低温SBR工艺活性污泥代谢特性研究

中国环境科学2012,32(1)：69~74ChinaEnvironmentalScience低温SBR工艺活性污泥代谢特性研究尹军*,李瑞,张振庭,王建辉,王小龙(吉林建筑工程学院市政与环境工程学院,吉林长春130118)摘要：在(7±1)℃条件下,从污染物的去除效能、生物活性、污泥特性等方面,研究了低温SBR系统中活性污泥的代谢特性.结果表明:低温SBR系统在好氧阶段前40min能够将96%的COD去除,整个运行周期活性污泥对COD的代谢状况良好;由于低温的影响,活性污泥硝化反应过程受到抑制,反硝化过程无法正常进行;低温不是影响SBR反应器中聚磷菌P代谢过程的关键因素,在低温条件下聚磷菌对P的摄取、释放代谢状况良好;活性污泥2,3,5氯化三苯基四氮唑(TTC)和碘硝基四氮唑(INT)电子传递体系(ETS)活性呈现出周期性变化规律,TTC和INT-ETS活性能够有效表征整个运行过程活性污泥的代谢特性;稳定运行的低温SBR系统活性污泥表现出良好的沉降性,MLSS、MLVSS、以及MLVSS/MLSS都高于常温SBR系统.关键词：污水处理；低温SBR；活性污泥；代谢特性；生物活性；沉降性中图分类号：X703.5文献标识码：A文章编号：1000-6923(2012)01-0069-06Activatedsludgemetabolicfeaturesinlowtemperaturesequencingbathreactor.YINJun*,LIRui,ZHANGZhen-ting,WANGJian-hui,WANGXiao-long(SchoolofMunicipalandEnvironmentalEngineering,JilinArchitecturalandCivilEngineeringInstitute,Changchun130118,China).ChinaEnvironmentalScience,2012,32(1)：69~74Abstract：TheactivatedsludgemetabolicfeaturesofalowtemperatureSBRsystem(7±1)℃werestudiedforpollutantremovalefficiency,bioactivity,andthesludgefeatureaspects.ThelowtemperatureSBRsystemremoved96%ofCODwithin40minutesduringtheaerobicphase.ThewholeoperationcyclewasbeneficialtoCODdegradation.Thenitrationprocesswasrestrainedandthedenitrifyingprocesswasunabletoworknormallyduetotheeffectoflowtemperature.Thelowtemperaturewasnotthekeyfactorthataffectedthephosphorusmetabolicprocessofpoly-PbacteriaintheSBRreactor,asthepoly-Pbacteriacouldabsorbandreleasethephosphorusnormallyinthelowtemperatureenvironment.TheTTC(2,3,5-triphenyl-tetrazoliumchloride)andINT[2-(p-indophenols)-3-(p-nitrophenyl)-5-phenyl-tetrazoliumChloride]ElectronTransportSystem(ETS)activitycaneffectivelycharacterizetheoperationofactivatedsludgemetabolicproperties.Sludgeinthestableoperatedlow-temperatureSBRsystemshowedgoodsettling.MLSS,MLVSSandMLVSS/MLSSinthelowtemperatureSBRsystemwerehigherthanthatinnormaltemperatureSBRsystem.Keywords：sewagetreatment；lowtemperatureSBR；activatedsludge；metabolicfeatures；bioactivity；settleabilitySBR污水处理工艺是一种简便、高效、耐冲击负荷能力强、运行方式灵活、具有同步脱氮除磷能力的活性污泥污水处理方法[1].目前,国内外对于常温SBR工艺运行特征的研究已逐渐成熟,但关于低温SBR工艺中活性污泥代谢特性的研究还很少.寒冷地区的SBR工艺在低温条件下运行时经常会遇到一系列常温条件下不常遇到的问题,因此近年来对低温条件下SBR工艺的运行特征和污染物去除效能的研究,日益引起关注.研究表明[2],水温是影响活性污泥新陈代谢状况的主要因素,当水温低于15℃时,微生物活性开始下降;当水温低于10℃时,微生物活性明显下降;水温小于4℃时,微生物活性非常微弱.因此,温度对活性污泥的正常生命活动具有很大的影响作用,对活性污泥的硝化反应过程影响更加明显[3].孙洪伟等[4]研究发现,低温导致了SBR工艺反硝化过程亚硝态氮积累现象.低温SBR工艺中硝化、聚磷、释磷等其他代谢过程特征还有待进一步研究.微生物电子传递体系(ETS)活性是评价活性收稿日期：2011-04-08基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项(2008ZX07207-009-02)*责任作者,教授,[e-mail]70中国环境科学32卷污泥对有机污染物降解能力的重要指标,使用人工电子受体检测微生物呼吸链上的电子传递速率,可以分析评价微生物ETS活性[5].