以黄土为成核剂在SBR中强化好氧颗粒污泥的形成外文翻译资料

 2021-12-02 10:12

英语原文共 11 页

以黄土为成核剂在SBR中强化好氧颗粒污泥的形成

Q L He1, S L Zhang1, Z C Zou1和H Y wang 1,2

（1.武汉大学土木工程学院，武汉430072电子邮件:hywang96@126.com）

摘要：在定置时间为10 min的序批式反应器中，加入黄土作为成核剂，研究了好氧颗粒的增强形成，第4天获得平均直径大于1mm的颗粒。成熟颗粒在含水率、比重、污泥体积指数、沉降速度、比吸氧率等方面均优于接种污泥。黄土刺激细胞外聚合物物质的分泌，尤其是蛋白质。化学需氧量和氨氮的去除率均在90%以上，即使在曝气条件下，由于同时反硝化作用，仍有80%以上的无机氮被去除。黄土的强化作用可能是由于其独特的理化特性和较短的沉降时间，10分钟或更长时间的沉淀时间并不是快速造粒的先决条件。

1绪论

好氧颗粒污泥技术作为一种新型的、高效的处理生活污水和工业废水的方法已被提出。具有良好的沉降速度，不需要单独的沉降池，可使厂地的面积减少80%。好氧颗粒具有结构紧凑、微生物结构致密、生物量高、耐高有机负荷率和抗有毒物质等特点。此外，好氧颗粒污泥的分层结构从外层到深层提供了缺氧、缺氧和厌氧区，从而为硝化微生物、反硝化除磷生物以及厌氧生物的共存创造了场所。因此在曝气期间，可以同时去除液体中的氮、磷和化学需氧量（COD）。

但是好氧污泥颗粒化的运行条件受到多个参数的严格限制，包括反应器结构、介质和接种污泥、沉降时间、有机负荷率、体积交换比、水动力剪切力、饥饱状态、循环时间等环境条件(即pH和温度)。为了促进好氧颗粒污泥的形成，揭示好氧颗粒污泥的形成机理，人们已经做了大量的工作，这阻碍了好氧颗粒污泥技术的优化和实际应用。值得注意的是，无论是在中试反应堆还是在全尺寸反应堆中，好氧污泥颗粒化都要比在实验室规模的反应堆中花费更长的时间。因此，在过去的二十年中，人们进行了许多研究来寻找一种促进好氧颗粒污泥形成的方法。

人们普遍认为，短的沉淀时间是快速造粒的必要条件。到目前为止，几乎所有的颗粒污泥都是在沉降时间低于8分钟的情况下获得的，无论初始的设定时间是2-5分钟还是高值和低值之间的交替。特别是在实验室、中试和全尺寸反应器试验中实现了好氧污泥颗粒化，沉降时间可达10、20、40分钟。他们研究的接种污泥来自中国盐仓污水处理厂(WWTP)。在该污泥中，观察到污泥体积指数(SVI)为60-79 mL·g-1的小颗粒。沉降时间短，有利于污泥絮凝体的排出，沉降速度慢，颗粒丰富。同时，污泥沉降时间短往往导致污泥浓度较低，主要是由于污泥的排放损失，尤其是初始时间较短的。因此，一个合适的沉淀时间对好氧造粒至关重要。

为了加速好氧颗粒污泥的启动，添加了多种底物，首先为细菌附着提供成核剂。-属离子(尤其是钙、镁和铝)、金属(如零价铁)和成熟颗粒被认为能够促进颗粒污泥的形成。Liu等研究了聚氯化铝(PAC)对好氧造粒的增强作用，发现PAC可以加速造粒过程。Li等人报道干污泥微粉作为成核剂可以促进好氧颗粒污泥的形成。虽然这些方法可以在不同程度上缩短启动期，但是应该考虑增加这些外部载体的额外成本。因此，采用一种更经济的方法来提高好氧造粒工艺是可取的，并具有广阔的应用前景。

黄土是一种常见的廉价材料，主要含有二氧化硅和氧化铝。与之形成对比的是，黄土为好氧颗粒污泥的强化提供了一种新的、经济有效的选择。首次选择初始沉降时间为常数10min的造粒工艺。最后，本文提出了一种利用黄土加速造粒的新方法。本研究的主要目的是:(1)确定较短的沉降时间是否是成粒的先决条件;(2)以黄壤为成核剂是否可以加速成粒过程。

