印染废水活性污泥代谢状态光偏转快速检测法

张洛红,李芮莹,曹 敏,成晶晶,王勋涛,翟迎博,熊 鑫

印染废水活性污泥代谢状态光偏转快速检测法

张洛红*,李芮莹,曹 敏,成晶晶,王勋涛,翟迎博,熊 鑫

(西安工程大学环境科学与工程系,陕西 西安 710600)

针对现有活性污泥检测方法过程繁琐、耗时长、检测结果滞后的局限,提出了光偏转快速检测法.在污泥负荷为0.33KgCOD/(kg MLSS×d)、水力停留时间为15h的印染废水完全混合式活性污泥系统中,投放粒径4mm、具有20μm微孔结构的聚乙烯醇(PVA)凝胶小球以负载微生物,并在小球达到稳定状态后,对其表面处因外界溶液与微生物代谢产物交换产生的浓度梯度变化,借助光斑分析仪进行光偏转检测,同时测定与光偏转检测结果相对应的15h后的出水COD及COD去除率.连续10个月的检测发现,小球中富集的主要为细菌,当进水COD由91.95mg/L增至519.4mg/L时,小球的光偏转值从229.51μm增加至299.97μm,COD去除率从16.03%提高至66.99%;当DO浓度为1.5mg/L～5mg/L时,小球光偏转值在DO=4mg/L时增至最大为309.3mg/L,对应状态下COD去除率增至最大为61.18%;在pH值为6～9时,小球光偏转值在pH=7时增至最大为293.96μm,对应状态下COD去除率也达到最大值为64.83%;当重金属Cr3+浓度增至50mg/L时,微生物活性逐渐受到抑制,小球光偏转值在Cr3+浓度为20mg/L时降至269.7μm,随后随着Cr3+浓度的增加,微生物细胞受损,胞内物质溶出,小球光偏转值有所增大,对应状态下COD去除率从52.5%持续降低至25.73%.结果表明:该方法可快速获得活性污泥代谢状态变化信息,且依据特定条件下小球光偏转值变化能够预测随后印染废水COD的去除效果.利用三维荧光光谱初步探究了微生物代谢引发光偏转的机理,发现参与微生物代谢的主要有机物为酪氨酸、芳香类蛋白及色氨酸.

光偏转快速检测法；活性污泥法；微生物代谢状态；聚乙烯醇(PVA)凝胶小球；COD去除率

印染废水属难处理的工业废水之一,其有效处理是行业可持续健康发展的关键[1].活性污泥法对印染废水中的有机物及显色基团有较好的处理效果[2-3],但该方法处理印染废水所需周期较长,且印染废水水质水量、温度、有毒有害物质等变化较大,会影响活性污泥代谢活性[4-6],因而需要对活性污泥中微生物的生长代谢状态进行快速检测,以保证印染废水活性污泥处理系统的出水水质.

现有传统的活性污泥检测方法如30min污泥沉降比(SV30)法、混合液挥发性悬浮物浓度(MLVSS)法、污泥容积指数(SVI)法等,可随时观察活性污泥的絮凝、沉降性能[7],且可与污泥负荷、溶解氧(DO)浓度及活性污泥中总絮凝体体积引起的氧转移消耗获得很好的相关性,常用以判断并指导污水处理系统的运行[8-9];随后引进的微生物检测方法如三磷酸腺苷(ATP)法、脱氢酶活性(DHA)法、比耗氧速率(SOUR)法等,可有效反映微生物的活性状态,与溶解氧浓度、氧化还原电位(OPR)及pH有较好的相关性[10-11];显微镜技术在细菌生物的检测中具有操作简便、分辨率高等诸多优点[12];近些年来,采用其他检测方法及模型模拟来反映污泥性质,为污水处理工艺运行提供数据依据的研究也很活跃[13-16].

当印染废水活性污泥处理系统运行异常甚至崩溃时,则需要较长时间恢复,而目前采用的方法虽然有诸多优点,但普遍存在检测过程繁琐、耗时长、检测结果滞后等局限,从而导致污泥性质检测数据不能快速反映出污泥代谢状态.因此探究一种快速检测活性污泥性质的方法显得尤为重要[17].

