活性污泥微膨胀的发生及分子生态学解析

袁荣丽  2011年 03月29日

  武联菊 高春娣 郝坤 王丽
  (北京工业大学环境与能源工程学院) (联系电话:13488674885,地址:北京工业大学环化楼2108,邮编:100124)


  摘要:采用SBR工艺处理实际生活污水,在低温条件下通过降低溶解氧诱使活性污泥发生微膨胀,使污泥的SVI维持在150-200 mL/g左右。研究了低温条件下活性污泥微膨胀的发生及活性污泥中微生物的生长,通过FISH技术对微膨胀状态下的优势丝状菌进行定性分析,确定低温下诱发低氧微膨胀的丝状菌是微丝菌(MPA223)。与正常溶解氧时相比,微膨胀状态下COD和PO43 -P-的去除率均上升,分别为80%和98%,NH4+-N和TN的去除率有所下降,分别为52和28%;研究中还发现,低溶解氧导致了同步硝化反硝化(SND)现象的发生,约有15%的氮通过SND现象去除。
  关键词:低溶解氧 污泥微膨胀 低温 微丝菌


  Initiation and Molecule Ecology Analysis of Limited Activited Sludge Bulking at Low Temperature
  Wu Lianju, Gao Chundi, Hao Kun, Wang Li
  (College of Environmental and Energy Engineering,Beijing University of Technology, Beijing,100124)
   
  Abstract: Actual domestic sewage was treated by SBR process. Limited filamentous bulking was induced by low dissolved oxygen at low temperature, and the SVI were maintained 150-200 mL/g. The occurrence of limited filamentous bulking at low temperature and the growth of microorganism were researched; the technique of FISH was adopted to identify the species of the dominant filamentous bacteria in the state of limited filamentous bulking, and the result showed that the filamentous bacteria that led to limited filamentous bulking was microthrix parvicella (MPA223).Compared to the status at normal dissolved oxygen, the removal rate of COD and PO43 –-P increased to 80% and 90%, while the removal rate of NH4+-N and TN decreased to 52% and 28% respectively during limited filamentous bulking. And the data also showed that low dissolved oxygen led to the phenomenon of Simultaneous Nitration-Denitration(SND), about 15% of the nitrogen was removed by SND.
  Key words: low dissolved oxygen; limited filamentous bulking; low temperature: microthrix parvicella

  迄今为止,国内外对于污泥膨胀的研究主要集中在污泥膨胀的机制、控制与预防以及丝状菌的分离与鉴定上。[1,2]彭永臻根据实际污水处理厂运行情况首次提出一种既节能又能改善污水处理效果(或不影响出水水质)的污水处理新方法——低溶解氧污泥微膨胀节能理论与方法,[3]即控制活性污泥系统在低溶解氧条件下运行,使其发生丝状菌污泥膨胀,这种膨胀程度很轻不会导致污泥流失。并可利用丝状菌比表面积大,低溶解氧条件下生存能力强,降解低浓度有机物能力强,以及含有大量丝状菌的活性污泥具有很好的网滤作用等生理和形态优势,有效去除出水中细小的悬浮物,改善出水水质,同时由于采用的曝气量较小,达到节能的目的。该理论自提出以来一直受到研究者广泛关注[3~7],逐渐成为研究热点。温度是影响污泥膨胀发生的重要因素,低温条件下污泥微膨胀的研究对于完善污泥微膨胀理论具有重要意义。本研究采用SBR工艺,以实际生活污水为研究对象,专门研究低温下低溶解氧对污泥膨胀的影响,分析其微生物种群的变化,并考察低溶解氧对出水水质的影响,根据优势丝状菌的性质提出改善出水水质的方法。


  1 试验装置与方法


  1.1 试验装置
  采用SBR工艺,试验装置如图1所示。反应器有效体积为7L,采用缺氧/好氧(Anoxic/aerobic)模式运行,其中缺氧段时间为1.5h,好氧段时间为2.5h,有机负荷为0.2kg/(kg·d),排水比为50%。通过调节曝气量控制好氧段DO浓度,反应器温度维持在13±1℃。系统中种泥取自北京某污水处理厂二沉池,污泥浓度(MLSS)维持在3000mg/L左右。实验所用原水取自某居民小区的化粪池,水质如表1所示。
  表1 试验进水水质特性
  Table 1  Wastewater characteristic

  

  项目

pH

COD

/mg·L-1

NH4+-N

/ mg·L-1

NO3--N

/ mg·L-1

NO2--N

/ mg·L-1

PO43--P

/ mg·L-1

范围

7.0~7.8

160~280

58~78

0.13~1.1

0.04~0.24

4.0~6.8

 