2材料和方法

2.1反应器和操作

本研究采用有机玻璃柱式反应器(如图1所示)，反应器直径为120mm，总高度为800mm，有效容积为7.0 L，工作高度为700mm。因此，反应器的有效高径比(H/D)约为5.2。在每个循环开始时，3.5 L的合成废水以50%的体积交换率进入反应器。反应器底部的细泡泵以2.5 L·min-1的恒定速率引入空气。为反应器配置了一台机械搅拌器，转速为250rpm。实验在18plusmn;0.5℃的水温下进行。反应器按3 h /循环顺序运行，包括投料2 min、曝气166 min(同时搅拌)、沉降10 min、出水2 min。

图1所示.序批式反应器原理图

2.2接种污泥污泥、试剂和培养基

沙湖污水处理厂制取的接种污泥采用A/A/O工艺配置。将种子污泥经适当预处理后，以初始混悬固体(MLSS)7440mg·L-1接种到反应器中。将1g·L-1黄土经直径为0.27mm的50目筛网加入反应器中，循环运行2周(平均6h)。

本研究所使用的合成废水组成如下(每升):COD为500 mg，氨氮(NH4 -N)为25 mg，总磷(TP)为5 mg，每15 L进水中痕量溶液为1 mL，与我们之前的组成相同。操作过程中进水pH值调整在7.5左右。

2.3分析方法

按标准方法测定COD、NH4 -N、亚硝酸盐(NO2-N)、硝酸盐(NO3-N)、TP、沉降速度(SV)、SVI、MLSS、混合液挥发性悬浮物(MLVSS)、含水量和比重。用pHS-25米和YSI5000米测量pH值和DO值。根据Abdullah等人的方法，使用现有的呼吸法来测量比吸氧率(SOUR)。总无机氮(TIN)为NH4 -N、NO2-N和NO3-N之和。采用image - pro Plus, V6.0, Media Cybernetics图像分析系统(image - pro Plus, Media Cybernetics, image - pro Plus, V6.0)， Olympus显微镜(SZX9，日本)观察形态，拍照，颗粒大小分析。采用Yang等人改进的热萃取法提取EPS。采用改进的洛瑞法测定蛋白质(PN)含量。采用苯酚-硫酸法测定多糖(PS)，EPS为PN与PS之和。

3结果

3.1颗粒的形成与形貌

在反应器中加入黄土研究其对强化好氧颗粒污泥形成的影响，黄土在水溶液中分布良好，电镜可以清楚的看到不同大小的颗粒（如图2a所示），在第二天和第三天可以观察到小颗粒（如图2b和2c）。第四天反应器内没有明显的污泥絮体，从外侧可见规则的、明亮的黄色颗粒，平均直径为1.06mm。这表明造粒过程的启动已经完成。在整个运行期间，在反应器表面观察到生物膜粘附现象，这意味着生物选择适中。第四天对好氧颗粒污泥进行粒径分析，结果如图三所示，颗粒得平均直径为1.06mm，大部分颗粒（83%）在0.7至1.3mm范围内。

图2.黄壤溶液和污泥形态:(a)黄壤分散在水相中;(b)第2天的污泥絮凝体;(c)第3天颗粒;(d)第4天成熟颗粒污泥.

图3.第4天颗粒污泥粒径分析.

与接种污泥相比,颗粒污泥显示改进的理化和生物学特性(表1)。作为活性污泥沉降性能的重要指标,SVI的急剧下降,从75到23ml·g - 1表示颗粒的紧密结构级和成功的造粒,一样的值SV30 / SV5从0.65上升到0.96。水含量显示了颗粒内亲疏水细胞的形态。本研究中，含水量从99.67%下降到98.26%，说明疏水细胞富集。比重的增加也证实了之前的结果。SOUR表明颗粒污泥中微生物活性较好，SOUR值从13.58 mg· O2 g· MLVSS-1· h-1显著提高至42.8 mg· O2 g· MLVSS-1· h-1，说明颗粒污泥在生物活性上强于接种活性污泥。

MLSS和MLVSS/MLVSS的概要如图4所示。从反应器外部的可见情况来看，反应器在头7天遭受了污泥损失。随后，该指数略有上升。而颗粒污泥中MLVSS与MLSS的比值在第11天由接种污泥的0.47逐渐增加到颗粒污泥的0.733，说明颗粒污泥的生物活性高于絮凝体[24]，无机组成低于絮凝体[24]。

图4.MLSS和MLVSS/MLSS的概要.