本研究向实验室印染废水活性污泥完全混合式曝气池中投放聚乙烯醇(PVA)凝胶小球,用来负载活性污泥微生物,采用光偏转快速检测法对PVA凝胶小球中微生物代谢状态进行快速检测,探究进水化学需氧量(COD)、pH值、DO浓度、重金属Cr3+浓度对PVA小球光偏转检测结果的影响,并分析COD去除率与PVA凝胶小球光偏转检测结果的相关关系,以探究光偏转快速检测法的可行性.同时通过三维荧光光谱,探究活性污泥体系中参与微生物代谢及引发光偏转的主要有机物.

1 材料与方法

1.1 实验用水、接种污泥与PVA凝胶小球

1.1.1 实验用水 印染废水采集于陕西省咸阳际华新三零印染有限公司污水处理厂,废水初始COD为1300mg/L,按实验需要,将其稀释后泵入印染废水活性污泥完全混合式曝气池.

1.1.2 接种污泥 实验污泥取自上述污水处理厂回流污泥,接种到实验室印染废水活性污泥处理系统内,MLSS约为2165.4mg/L,SV30约为33%.经实验室处理装置驯化15d,系统达到稳定状态.

1.1.3 PVA凝胶小球 研究中的PVA凝胶小球(日本Kuraray公司)为新型微生物固定化载体,其直径为4mm,密度为1.025g/cm3,内部及表面均具有20μm的多孔微结构.

1.2 实验内容

1.2.1 活性污泥处理系统 采用活性污泥完全混合式曝气池探究进水COD、pH值、DO浓度、重金属Cr3+浓度对小球光偏转检测结果及印染废水COD去除率的影响,实验从春季持续到秋季共10个月.

图1 污水处理示意

1.印染废水;2.曝气池;3.曝气;4.PVA凝胶小球容器;5.沉淀池;6.出水;7.污泥回流;8.剩余污泥

如图1所示,将PVA凝胶小球置于容器壁光滑且多孔(孔隙直径为3mm)的圆柱体容器中,PVA凝胶小球投加量与盛放其的容器体积比为1:10,并将PVA凝胶小球容器放置在印染废水活性污泥完全混合式曝气池内部以负载微生物,用空气压缩机(广东日生集团有限公司)进行曝气,处理后的印染废水经过沉淀池静置沉淀后出水.具体运行参数为:处理印染废水水量为31.97L/d、污泥负荷为0.33KgCOD/ (kg MLSS•d)、水力停留时间为15h、回流比为100%.

1.2.2 光偏转检测装置 光偏转检测装置由三维精密位仪光学平台(WNOIHB型,中国孚光精仪有限公司)、稳频He-Ne激光器(美国Melles Griot公司)、衰减片(透过率分别为50%和10%,北京卓立汉光仪器有限公司)及光斑分析仪(包括SPOU20CCD相机;Beam Gage软件,美国Ophir-Spiricon公司)组成.

1.2.3 PVA凝胶小球的光偏转检测及系统出水COD测定 取曝气池的污泥混合液在4000r/min下离心30s,离心后所得上清液转移至平底玻璃容器中,并取出1个在完全混合式曝气池内富集了微生物并达到稳定状态的PVA凝胶小球,将其放入存有上清液的平底玻璃容器中(上清液刚好完全淹没小球),随后借助光偏转检测装置对小球进行光偏转检测.待检测完第1个小球,重新取离心后所得的上清液,在相同的操作步骤下检测第2个小球,每次检测小球个数³6,计算其光偏转值平均值及标准偏差(SD).从开始离心至所有小球光偏转检测结束,每次检测时间在3min之内.

同时在检测PVA小球光偏转值15h后,检测印染废水活性污泥处理系统出水COD,并计算COD去除率.

1.3 检测方法

1.3.1 基本检测指标

表1 基本指标测定方法

1.3.2 光偏转检测方法 如图2所示,激光器发出的激光先经过扩束器以扩展激光束直径并减小激光束发散角,再通过光学衰减片后经45°反射镜进行垂直反射,最后通过显微镜镜头进行聚焦,在实际检测中,光学设备一次性调试好后不再移动,只需旋转微型位仪台X-Y轴,使聚焦后的激光接近PVA凝胶小球边缘并逐渐与之相切,形成的光斑图像经SPOU20CCD相机采集后转换为模拟信号传送给计算机Spiricon Beam Gage操作软件.

