Cu2+对好氧颗粒污泥理化特性的影响分析

巢少峰冒文娟郑晓英吴颜科倪 明

(1.江苏大禹水务股份有限公司,江苏常州 213161;2.河海大学环境学院,江苏南京 210098)

Cu2+对好氧颗粒污泥理化特性的影响分析

巢少峰1,冒文娟2,郑晓英2,吴颜科2,倪 明2

(1.江苏大禹水务股份有限公司,江苏常州 213161;2.河海大学环境学院,江苏南京 210098)

以普通活性污泥为接种污泥,葡萄糖和乙酸钠为碳源,在SBR反应器中培养好氧颗粒污泥,考察不同质量浓度Cu2+(0 mg/L、1 mg/L、3 mg/L、5 mg/L和10 mg/L)冲击作用对好氧颗粒污泥理化特性的影响。结果表明,随着Cu2+质量浓度从0mg/L上升至10mg/L,好氧颗粒污泥的理化特性均受到不同程度的影响。质量浓度为1 mg/L和3 mg/L的Cu2+对COD和NH+4-N的去除率影响较小,而质量浓度为5 mg/L和10 mg/L的Cu2+对COD和NH+4-N的去除率影响较大。随着Cu2+质量浓度的增加,好氧颗粒污泥的丝状菌逐渐增多,污泥浓度不断下降,沉降性能急剧恶化;密实度降低,结构越来越松散,粒径出现两极分化的现象,而且在质量浓度为10 mg/L的Cu2+作用下颗粒污泥解体。

好氧颗粒污泥;污泥理化特征;Cu2+;SBR反应器

好氧颗粒污泥是由微生物自絮凝形成的污泥聚集体,与普通活性污泥相比,具有较高的污泥浓度和良好的沉降性能,能够缩小污水处理厂的占地面积、降低工程造价以及减少剩余污泥排放量[1-4]。好氧颗粒污泥技术作为近几年发展起来的污水处理新技术,已成为国内外学者关注的热点。Cu2+主要来源于电镀、矿石处理、冶炼、皮革、电子等工业领域[5],痕量时是微生物必需的营养物质,但过量的重金属离子则会抑制微生物生化反应,降低污水处理效果[6]。因此,不同质量浓度Cu2+的冲击作用对好氧颗粒污泥的影响还有待进一步研究。

笔者以普通活性污泥作为接种污泥,以葡萄糖和乙酸钠为碳源,采用SBR反应器培养好氧颗粒污泥,考察在不同质量浓度Cu2+冲击作用下好氧颗粒污泥的污染物去除效率、外观形态、污泥浓度、沉降性能以及物理特性等随运行时间的变化。

1 材料与方法

1.1 试验装置

SBR反应器为有机玻璃制成,直径80 mm,有效高度900mm,有效容积4L,每周期换水量2.5L。模拟废水经蠕动泵打入反应器,采用曝气泵和曝气砂头供气,通过气体流量计控制气量。试验装置见图1。

试验运行周期为6 h,每个周期的具体运行时间为进水10 min、曝气342 min、沉淀3 min、排水5 min。通过蠕动泵从反应器底部进水,由电磁阀控制从中部排水,空气压缩机从反应器上部插入玻璃砂芯砂头曝气,曝气量为150 L/h,溶解氧(DO)质量浓度控制在6～ 8 mg/L。5个反应器并联运行,试验水温控制在20℃±2℃。

1.2 进水水质

采取人工模拟生活污水,主要成分质量浓度如下:ρ(C6H12O6)=500.0 mg/L,ρ(CH3COONa)= 120.0 mg/L,ρ(peptone)=15.0 mg/L,ρ(NH4Cl)=100.0 mg/L,ρ(KH2PO4)=10.0 mg/L,ρ(Na2HPO4)= 10.0 mg/L,ρ(Cacl2)=150.0 mg/L,ρ(MgSO4·7H2O)=20.0 mg/L,ρ(FeSO4·7H2O)=20.0 mg/L,ρ(Co(NO3)2·6H2O)=3.0 mg/L,ρ(MnCl2·4H2O)=0.4 mg/L,ρ(ZnSO4·7H2O)=0.5 mg/L。

