的特点决定的.关键词：序批式反应器；好氧颗粒污泥；脱氮除硫中图分类号：X703.1文献标识码：A文章编号：1000-6923(2010)04-0522-05CultivationandcharactersoftheaerobicgranulesforammoniumandsulfideremovalinSBRsystem.SUCai-li,YUYong-chang*,RENTian-bao,ZHANGSha-sha,TIANYuan(KeyLaboratoryofRenewableEnergy,MinistryofAgricultural,CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,HenanAgriculturalUniversity,Zhengzhou450002,China).ChinaEnvironmentalScience,2010,30(4)：522~526Abstract：Cultivationandcharactersoftheaerobicgranulesforammoniumandsulfideremovalinasequencingbatchreactorwerestudied.Theaerobicgranuleswerecultivatedusinganaerobicgranularsludgeasseedsludgeundercontrolledoperationalconditionsin30days.Thediameterofmostoftheaerobicgranuleswasabout1~2mmandtheSVIwas30~40mL/g.Thegranulewasdominatedbybrevibacterium,andwrappedbyalargenumberoffilamentousbacteria.WhentheCODandNH4+-Nloadingwere1.65,0.17kg/(m3·d),andtheS2-loadingincreasedfrom0.15to0.9kg/(m3·d),theremovalefficienciesofS2-,CODandNH4+-Nwere99%,80%and98%,respectively.ThereactorshowedhighremovalcapacityofNH4+-NunderthehighS2-concentration,whichwaspossibleduetothelayeredstructureofaerobicgranulesorthecharacteristicsthatsulfidecouldbefastoxidizedpriortotheammonium.Keywords：sequencingbatchreactor(SBR)；aerobicgranules；ammoniumandsulfideremoval玉米、大豆、小麦、薯类等农产品加工过程所产生的废水中不仅有机物浓度高,而且还含有高浓度硫酸盐和NH4+-N.为解决该类废水污染问题,不少学者对高硫酸盐废水的厌氧处理工艺和设备进行了研究[1-4].但在厌氧处理过程中,硫酸盐会转化成有毒且对设备腐蚀性强的硫化物,NH4+-N也不能有效去除,需经过进一步处理才能有效解决农产品加工废水污染问题.目前采用的传统好氧生物处理工艺[5-6],存在着处理效率低、投资大等缺点.如何实现经济高效的脱氮除硫成为近几年国内外学者研究的热点[7-10].好氧颗粒污泥工艺是近年来发展起来的污水处理新工艺,与传统的絮状活性污泥相比,具有容积负荷高、沉降性能好、占地小等优点[11].该工艺由于颗粒内部传质作用限制,使好氧颗粒污泥内部形成好氧区、缺氧区和厌氧区,可实现多种污染物的同步去除[12-14],具有良好的发展前景.本研究采用富含硫化物和NH4+-N的模拟废水,进行脱氮除硫好氧颗粒污泥的培养,并考察好氧颗粒污泥脱氮除硫的效果及硫化物对好氧颗粒污泥脱氮过程的影响,以期为好氧颗粒污泥在农产品加工废水处理中的应用提供理论指导.收稿日期：2009-09-08*责任作者,教授,[e-mail]4期苏彩丽等：SBR系统中好氧颗粒污泥的培养及脱氮除硫研究5231材料与方法1.1材料试验用水采用人工模拟废水,通过控制Na2S·9H2O添加量控制进水硫化物浓度.其余各组分浓度(g/L)分别如下:NaAc0.805,NH4Cl0.21,K2HPO40.045,NaHCO31.20,CaC120.03,FeCl4·6H2O0.02,MgCl2·6H2O0.02.微量元素溶液1mL/L,其组成见文献[15].用0.50mol/L的HCl调节进水pH值为7.5~8.0.接种污泥采自木糖厂厌氧颗粒污泥.污泥为黑色,MLVSS/MLSS=0.73,沉降速度28~75m/h,粒径1.0~2.0mm.接种之前对厌氧颗粒污泥进行淘洗,去除其中的细小颗粒和杂质.接种后反应器中污泥浓度为3.6g/L.1.2试验装置试验采用圆柱型SBR反应器,如图1所示.SBR反应器为有机玻璃制成,内径8cm,高度110cm,有效容积4.5L,用气泵和曝气砂头供气,通过转子流量计控制曝气量.SBR反应器各阶段的操作变换都通过时间控制器进行控制.反应器运行周期为4h,其中进水3min,曝气226~230min,静置沉淀3~8min,排水3min.