1.3.3 扫描电子显微镜(SEM) 采用SEM扫描PVA凝胶小球的内部及表面,观察空白PVA凝胶小球表面、内部结构以及富集微生物后的PVA凝胶小球表面、内部微生物生长繁殖状态.小球预处理方法为:将空白及富集了微生物的PVA凝胶小球经冷冻干燥机干燥24h,定型且去除水分后进行喷金.

图2 光偏转距离测量示意

1.计算机Beam Gage操作软件;2.CCD相机;3.X;Y载物台,PVA凝胶小球;4.目镜;5.物镜;6反射镜;7.衰减片;8.固定架;9.激光扩束器;10.激光器电源;11.光学平台

1.3.4 三维荧光光谱法 采用三维荧光光谱对印染废水中有机物组份及经活性污泥法处理后的印染废水中有机物组份进行对比分析.三维荧光光谱的测定采用日本日立公司生产的三维荧光光谱仪,型号为F-4500型,参数设置为:激发波长ex:250～ 550nm,发射波长em:200～400nm,激发扫描步长: 5nm,扫描速度:12000nm/min,测定结果以荧光强度及三维荧光光谱图来表示.

2 结果与讨论

2.1 PVA凝胶小球外观变化与微生物富集情况

2.1.1 PVA凝胶小球外观变化 如图3所示,未富集微生物的空白PVA凝胶小球颜色为白色;而在印染废水活性污泥完全混合式曝气池中,经过1个月的运行,PVA凝胶小球状态达到稳定,外观颜色加深,说明小球中富集了一定量的微生物[18-19].

图3 PVA凝胶小球外观形貌

2.1.2 PVA凝胶小球微生物富集情况 为进一步分析PVA凝胶小球表面和内部微生物的生长繁殖状态,采用SEM对PVA凝胶小球进行观察,结果如图4所示.

图4 PVA凝胶小球微生物富集SEM图

如图4(a)所示,PVA凝胶小球内部及表面均具有20μm的多孔微结构.

如图4(b)所示,PVA凝胶小球表面富集了大量细菌.实验中,将PVA凝胶小球容器固定在曝气头上部,使得容器内密度为1.025g/cm3的小球在气体与水流的作用下处于持续流动状态,且小球投加量为容器体积的10%,合适的体积比及较好的悬浮状态,使得小球彼此之间相互摩擦,从而避免多余污泥絮体及原生动物、后生动物的附着,以减少对光偏转检测结果的影响.

如图4(c)所示,PVA凝胶小球内部也富集了大量细菌.这表明小球中细菌富集量高,各种细菌从PVA凝胶小球表面逐渐富集到内部[20-21].而在活性污泥生物处理过程中,对活性污泥微生物的检测很大程度体现在对细菌的检测上[22-24],而PVA凝胶小球对细菌的有效富集,有利于光偏转检测法对活性污泥代谢状态的快速检测,更有利于提高光偏转检测法对于活性污泥代谢状态检测结果的有效性.

2.2 光偏转检测可行性研究

理论上认为,PVA凝胶小球作为一个相对独立的整体,其中富集的细菌群体在代谢过程中,产生的代谢产物会与外界溶液之间相互交换,从而在小球边缘产生一定的浓度梯度变化,当激光经过这一浓度梯度时,会发生偏折,而当激光无限接近小球表面时,因为小球表面的浓度梯度变化最大,此时引起的光斑偏移程度也最大[25].

本研究选择型号为Melles Griot 05-STP910- 230的稳频氦氖激光器,其光束直径为0.48mm,波长为632.8nm,输出功率为0.6～1.4mW,发散角为1.7mrad,属低能量级激光,经过衰减片后能量进一步减弱,对生物无危害,且光斑大小合适,可用于光偏转快速检测[17].

