高温下好氧颗粒污泥用于生活污水处理外文翻译资料

 2022-11-03 19:01:49

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高温下好氧颗粒污泥用于生活污水处理

摘要

采用常规活性污泥废水处理厂的接种污泥，三台充满合成废水的连续间歇反应器（SBR）在不同的高温（30，40和50plusmn;1℃）运行，用以研究好氧颗粒污泥的形成（AGS），同时进行有机物和营养物质的去除，循环一周的时间为3 h。在进水量为 1.6 COD g/（L*d）时，成功的培养出好氧颗粒污泥，进水废水的COD / N比为8。结果表明，在50 ℃下培养的颗粒平均直径最大（3.36 mm），在COD、氨和磷酸盐体系中观察到去除效率分别为98.17％，94.45％和72.46％。 本研究还证明了好氧颗粒污泥在高温下形成的能力，适用于炎热气候条件。

1 介绍

在城市发展中为了维护个人的健康和福利，城市生活污水处理是需要考虑的重要因素之一。未经处理的废水可能会导致多种地方病和传染病的传播[1]。现在有各种各样的废水处理应用程序，从适中的，低价格的，低效率的，到先进的，高效的和昂贵的操作。这些过程中的选择应该根据当地的情况，如气候和天气、社会属性、经济、可执行标准的可用性、土地和权力的可用性、要求的操作技能及其可用性、监测行动、废水排放的选择以及废水再利用的应用程序和条件[2]。目前，广泛使用的几种废水处理技术包括活性污泥法(ASP)、序批堆反应器(SBR)、上流式厌氧污泥覆盖反应器和与之相关联的有氧泻湖(UASB - FAL)和人工湿地[3]。

近年来对好氧颗粒污泥（AGS）进行了广泛的研究[4]。AGS由密集的共生生物群组成，具有良好的生物活性和优良的传质效率。与常规活性污泥系统相比，好氧颗粒污泥反应堆由于其占地面积小，少量的污泥生产而成为一个吸引人的选择[5]。在这种系统中获得的污泥具有高生物质浓度，更好的沉降性能，高化学需氧量（COD）去除效率和良好的除磷能力[5]。此外，由于体积氧浓度和颗粒大小，同时硝化—脱氮可以同时发生在颗粒中[6]。好氧颗粒污泥主要采用顺序间歇反应器（SBR）系统进行培养，还有一些采用空运或鼓泡式柱反应器。影响好氧颗粒污泥发展的最关键因素已经通过多个实验室规模的研究得到了确定，如有机负荷率，沉降时间，流体力学剪切力和底物组成[7]。然而，好氧颗粒污泥的形成是一个具有挑战性的生态过程，其中许多部分需要进一步的检验。

使用SBR系统（AGS-SBR）的好氧颗粒污泥研究通常在环境温度如20-25℃下或更低温度下进行[8,9]。尽管一些关于好氧颗粒污泥的研究已经在高温度下进行[10]，关于高温对好氧颗粒污泥的影响的详细知识仍然是有限的。因此现在研究的主要目的是研究高温即30℃，40℃和50℃下好氧颗粒的造粒过程、稳定性、密度和性能。在SBR中使用从沙特阿拉伯麦迪纳市废水处理厂收集的污泥作为种子污泥培养好氧造粒。麦迪纳市气候属沙漠型，夏季气温接近50℃。同时也对颗粒污泥的形态、沉降特性和处理效率进行了研究和探讨。这项研究将有助于加强培育过程的知识，并鼓励在污水处理中应用好氧颗粒污泥，特别是沙特阿拉伯等气候炎热地区。

2 方法

2.1 实验程序和生物反应器设置

实验在三个相似的、工作体积为3升的双壁圆柱形玻璃柱生物反应器（内径为6.5厘米，总高度为100厘米）内进行。将1.5升麦迪纳市城市污水处理厂的活性污泥在启动期间加入每个生物反应器作为接种物。在生物反应器中每个阶段进料泵、排出泵和充气泵的设定时间都是由可编程逻辑控制器(PLC)控制的。 每一个生物反应器在3小时的循环下按顺序分批模式进行：从生物反应器底部进料60min而不搅拌，曝气110min，沉淀5min，废水处理5min。在所有实验中都使用合成废水，合成废水通过一组两个循环泵进料和排出。在曝气时间内，由扩散器提供的细气泡以0.24 m3/h（2.0 cm/s表观气流速度）的体积流量放置在底部。流出物通过出口孔排出，其出口端口的体积交换比（VER）为50％，位于玻璃柱的中间高度。污泥保留时间（SRT）通过和废水一起排放出的总悬浮固体（TSS）进行测定。使用水浴套管和恒温器，将生物反应器的工作温度控制在30plusmn;1，40plusmn;1和50plusmn;1 ℃，而不用控制溶解氧和pH。这几个生物反应器分别被称为SBR30，SBR40和SBR50。