1.3 试验方法

采用普通活性污泥培养好氧颗粒污泥,接种絮状污泥取自南京市江宁污水处理厂ρ(MLSS)= 1830 mg/L)。经40 d后培养出成熟的好氧颗粒污泥,并将5个反应器的污泥进行混合,再平均分布于5个反应器中,保证每个反应器内的污泥质量浓度基本相当(ρ(MLSS)=3500～4000mg/L)。在好氧颗粒污泥培养成功后,分别投加Cu2+质量浓度为0 mg/L、1 mg/L、3 mg/L、5 mg/L、10 mg/L(其他条件不变);在投加不同质量浓度Cu2+的过程中,每天在固定时间分别从5个反应器内取样检测各项污染成分指标。

1.4 分析方法

2 结果与讨论

2.1 Cu2+对好氧颗粒污泥脱氮降碳性能的影响

质量浓度为1 mg/L的Cu2+对NH-N去除率的影响较小,基本维持在95%左右;质量浓度为3 mg/L的Cu2+对NH-N去除率有轻微影响,去除率下降到91.18%;而质量浓度为5 mg/L和10 mg/L的Cu2+均会对NH-N去除率产生明显的影响,去除率分别下降到81.05%和58.97%。从图2可以看出,随着Cu2+质量浓度的增加,NH-N的去除率逐渐降低,说明Cu2+对硝化反应有抑制作用,而且随着Cu2+质量浓度的增加,抑制作用逐渐增强。对比图2中Cu2+对COD和NH-N去除率的影响情况可知,Cu2+对NH-N的抑制作用明显大于其对COD的抑制作用,这一点说明硝化细菌比异养生物对重金属更为敏感[10]。

2.2 Cu2+对好氧颗粒污泥外观形态的影响

从图3可以看出:空白样(未投加Cu2+)的好氧颗粒污泥表面光滑,结构密实,轮廓清晰;随着Cu2+质量浓度的增加,好氧颗粒污泥的密实度逐渐降低,而且颗粒污泥结构越来越松散,表面的丝状菌逐渐增多;在质量浓度为10mg/L的Cu2+影响下,颗粒污泥解体,暴露出颗粒内部的丝状菌骨架。根据A/V假说[11],丝状菌比表面积大,抵抗“恶劣”环境的能力比菌胶团细菌强,因此在“恶劣”的环境中丝状菌一般为优势菌种。

采用普通光学显微镜对好氧颗粒污泥的外观形态进行跟踪观察,发现随着Cu2+质量浓度的增加,颗粒污泥中微型动物的种类和数目逐渐减少,在10 mg/L的Cu2+作用下,基本检测不到微型动物的存在。好氧颗粒污泥中丰富的微生物相在污染物去除中具有重要作用,原、后生动物是污水处理效果的指示性微生物。

2.3 Cu2+对好氧颗粒污泥质量浓度和沉降性能的影响

不同质量浓度Cu2+对污泥质量浓度和沉降性能的影响如图4所示。反应器中污泥质量浓度和沉降性能是影响工艺运行稳定性的基本要素,只有保持污泥质量浓度稳定,沉降性能良好,才能维持高效的除污能力和稳定的运行工况。

从图4可以看出,随着Cu2+质量浓度的升高,好氧颗粒污泥质量浓度呈现出不断下降的趋势。分析认为,Cu2+进入生物细胞内,与蛋白质结合,使酶失去活性,导致菌体死亡,污泥松散、沉降性能变差,污泥大量流失[12-13]。随着Cu2+质量浓度从0 mg/L上升至10 mg/L时,污泥体积指数 SVI从4.24 mg/L上升至131.58 mg/L,沉降性能急剧恶化。重金属离子导致好氧颗粒污泥沉降性能差的原因主要有以下2点:(a)重金属离子影响了好氧颗粒污泥内微生物的细胞活性,降低了微生物自身的絮凝作用[14]。(b)重金属离子大量存在时,重金属离子可置换出污泥中的H+,从而使环境pH发生一定程度的下降,进而使活性污泥的沉降速度变慢[15]。耐毒性较强的丝状菌大量增生可能是导致污泥沉降性能下降的主要原因。