实际检测发现,激光在远离小球时,由SPOU20CCD相机采集并传送给计算机的光束信号,在Spiricon Beam Gage操作软件中经预处理后,呈现出与入射的激光光束截面大小和形状完全相同的光斑图像,如图5(a)所示,此时光偏转距离为零;旋转微型位仪台X-Y轴,因PVA凝胶小球边缘存在的浓度梯度变化,入射激光在Beam Gage操作软件呈现的光斑图像会发生偏折,如图5(b)所示,此时产生一定的偏转距离;继续旋转微型位仪台X-Y轴,直至Beam Gage操作软件上光斑图像消失,如图5(c)所示,此时入射激光的偏转距离为231.6μm(2.316e+02μm,光束轮廓X界面高斯拟合峰值的变化距离,此值是DO浓度为1.5mg/L时小球的光偏转值),即为被测PVA凝胶小球的光偏转值.

图5 PVA凝胶小球光偏转距离测量示意

由检测结果,富集在小球内的细菌,在不同的生长代谢状态下,代谢产物与外界溶液形成的浓度梯度是不同的,光偏转快速检测法检测所得的光偏转值也是不同的.且每次检测时间均在3min之内,可以克服以往活性污泥检测方法耗时长、检测结果滞后的局限性,有效提高了活性污泥代谢状态的检测效率及数据的可靠性,故光偏转检测法用于快速检测微生物代谢状态变化是可行的.

2.3 进水COD对PVA凝胶小球光偏转值的影响

如图6(a)所示,印染废水COD去除率与PVA凝胶小球光偏转值变化趋势均先快速增加后趋于平缓.当进水COD为91.95mg/L时,PVA凝胶小球的光偏转值为229.51μm,印染废水COD去除率仅为16.03%,此时完全混合式曝气池内有机负荷较低,富集在PVA凝胶小球中的细菌处于营养不足的状态,其代谢活力较弱,对印染废水中有机物的氧化分解不彻底,代谢产物与外界溶液进行不间断的物质交换时产生的浓度梯度变化较小;在进水COD增至179.3mg/L的过程中,PVA凝胶小球的光偏转值逐渐增至272.65μm,印染废水COD去除率也增至40.73%,此时由于曝气池内随进水COD浓度的增加,可供小球中细菌代谢繁殖利用的营养底物增多,从而使得细菌代谢逐渐旺盛,罗茜等[26]的研究表明外加碳源会改变原始污泥中的物质供应水平,从而刺激脱氢酶的合成,这与本实验进水COD浓度增加,会引起细菌活性的提高,进而使得光偏转值增高的结论一致;当进水COD进一步增至519.4mg/L时, PVA凝胶小球光偏转值从272.65μm增至299.97μm,印染废水COD去除率从40.73%增至66.99%,此时曝气池内有机负荷进一步升高,但细菌的水解酶酶促反应速率有限[27],小球中细菌的代谢状态逐渐趋于稳定,与印染废水COD去除率增速减缓保持一致.

图6 各因素对PVA凝胶小球光偏转值及COD去除率的影响

2.4 pH值对PVA凝胶小球光偏转值的影响

为探究pH值对PVA凝胶小球内富集细菌的影响,调节初始pH=6,后逐渐增大曝气池内pH值,随后反复调节曝气池内pH=6～9.

如图6(b)所示,在前15d的检测研究中,当pH=6时,对应状态下PVA凝胶小球光偏转值为270.52μm,印染废水COD去除率为54.18%,此时曝气池内处于异常运行状态,偏酸性的条件使得PVA凝胶小球中富集的细菌表面特性被改变,影响了细菌自身对营养物质的摄取及有效分解,且低pH值可能直接影响细菌的活性,从而导致细菌自身代谢活性较弱[28];当pH值升至7的过程中,PVA凝胶小球光偏转值增至293.96μm,印染废水COD去除率增至64.83%,此时由于曝气池内从偏酸性变为中性,有利于细菌活性的恢复及代谢繁殖,对有机污染物的降解效率也逐渐增大;当pH值升至8.5时,PVA凝胶小球光偏转值降低至266.26μm,印染废水COD去除率降低至55.2%,此时在偏碱性条件下,曝气池内PVA凝胶小球中富集的细菌代谢活性再次受到抑制;但这与其他研究得出的pH=7.5～8.5时,活性污泥微生物仍能保持较好活性[29]的结论不符.当pH值升至9时,PVA凝胶小球的光偏转值增大至293.94μm,但光偏转值波动较大(SD>5),且对应状态下印染废水COD去除率进一步降低至47.1%,此时完全混合式曝气池系统受到危害,再次处于异常运行状态,曝气池内PVA凝胶小球中富集的细菌代谢活性进一步减弱,印染废水COD去除率也随之降低.Wang等[30]的FTIR研究结果表明,在较高的pH值下,羧基、酰胺基团被破坏并出现无序的盘旋结果.故在较高的pH值下,部分细菌可能出现细胞受损的情况,导致细胞内物质大量释放溶解,使得小球光偏转值异常增大.