3.2EPS和PN/PS

EPS是一种重要的物质，长期以来被认为有助于颗粒化过程。EPS和PN/PS随操作的变化如图5所示。与接种污泥EPS含量(92.16 mg/gMLVSS-1)相比，颗粒污泥形成过程中EPS含量急剧上升，在第7天达到峰值(345.92 mg/gMLVSS-1)。总的来说，在第一天添加土肥显著提高了EPS的含量，并在整个操作过程中保持了这一趋势。制粒过程中PN/PS比值由1.21显著提高到2.45左右。

3.3反应器的性能

COD和脱氮性能如图6所示。如图6(a)所示，整个操作过程中去除进水COD 90%以上，出水浓度稳定在20 mg ·L-1左右。在脱氮方面(图6(b))，出水NO3 -N和NO2 -N分别为1.6-5.3 mg ·L-1和0-0.4 mg ·L-1，进水95%NH4 -N降低到80%左右。然而，在恒定的曝气条件下，观察到明显的氮损失，可以得出结论，反硝化发生在这个氧化阶段。有趣的是，TP去除率从17%到46%不等(数据未显示)，显示了两个反应器的同时脱氮除磷(SNPR)能力。

4讨论

在SBR中，8分钟以下的短沉降时间一直被认为是好氧造粒的先决条件。本研究提出了不同的观点。稳定的沉降时间为10 min，实现了好氧造粒的成功。沉降时间作为水力选择压力，曾被认为是通过排出沉降能力较差的污泥絮凝体来驱动颗粒型生物质的水力保持。沉降时间与反应器高度相结合，只允许沉降速度大于2.1 m·h-1的颗粒在反应器中保持稳定。然而，在实验室规模(51 m·h-1)或中试规模(18-40 m·h-1)反应器中培养的成熟好氧颗粒具有更高的沉降速度。本工作的结果表明，在这种条件下，较短的沉降时间并不是好氧造粒过程的先决条件。

MLSS剖面与造粒过程不同步。第4天造粒完全形成，MLSS持续下降至第7天。这一现象与Liu等人的发现相一致，他们也发现了颗粒化和生物量增长之间存在一个时间差。Li等人、Liu等人认为，PAC或干污泥等外部载体颗粒含有较少的有机化合物，说明本研究成熟颗粒的MLVSS/MLSS值相对较低。

本研究的造粒速度可与以往的研究相媲美。首先，本研究中作为成核剂的黄土来源容易获得且价格低廉，为更广泛的应用提供了一种经济可行的选择。黄土的独特特性是其快速好氧造粒的关键。根据本研究的形成过程，提出了一种基于黄土的增强作用过程，如图7所示。黄土化学成分(主要是由二氧化硅和氧化铝)和物理尺寸(大多0.27毫米)使它理想作为成核剂诱导细菌恋和聚合granular微生物,以及粒子的形成结合常数曝气和搅拌条件。即小絮凝体作为颗粒型生物量附着的核，刺激EPS(尤其是PN)的分泌。嵌入有介质大小的颗粒，较大的颗粒有助于将小而不规则的颗粒塑造成规则的颗粒。

图7.黄壤强化好氧颗粒污泥的形成.

在以黄土为成核剂的序批式反应器中，沉降时间为10 min, 4天内实现好氧造粒。颗粒污泥具有良好的沉降性能、低含水率、高比重、微生物活性高、EPS含量(尤其是PN含量)丰富等特点。启动阶段COD和氮的去除率均较好，污泥分层结构决定了反硝化过程。本研究证明在上述条件下，沉降时间并不是好氧造粒的先决条件。黄土的理化特性增强了其快速成粒的能力。本文的研究为强化好氧颗粒污泥的形成提供了一种改进的、经济有效的方法。

参考文献

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sludge technology: an alternative to activated sludge? Water Sci. Technol. 49: 1-7

[2] Kreuk M K, Heijnen J J and Loosdrecht M C 2005 Simultaneous COD, nitrogen, and phosphate

removal by aerobic granular sludge Biotechnol Bioeng 90: 761-69

[3] Jang A, Yoon Y H, Kim I S, Kim K S and Bish

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