2.2 合成废水特性和种子污泥样品采集

这些反应器被注入的废水与德克雷克等人使用的合成废水组成相同，如表1所示。在注入之前，将两种储备溶液制备好并与自来水混合。用作接种物的种子活性污泥是从位于沙特阿拉伯的麦地那城市污水处理厂的曝气池收集的，这是一个当地的市政污水处理厂。所使用的1.5L接种物，是由浓度为4.3g/L的混合液悬浮固体（MLSS），浓度为3.8g/L的混合液挥发性悬浮固体（MLVSS），体积指数为144.5mL/g的污泥混合所成的。种子污泥颜色褐色，结构蓬松松散。

2.3 分析方法

混合液悬浮固体（MLSS），混合液挥发性悬浮固体（MLVSS），化学需氧量（COD），氨（NH3），亚硝酸盐（NO2-），硝酸盐（NO3-）和磷酸盐（PO43-）的检验 在“水和废水检验标准方法”中有描述[11]。将pH和DO传感器插入生物反应器中以连续监测pH和DO的值，并通过pH / DO计（Orion 4-Star Benchtop pH / DO计）记录这些值。使用de Kreuk等人解释的方法进行污泥体积指数（SVI）测量。使用配有数字图像分析仪（I-Solution Premium）的立体显微镜来周期性地观察好氧颗粒污泥的形态和结构。使用扫描电子显微镜（SEM）（SU8020，Hitachi，Japan）对不同高温下培养的颗粒中的微结构组成进行观察。在铂溅射涂覆60秒（Q150R S，Quarum，UK）之前，按照Diao等人的制备方法准备颗粒，作为SEM图像的预处理程序。

3 结果与讨论

3.1 不同高温条件下好氧颗粒污泥的形成机理及形态观察

本研究提出了高温会对颗粒形成和形态造成影响的结论，如表2所示。在实验开始时，新鲜污泥呈现不规则，蓬松，具有松散结构形态，存在丝状微生物。 在实验结束时，污泥颜色从深棕色变成黄棕色。早期实验期（第一周）时，在剧烈的摇动条件下，松散的絮状污泥明显分解成小粒径颗粒。

实验30天后，大量的小颗粒开始出现，而絮状物继续消失。还发现了蓬松和光滑颗粒的混合物。 蓬松颗粒可能有助于部分清除生物质。 在SBR30，SBR40和SBR50中分别发现平均粒径为1.83mm，1.90mm和2.00mm的小颗粒。 Liu和Tay报道，高剪切力导致生物反应器内生物量的聚集，导致分泌更多的多糖（EPS）和更密集的絮凝物。众所周知，导致种子污泥絮状物形成颗粒的因素之一是通过多糖，微生物细胞和离子之间的桥接过程[12]。EPS有助于提高细胞疏水性并调节微生物表面的电荷[13]，以促进微生物细胞粘附和造粒[14]。

此后，更多的絮状污泥和蓬松颗粒从系统中洗脱出来，同时小颗粒保持稳定地增长，形状更规则。因此，在生物反应器中形成具有高沉降速度的好氧颗粒。 生物反应器在平均50天的实验后实现了稳定的操作，紧凑型成熟好氧颗粒开始形成光滑和坚实的表面。Rosman等报道了类似的观察结果[15]，在生物反应器中形成好氧颗粒期间。 颗粒的形态特征在不同的高温下略有不同。在SBR50中 成熟颗粒的最高平均直径为3.36mm，在SBR30中发现平均直径为2.19mm的成熟颗粒，在SBR40中平均直径为2.62mm。大多数情况下，仅在50 ℃处鉴定发现了测量直径3mm以上的颗粒，而在30℃和40℃下，颗粒的直径主要在2mm和3mm之间。 这些结果可能与SBR50，SBR30和SBR40的最高温度不同有关。Chang和Lin报道，高温导致生物颗粒中灰分含量高，从而增加了其尺寸。 所有生物反应器中的颗粒以较低的速度持续生长到实验的最后阶段，具有更好的污泥性能。对于SBR30，MLSS和MLVSS均达到分别为10.6 g/L和6.5 g/ L 的稳定状态。 而SBR40中代表MLSS的生物质浓度为7.8 g/L，代表MLVSS的浓度为5.4 g/L。 另外对于SBR50，MLSS和MLVSS浓度分别在约7g/L和5.5g/L下稳定。 在30 ℃、40 ℃和50 ℃颗粒的SVI沉降特性分别达到63.21mL/g、47.4mL/g和24.5mL/g，这与Ebrahimi等人报道的结果一致[16]，表明在实验结束时达到了良好的稳定能力。