朱哲等[31]研究表明在酸性条件下,污泥絮体的平均粒径增大,结构松散,在中性条件下,絮体平均粒径减小,分形维数较高,结构致密,偏碱性条件下,絮体平均粒径较中性条件略有增大,分形维数相应减小.这表明,在酸性条件及碱性条件下,污泥中微生物状态较差,从而导致污泥絮体结构产生不好的变化,进一步影响微生物代谢活性及对污染物的分解,而这与本研究PVA凝胶小球中细菌的代谢状态引起的光偏转值及印染废水COD去除率变化结论一致.

随后检测研究中,重复调节系统pH=6～9,发现PVA凝胶小球的光偏转值与印染废水COD去除率和前15d检测结果存在相似的变化关系.

2.5 DO浓度对PVA凝胶小球光偏转值的影响

为探究DO浓度对PVA凝胶小球内富集细菌的影响,开始调节DO=1.5mg/L,而后逐渐增大曝气池内DO值,随后反复调节曝气池内DO=1.5～5mg/L.

如图6(c)所示,在前15d的检测研究中,当DO= 1.5mg/L时,PVA凝胶小球光偏转值为231.6μm,印染废水COD去除率为52.23%,此时印染废水活性污泥完全混合式曝气池内含氧量较少,PVA凝胶小球中富集的细菌新陈代谢活性不足,对有机物底物不能进行充分的传质与反应,代谢产物与外界溶液间产生的浓度梯度变化也较小;当DO浓度从1.5mg/L增至3.5mg/L,PVA凝胶小球的光偏转值快速增长,从231.6μm增至288.1μm,印染废水COD去除率从52.23%增至58.46%,此时曝气池内PVA凝胶小球中富集的细菌代谢活性逐渐增强,对营养物质的吸附与摄取速度加快,对有机物的氧化分解效率也不断提高;随着DO浓度增至4mg/L,PVA凝胶小球的光偏转值从288.1μm增至309.3μm,印染废水COD去除率从58.46%增至61.18%,此时随着曝气池内含氧量的进一步升高,PVA凝胶小球中富集的细菌与有机物底物得以充分接触,对有机物底物的代谢能力也进一步提高.李兴[29]研究结果表明当DO浓度值在2.0～4.5mg/L时脱氢酶活性法可以有效反映活性污泥的实际代谢状态,且随着DO浓度的增加,活性污泥脱氢酶活性逐渐增强,这与本研究小球光偏转值检测结果表明的活性污泥代谢状态结论一致.

随后调节完全混合式曝气池内DO浓度,使得DO=3mg/L,对应状态下PVA凝胶小球光偏转值为286.45μm,印染废水COD去除率为56.42%,此时完全混合式曝气池从异常运行条件调整至正常运行条件,PVA凝胶小球中细菌的代谢活性逐渐恢复;当DO浓度增至4mg/L时,PVA凝胶小球光偏转值为303.47μm,印染废水COD去除率为56.05%,此时PVA凝胶小球中细菌的代谢活性进一步增强,PVA凝胶小球光偏转值增大,印染废水COD去除率也随之增大;当DO浓度增至4.5mg/L时,PVA凝胶小球中细菌的代谢活性减弱,PVA凝胶小球光偏转值减小,但印染废水COD去除率却稍许增加.