常用的人工电子受体有2,3,5氯化三苯基四氮唑(TTC)和碘硝基四氮唑(INT)2种,通过这2种电子受体检测出的ETS活性分别被称为TTC-ETS活性和INT-ETS活性[6-8].为了探讨低温SBR污水处理工艺中微生物对污染物的代谢特性,本研究在(7±1)℃条件下,考察分析了SBR反应器中活性污泥对污染物的去除效能与特征、微生物ETS活性的变化规律,以及活性污泥的生长特性,供寒冷地区采用SBR工艺处理低温生活污水时参考.1材料与方法1.1试验用水反应器进水采用自来水配制,碳源为白酒和葡萄糖,氮源为硫酸铵,磷源为磷酸二氢钾,通过投加碳酸氢钠调节pH值.每日配制的污水水质COD维持在350mg/L,BOD维持在260mg/L,TN维持在25mg/L,TP控制在5mg/L,pH值维持在7~8之间.1.2试验装置参考有关资料[9-10],制作的低温SBR反应器如图1所示,反应器由冷却系统和SBR反应器2部分组成,反应器高1m,有效容积为40L,反应器材质为有机玻璃.曝气方式为鼓风曝气,通过转子流量计调节曝气量;采用冷水冷却系统和温度控制仪调控水温;采用定时电力搅拌器保证泥水完全混合,从而完成SBR反应器缺氧反应过程.冷循环系统取样口进水冷却媒冷却媒图1低温SBR反应装置示意Fig.1LowtemperatureSBRreactordiagram1.3反应器的启动运行试验采用接种法培养驯化活性污泥,接种污泥取自长春市某污水处理厂.启动阶段培养温度为(7±1)℃,pH值控制在7~8之间,进水CODcr维持在300~350mg/L,进水氨氮浓度维持在25~30mg/L.系统不排泥间歇运行15d左右后,出水COD浓度可达到一级A标准[11],出水氨氮浓度可达到一级B标准[11],污泥逐渐由棕黑色变为黄褐色,且沉降性能良好.此时,可认为反应器完成启动过程[12].反应器启动完成后,通过冷循环系统和温度调节系统将混合液温度维持在7℃左右.系统运行周期为24h,具体流程为:进水,曝气6h,搅拌2h,静沉2h,出水,待机14h.在系统运行期间,保证每个周期投入数量相同的碳源、氮源、磷源,并且将pH值维持在一定范围内;同时对系统内COD、氨氮、TN、TP、TTC-ETS活性、INT-ETS活性以及SV等指标进行周期性监测.1.4分析方法1.4.1TTC-ETS、INT-ETS活性测定TTC-ETS活性测定方法步骤[13]:向10mL离心管中加入0.8mL的污泥混合液、0.5mL的0.36%Na2SO3溶液和0.3mL事先配制的0.4%TTC(2,3,5氯化三苯基四氮唑)溶液.速将制备好的样品放在(37±1)℃的水浴振荡器内振荡培养30min,然后加1mL的37%甲醛终止酶反应.将该样品4000r/min离心5min,轻轻弃去上清液,加入5mL的丙酮,搅拌混合均匀后,继续在(37±1)℃下暗处振荡萃取10min.待样品萃取完毕,4000r/min再离心5min,将上清液和沉淀污泥分离.用分光光度计在485nm处读取萃取液的吸光度(1cm比色皿).离心的沉淀污泥在(105±1)℃下烘干1h后测干重.INT-ETS活性测定方法步骤[14]:向10mL离心管中加入0.5mL的污泥混合液和0.2mL事先配制的0.2%INT(碘硝基四氮唑)溶液.迅速将制备好的样品放在(37±1)℃的水浴振荡器内振荡培养30min,然后加1mL的37%甲醛终止酶反应.将该样品4000r/min离心5min,轻轻弃去上清液,加入7mL的甲醇,搅拌混合均匀后,继续在(37±1)℃下暗处振荡萃取10min.待样品萃取完1期尹军等：低温SBR工艺活性污泥代谢特性研究71毕,4000r/min再离心5min,将上清液和沉淀污泥分离.用分光光度计在485nm处读取萃取液的吸光度(1cm比色皿).离心的沉淀污泥在(105±1)℃下烘干1h后测干重.TTC-ETS和NT-ETS活性的计算公式:WtKVDUII485=式中:UI为INT-ETS活性[mgINTF/(gTSS⋅h)]或者TTC-ETS活性[mgTF/(gTSS⋅h)];D485为波长485nm处的上清液吸光度;V为TTC或INT萃取剂体积,mL;KI为TTC或INT标准曲线斜率;W为污泥干重,g;t为培养时间,h.1.4.2常规指标的测定在试验过程中CODcr的测定采用5B-1型COD快速测定仪,氨氮的测定采用纳氏试剂分光光度法,TN的测定采用过硫酸钾氧化紫外分光光度法,TP的测定采用钼锑抗分光光度法,混合液悬浮固体(MLSS)和混合液挥发性悬浮固体(MLVSS)测定采用滤纸重量法.2结果与讨论2.1污染物的去除效果低温SBR系统完成启动阶段运行稳定后,在一个运行周期内,按不同时间,对混合液中的COD、氨氮、TN、TP等浓度指标进行了动态监测.进行3个周期动态监测后,发现各污染物浓度在不同周期内变化曲线基本相同,试验结果如图2所示.050100150200250300350400060120180240300360420480时间(min)COD(mg/L)好氧段缺氧段a.COD051015202530060120180240300360420480时间(min)氨氮(mg/L)好氧段缺氧段b.氨氮05101520253035060120180240300360420480时间(min)TN(mg/L)好氧段缺氧段c.TN0246810060120180240300360420480时间(min)TP(mg/L)好氧段缺氧段d.TP图2低温SBR系统中COD、氨氮、TN和TP浓度随反应时间的变化Fig.2VariationofCOD,NH4-N,TNandTPconcentrationswithtimeinthelowtemperatureSBRsystem由图2a可见,在好氧阶段,当系统运行到第40min时,96%的COD已被去除,从40min开始到好氧运行阶段结束,COD去除率基本保持不变;第360min添加碳源