每周期排水2.25L.反应器温度为25~30℃.1245116378910图1试验装置示意Fig.1Schematicdiagramoftheexperimentinstallation1.进水槽;2.进水泵;3.电磁阀;4.空压机;5.气体流量计;6.微孔曝气头;7.SBR反应器;8.取样口;9.出水管;10.出水槽;11.时间控制系统1.3实验方法1.3.1好氧颗粒污泥的培养反应器接种厌氧颗粒污泥后开始启动,考虑到接种污泥本身具有较高的硫化物耐受性,因此进水硫化物浓度直接以100mg/L启动,曝气量保持在0.12m3/h,沉降时间为8min.反应器运行3d后,厌氧颗粒污泥由黑色逐渐转变为灰白色、褐色,反应器中出现淡黄色絮状污泥;1周后,大部分颗粒污泥破碎成细小的颗粒,新形成的絮状污泥增长很快,并以破碎的污泥颗粒为核心逐渐聚集;第12d,为防止污泥膨胀,从下部取样管排出500mL絮状污泥,并将进水硫化物浓度降低为50mg/L,同时逐渐缩短沉降时间,SVI开始下降,并且反应器表现出较好的污染物去除效果,污泥驯化完成.第15d,反应器中开始出现颗粒污泥;第21d,反应器中污泥颗粒化基本完成,SVI降至44.6mL/g,MLSS达3.73g/L;30d后SVI保持在30~40mL/g,颗粒污泥达到成熟稳定.1.3.2好氧颗粒污泥对污染物的去除效果实验中保持配水中NaAc和NH4Cl浓度不变,相当于COD550mg/L,NH4+-N55mg/L,即进水负荷分别为1.65kg/(m3·d)和0.17kg/(m3·d),通过提高进水硫化物浓度(50~300mg/L)逐步提高硫化物负荷[0.15~0.9kg/(m3·d)],考察好氧颗粒污泥对硫化物、COD和NH4+-N的去除效果及硫化物对NH4+-N和COD去除能力的影响.1.4分析项目和方法COD采用重铬酸钾法测定;硫化物采用碘量法测定;硫酸根采用铬酸钡光度法测定;NH4+-N、NO3--N和NO2--N采用哈纳C200系列多参数台式离子浓度分析仪测定;pH值、DO采用哈纳便携式pH值、DO测定仪测定;SVI、MLSS采用标准方法[16]测定;颗粒污泥形成过程观察采用Olympus光学显微镜;颗粒污泥结构观察采用HitachiS-3400NⅡ型扫描电镜.2结果与讨论2.1好氧颗粒污泥的特征2.1.1表观特征成熟的脱氮除硫好氧颗粒污泥中间呈黄褐色,边缘颜色较浅,形状呈圆形或椭圆形(图2a).粒径主要分布在1~2mm.2.1.2微观结构由图2c可以看出,培养出的好氧颗粒污泥表面较不规则,而接种的厌氧颗粒污泥表面较光滑(图2b);从微生物组成来看(图2d~图2f),524中国环境科学30卷接种的厌氧颗粒污泥微生物以球菌为主,培养为好氧颗粒污泥后,微生物以短杆菌为主,外部还包裹着大量丝状菌.可见,厌氧颗粒污泥在培养为好氧颗粒污泥后,其外观和内部组成均发生了较大变化.另外,丝状菌上面附着有很多硫粒(图2f),说明反应器中有单质硫生成.a.好氧颗粒污泥(×40)b.接种污泥(×200)c.好氧颗粒污泥(×150)d.接种污泥(×5000)e.好氧颗粒污泥(×5000)f.好氧颗粒污泥(×9000)图2接种污泥与好氧颗粒污泥SEM照片Fig.2SEMphotographsoftheinoculatedsludgeandaerobicgranularsludge06121824301234时间(d)MLSS(mg/L)020406080100MLSSSVISVI(mL/g)图3颗粒污泥培养过程中MLSS与SVI的变化Fig.3VariationofMLSSandSVIintheprocessofcultivatingaerobicgranules2.1.3沉降性能由图3可知,由于好氧颗粒污泥增长很快,反应器中MLSS在不排泥的情况下逐渐增加;SVI值先增加再逐渐降低.前期由于厌氧颗粒污泥的解体和絮状污泥的增长,使污泥沉降性变差,SVI值升高;随着好氧颗粒污泥的形成,污泥沉降性逐渐提高,SVI值又开始下降.颗粒污泥达到成熟后,MLSS约3.9g/L,SVI值保持在30~40mL/g,沉降性良好.2.2污染物去除效果由图4a可见,当硫化物负荷从0.15kg/(m3·d)逐步提高到0.9kg/(m3·d)时,出水硫化物浓度均小于检出限.硫化物去除率保持在99%以上,其去除率在好氧颗粒污泥形成前后,变化不大.由图4b和图4c可以看出,当COD和NH4+-N负荷分别保持在1.65,0.17kg/(m3·d)时,在反应器运行第6d,出水COD和NH4+-N浓度分别为227,25.70mg/L,COD去除率只有58.73%,NH4+-N去除率为53.27%.随着厌氧颗粒污泥向好氧颗粒污泥的转化,COD和NH4+-N去除率不断提高,在好氧颗粒污泥形成之后,出水COD浓度保持在80mg/L左右,去除率80%;出水NH4+-N浓度小于1.0mg/L,去除率98%.当进水硫化物负荷提高时,COD去除率在提高负荷初期略微下降,但随着好氧颗粒污泥4期苏彩丽等：SBR系统中好氧颗粒污泥的培养及脱氮除硫研究525对高硫化物的适应,COD去除率又能逐渐恢复到约80%;硫化物对NH4+-N的影响同样也发生在提高负荷初期,使NH4+-N去除效率稍下降,但对NH4+-N去除效果影响不大.说明进水硫化物负荷提高对COD和NH4+-N的去除效果影响不大.02040608001002