2.4 Cu2+对好氧颗粒污泥物理特性的影响

粒径、含水率和相对密度是表征好氧颗粒污泥物理特性的基本指标,图5显示了不同质量浓度Cu2+冲击作用对好氧颗粒污泥物理特性的影响。从图5(a)可以看出,随着 Cu2+质量浓度的增加,粒径d＜300 μm和d＞1500 μm的好氧颗粒污泥所占比例逐渐增大。当Cu2+质量浓度分别为0 mg/L、1 mg/L、3 mg/L、5 mg/L和10 mg/L时,粒径d＜300 μm的颗粒污泥分别为15.97%、18.38%、23.75%、25.74%和29.35%,粒径d＞1 500 μm的颗粒污泥分别为0.09%、0.04%、5.80%、6.17%和11.33%。分析认为,Cu2+对好氧颗粒污泥的结构性能产生了一定的影响,随着Cu2+质量浓度的增加,反应器中出现了较多结构松散、表观尺寸较大的颗粒污泥以及分散细小的悬浮污泥。

而且从图5(b)中可以看出,Cu2+对好氧颗粒污泥的含水率和相对密度均有较大程度的影响,随着Cu2+质量浓度从0 mg/L上升至10 mg/L,好氧颗粒污泥的含水率从98.040%上升至98.887%,相对密度由1.016下降至1.002。污泥含水率上升进一步验证了Cu2+导致好氧颗粒污泥结构松散的猜想,好氧颗粒污泥密度下降也是导致其沉降性能变差的主要因素。

3 结 语

本文采用普通活性污泥作为接种污泥,葡萄糖和乙酸钠为碳源,在SBR反应器中培养好氧颗粒污泥。在好氧颗粒污泥培养成熟后,分别投加不同质量浓度的Cu2+(0 mg/L、1 mg/L、3 mg/L、5 mg/L和10 mg/L),考察其对好氧颗粒污泥理化特性的影响,得出以下结论:

a.质量浓度为1 mg/L和3 mg/L的Cu2+对COD和NH+4-N的去除率影响较小,而质量浓度为5 mg/L和10 mg/L的Cu2+对COD和NH+4-N的去除率影响较大。

b.随着Cu2+质量浓度的增加,好氧颗粒污泥的丝状菌逐渐增多,污泥浓度不断下降,沉降性能急剧恶化。

c.随着Cu2+质量浓度的增加,好氧颗粒污泥密实度降低,结构松散,粒径出现两极分化的现象,而且在10 mg/L的Cu2+作用下,好氧颗粒污泥解体。

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Analysis of influence of Cu2+on physicochemical characteristics of aerobic granular sludge

CHAO Shaofeng1,MAO Wenjuan2,ZHENG Xiaoying2,WU Yanke2,NI Ming2
(1.Jiangsu Dayu Water Co.,Ltd.,Changzhou 213161,China; 2.College of Environment,Hohai University,Nanjing 210098,China)

In this study,aerobic granular sludge was cultivated in a sequencing batch reactor(SBR)with glucose and sodium acetate as the carbon sources.The shock-loading effects of varying Cu2+concentrations(0,1,3,5 and 10 mg/L)on the physicochemical characteristics of the aerobic granular sludge were studied.The results show that the physicochemical characteristics of the aerobic granular sludge were affected as the concentration of Cu2+increased from 0 to 10 mg/L.Cu2+with concentrations of 1 and 3 mg/L had a slight effect on the removal efficiencies of COD and NH+4-N,while Cu2+with concentrations of 5 and 10 mg/L had a significant effect on the removal efficiencies of COD and NH+4-N.As the concentration of Cu2+increased,filamentous bacteria in the aerobic granular sludge increased gradually,the concentration of sludge decreased continuously,and the settling property deteriorated rapidly.In addition,a decrease in the density degree,a loosening structure,and polarization of particle size of the aerobic granular sludge were found in the SBR,and the granular sludge disintegrated when the Cu2+concentration was 10 mg/L.

aerobic granular sludge;physicochemical characteristics of sludge;Cu2+;sequencing batch reactor

X703

:A

:1000-1980(2014)05-0399-05

10.3876/j.issn.1000-1980.2014.05.005

2013-08 08

国家自然科学基金(51208174);水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07506-002-2)

巢少峰(1974—),男,江苏常州人,工程师,主要从事污水处理系统运行管理与水环境治理研究。E-mail:chaoshaof88@163.com