在随后检测中,重复调节曝气池DO=1～5mg/L,结果发现PVA凝胶小球的光偏转值变化与印染废水COD去除率变化和之前的研究存在相似的变化关系.

2.6 重金属浓度对PVA凝胶小球光偏转值的影响

金属铬化合物被广泛应用于印染领域染色工艺中,如媒染剂重铬酸钾(K2Cr2O7)就常用于羊毛染色[32-33].为探究重金属对PVA凝胶小球内细菌代谢状态的影响,向印染废水活性污泥完全混合式曝气池内投加CrCl3.

如图6(d)所示,印染废水COD去除率持续降低,PVA凝胶小球的光偏转值先快速降低后增加,然后再次降低.随着Cr3+浓度从0mg/L增至20mg/L, PVA凝胶小球的光偏转值从289.2μm减小到269.7μm,印染废水COD去除率从52.5%降至47.5%,重金属会使酶活性受到抑制[34-35],此时曝气池内小球中细菌的代谢活性在Cr3+作用下减弱;当Cr3+浓度从20mg/L增至40mg/L时,PVA凝胶小球的光偏转值从269.7μm增大到304.3μm,印染废水COD去除率从47.5%降至30.7%,此时曝气池内PVA凝胶小球中细菌的代谢活性进一步减弱,但部分对Cr3+耐受性较差的细菌出现细胞膜受损甚至死亡,导致细胞内物质大量释放[36],从而使PVA凝胶小球中富集的细菌与外界溶液物质交换时产生的浓度梯度变化增大,导致PVA凝胶小球光偏转值增加,对应状态下印染废水COD去除率的下降速度加快.Plaper等[37]研究表明Cr3+可能引起DNA损伤并抑制拓扑异构酶DNA活性,且Cr3+还会降低细胞的活力或增殖速率,这与本研究PVA凝胶小球光偏转值增加结论一致;当Cr3+浓度升至50mg/L时,污泥出现解体上浮现象,曝气池内PVA凝胶小球中富集的尚有活性的细菌代谢状态持续减弱,PVA凝胶小球光偏转值降低至281.4μm,印染废水COD去除率降低至25.73%.

3 活性污泥中微生物代谢引发光偏转的机理分析

3.1 三维荧光光谱检测

图7 活性污泥降解印染废水前后有机物三维荧光光谱图

a:降解前;b:降解后

如图8所示,通过三维荧光光谱[38-39]检测发现,印染废水三维荧光峰分别为A酪氨(ex/em= 210.0nm/320.0nm)、B芳香类蛋白(ex/em= 230.0nm/335.0nm)、C色氨酸(ex/em=280.0nm/ 320.0nm),这3种有机物的荧光强度分别为2210、8663、8138.说明印染废水中主要的有机物为酪氨酸、芳香类蛋白、色氨酸.

对比经印染废水活性污泥完全混合式曝气池处理后的出水,发现酪氨酸、芳香类蛋白、色氨酸的荧光强度分别降为270.7、1032、1138.下降率分别为87.77%、88.08%、86.02%(表2),说明这3类有机物是活性污泥中参与微生物(主要为细菌)代谢的主要有机物.

表2 各有机组分荧光强度

3.2 展望

在活性污泥中,有活性的微生物(Ma)、微生物自身氧化残留物(Me)、吸附在活性污泥上没有被微生物所降解的有机物(Mi)、无机悬浮固体(Mii)甚至是菌胶团中的胞外聚合物(EPS)在不同运行条件下都会对活性污泥本身的性质产生重要影响[40-41],在不同条件下产生何种微生物代谢产物及哪种物质对于光偏转值影响较大还未展开具体探究,后续实验以期深入探究光偏转快速检测法检测活性污泥代谢状态的影响因素及机理,进一步缩短检测时间,并提升检测方法的精度和灵敏度,为日后光偏转快速检测法应用于活性污泥代谢状态的检测、活性污泥处理系统的运行调节及保护、出水水质在线预警提供有效的依据.