用SEM进一步观察好氧颗粒的内部结构和外部形态。 对在所有温度下的颗粒表面进行更仔细的观察，发现了各种类型的非丝状细菌紧密相连组成的致密结构。同时，细菌团簇也导致出现许多空腔，这促使底物和氧气输送到颗粒的内核中。 Rosman等人的类似观察报道，这些空穴可以促进代谢产物进出颗粒的转移。

3.2 SBR30，SBR40和SBR50在一个周期内的COD，磷酸盐和含氮化合物的分布图

图1显示，根据进水和流出物分析，以醋酸盐存在的COD不断从合成废水中除去。该系统还证明了在30 ℃，40 ℃和50 ℃下的稳态循环期间硝酸化以及磷酸盐去除的潜力。在缺氧阶段，循环轮廓测量结果显示，SBR30中使用乙酸酯为34.15％，SBR40 中为51.22％，SBR50中为38.79％。 同时，在缺氧期间磷酸盐被释放。 随后，剩余的乙酸酯在好氧循环期间被利用，同时除去磷酸盐。生物磷的去除效率在好氧阶段逐渐改善，在50 ℃时平均去除率为72.46％，在30 ℃和40 摄氏度时分别为68.50％和67.00％，可以与以前Ebrahimi等人使用生物颗粒处理合成废水的研究相比较[17]。

反应器还显示出各种营养物的相对消耗。 在SBR40中，在缺氧进料阶段消耗了50％以上的乙酸酯，而在SBR30和SBR50中，在缺氧进料阶段的60分钟内，少于50％的乙酸酯被消耗。然而，在好氧阶段期间，剩余的乙酸酯被有效地利用，这显然是由于大部分底物（氧和硝酸盐）的存在，这有利于由de Kreuk等人描述的微生物对乙酸盐的摄取速率[18]，导致COD在50 ℃时的最高去除率为98.17％，而在40摄氏度和30 摄氏度的温度下，COD的去除率分别为95.37％和85.37％，可以与以前Song 等人使用好氧颗粒处理合成废水中所报导的情形相比较。硝化过程对于生产亚硝酸盐和硝酸盐的所有反应器也有很大的不同。 有意思的是，在SBR30操作2周后，脱氨开始发生，而对于SBR40和SBR50，操作3周后才开始脱氨。 这可能是由于同化生物质的形成[15]。 在30 ℃时，最高的氨去除率为97.50％，而40 ℃和50 ℃时的氨去除率分别为94.64％和94.45％，可以与Song等人使用好氧颗粒污泥处理合成废水时相比较。

Ebrahimi等人报道[19]，在30 ℃下施用于系统的启动种子污泥未能获得稳定的好氧颗粒污泥。在30 ℃和35 ℃下稳定的好氧颗粒污泥的培养只能通过使用接种物污泥在20℃下运行反应器并逐渐增加温度来实现。de Kreuk等人已经应用了相同的技术[20]，但在8 ℃启动期间，低温下仍没有获得好氧颗粒污泥。尽管如此，从20 ℃到8 ℃，温度开始逐渐降低，有助于系统成功运行。本研究采用30 ℃，40 ℃，50 ℃不同高温下启动的好氧颗粒污泥进行培养，得到稳定的颗粒，具有优良的营养成分去除性能。由于情况的变化（例如合成生活废水的组成和SBR的运行模式），有机物、生物磷的建立和硝化需要短的适应时间。然而，考虑到本研究中使用的接种污泥取自位于沙特阿拉伯麦迪纳市的污水处理厂（WWTP），日间温度平均约为40-50℃，夜间约为28℃，使用的接种污泥适应高温，这是一个优点。这缩短了系统实现稳定的去除性能所需的时间。

4 结论

在不同高温下注入合成废水的SBR系统中，稳定和紧凑的好氧颗粒的开发是成功的，形态特征略有不同。进水量为1.6 COD g/L*d时，在50 ℃下培养的颗粒具有最大的平均直径，COD去除率为98.17％。此外，在系统中也观察到氨去除率为94.45％，磷酸盐去除率为72.46％，表明开发好氧颗粒污泥技术应用于沙特阿拉伯的炎热气候环境的潜力。

致谢

该项研究的资金是根据国王阿卜杜勒·阿齐兹国王科技城国家科技创新计划（Project No. 10WAT104705）—沙特阿拉伯提供的。该项目的部分资金由马来西亚马来西亚大学（UTM）提供。

参考文献

[1] Adav, S.S., Lee, D.J., Show, K.Y., Tay, J.H., 2008. Aerobic granular sludge: recent advances. Biotechnol. Adv. 26, 411–423.

[2] 资料编号：[140966]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

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