4 结论

4.1 研究表明,在印染废水活性污泥完全混合式曝气池中,采用光偏转快速检测法,检测PVA凝胶小球中细菌的代谢状态及依据PVA凝胶小球光偏转值变化,预测系统随后15h的出水水质是可行的;

4.2 曝气池运行条件改变且状态正常时,细菌代谢状态良好,对应状态下PVA凝胶小球光偏转值快速增大并稳定在较高值,且SD<5;曝气池运行条件改变但状态异常时,细菌代谢状态受到抑制或细胞受到损伤,此时PVA凝胶小球光偏转值快速减小或异常增大,且SD>5;

4.3 PVA凝胶小球光偏转值增大并稳定在较高值,且SD<5时,对应状态下印染废水COD去除率随之增大,出水水质稳定;当PVA凝胶小球光偏转值减小或异常增大,且SD>5时,对应状态下印染废水COD去除率随之降低,出水水质不稳定;

4.4 三维荧光光谱表明在印染废水处理中参与微生物(主要为细菌)代谢的主要有机物为酪氨酸、芳香类蛋白、色氨酸.

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Study on rapid detection of beam deflection method for detecting metabolic status of activated sludge from printing and dyeing wastewater.

ZHANG Luo-hong*, LI Rui-ying, CAO Min, CHENG Jing-jing, WANG Xun-tao, ZHAI Ying-bo, XIONG Xin

(Xi'an polytechnic University, Department of Environmental Science and Engineering, Xi'an 710600, China)., 2021,41(9)：4157～4166

Considering that limitation that cumbersome process, time-consuming and lagging detection of current activated sludge testing process, a rapid detection of beam deflection method were provided in this study. The polyvinyl alcohol gel beads with a particle size of 4mm and microporous structure of 20μm were put in the printing and dyeing wastewater complete mixed activated sludge treatment system with a sludge load of 0.33KgCOD/(kg MLSS×d) and a hydraulic retention time of 15h. The light spot analyzer was used to detecte light deflection which reflect the surface concentration gradient changes due to the exchange of external solutions and microbial metabolites after the beads reached a stable state. The corresponding COD of effluent after 15h were also measured, meanwhile the COD removal rate were calculated. After ten consecutive months of testing, it was found that the predominant microorganism is bacteria in the PVA-gel beads. The light deflection value of the beads increased from 229.51μm to 299.97μm when the influent COD increased from 91.95mg/L to 519.4mg/L, and The COD removal rate also increased from 16.03% to 66.99%. The light deflection of the beads increased with dissolved oxygen concentration and reached to the higest value 309.3μm at DO=4mg/L, meanwhile, the corresponding COD removal rate reached to the maximum which is 61.18%, when the dissolved oxygen concentration range from 1.5mg/L to 5mg/L. The light deflection of the beads increased with dissolved oxygen concentration and reached to the higest value 293.96μm at pH=7, meanwhile, the corresponding COD removal rate reached to the maximum which is 64.83%, when the pH range from 6to 9. The light deflection value of the beads decreased with the concentration of Cr3+and reached to 269.7μm when the Cr3+concentration at 20mg/L. The light deflection value increased with Cr3+concentration continiued increased to 50mg/L, but the corresponding COD removal rate decreased form 52.5% to 25.73%, for the reason that the microbial cells are damaged and the intracellular substances are dissolved. The results show that the changes information of metabolic state in activated sludge can be quickly obtained by this method. And the changes of light deflection value of beads can be used to predict the subsequent COD concentration removal effect of printing and dyeing wastewater under specific conditions. Three-dimensional fluorescence spectroscopy were also used to explore the mechanism of microbial metabolism triggering light deflection. And the results showed that the main organic substances involved in microbial metabolism are tyrosine, aromatic proteins and tryptophan.

rapid detection of beam deflection method；activated sludge method；microbial metabolism status；polyvinyl alcohol (PVA) -gel beads；COD removal rate

X703.1

A

1000-6923(2021)09-4157-10

张洛红(1969-),男,陕西西安人,教授,博士,主要研究方向为环境监测与污染控制.发表论文80余篇.

2021-02-01

陕西省重点研发计划项目(2018KW-036);西安市科技计划项目(2019217114GXRC007CG008-GXYD7.10)

* 责任作者, 教授, 1710501539@qq.com