  1.2 分析项目及方法
  COD、PO43--P、NH4+-N、NO3--N、NO2--N、MLSS、SVI均采用国家规定的标准方法测定,TN含量用NH4+-N、NO3--N和NO2--N之和表示。DO 采用 WTW 溶解氧测定仪(Multi 340i 型) 测定。使用OLYMPUS2BX51显微镜进行常规生物学分析,结合革兰氏染色及纳氏染色技术,根据Eikelboom丝状菌鉴定方法,对引起膨胀的细菌进行分类鉴定。[8]
  1.3 FISH检测
  试验中微生物的定性检测方法选用荧光原位杂交(Fluorescent in situ Hybridization, FISH)技术,该分子生物学分析技术避免了传统的培养方法进行鉴定和计数的局限性,具有细胞在测定过程中不被破坏、形状不改变、特异性强,能够真实反映在自然环境下微生物的情况及分布等特点。
  本实验的FISH检测中,首先进行样品固定,然后杂交染色,杂交使用了Cy3标记的微丝菌MPA223探针,封片后用OLYMPUSDP71荧光显微镜观察拍照,鉴定微膨胀丝状菌的种类。


  2 结果与讨论


  2.1 低温条件下低溶解氧污泥微膨胀的发生
  试验初期,SBR反应器内DO浓度维持在2mg/L以上,活性污泥的SVI维持在90-110 mL/g之间,污泥沉降性能很好,镜检发现污泥絮体结实,丝状菌很少(如图2所示)。当 DO 浓度从 2.0 mg/L降至 0.5 mg/L时系统内活性污泥的 SVI 逐渐升高,在降低DO的第5天的时候升至166 mL/g,发生了污泥膨胀,一些丝状菌已伸出污泥絮体(如图3所示)。但在随后运行的37d内,膨胀并没有进一步恶化,SVI也没有一直上升,而是维持在167-210 mL/g之间(如图4所示)。反应周期结束沉淀半小时后SBR中上清液十分清澈,几乎没有肉眼可见的悬浮物,SS大多检测不出,可见丝状菌对悬浮物的网滤作用很好。综上,可以初步断定,在SBR系统内发生了低溶解氧活性污泥微膨胀。
  2.2低温条件下低溶解氧污泥微膨胀的优势菌种鉴定及其特性
  镜检发现,活性污泥中丝状菌较多并且很多已经伸出污泥絮体。首先利用常规的丝状菌分类方法进行鉴定,即通过革兰氏染色、纳氏染色和积硫试验对膨胀后污泥的优势丝状菌进行初步鉴定。该丝状菌革兰氏染色和纳氏染色呈阳性,且纳氏染色有聚磷颗粒,根据Eikelboom制定的丝状细菌分类标准初步认定该细菌是微丝菌(microthrix parvicella)(如图5)。利用微丝菌MPA223探针对该丝状菌进行FISH定性检测后进一步确认发生污泥膨胀的诱因丝状菌便是微丝菌(MPA223)(如图6)。
   从上图可以看出到第40d的时候,污泥中的丝状菌已经很多,甚至不少丝状菌延伸缠绕在一起呈网状,但SVI却一直维持在较低的水平。分析认为,这是由微丝菌的形态特性决定的,微丝菌菌丝很长((200-500μm),且通常呈“束”状生长,相对于短菌丝的“刺毛球”状来说对菌胶团的支撑力较小,从而对菌胶团的沉降压缩的阻碍也小,污泥的沉降性能也未严重恶化。
  近年来在世界范围内去除营养物质的污水厂,微丝菌是污泥膨胀中最常见的丝状菌。国外学者对微丝菌进行了很多深入的研究,发现即使在A/O或A2/O脱氮除磷的工艺中,也会发生微丝菌型污泥膨胀。由此表明这种丝状菌具有在厌氧和缺氧条件下吸收底物的能力,并且具有产生细胞内聚磷颗粒的能力。用试管做实验,静止半小时污泥就很快由于反硝化产生的气泡的上升被带到液面,相对于菌胶团细菌来说它的反硝化速率是高的[9]。这也就合理的解释了大多发生污泥微膨胀的污水厂出水氮、磷依然较低的原因。
  2.3低温条件下低溶解氧微膨胀污泥的污染物去除特性
  图7给出了不同DO下SBR工艺中COD、PO43--P、NH4+-N和TN(NH4+-N、NO3--N、NO2--N之和)去除率的变化情况。
  DO 的降低对于 COD 的去除没有负面影响,相反低 DO下 COD 的去除率略微升高。根据Chudoba提出的选择性理论,丝状菌具有较低的饱和常数KS,因此有较强的降解低浓度底物的能力,低DO下由于发生了轻微的丝状菌污泥膨胀,所以活性污泥对COD的去除能力略有升高。
  随着DO的降低,PO43--P的去除率逐渐上升到98%以上,有时出水PO43--P甚至为零。分析其原因,一方面,由于低温和低DO的影响,硝化细菌活性变弱,系统中NOx-的浓度降低,从而削弱了NOx-对聚磷菌的负面影响;另一方面,微丝菌具有产生细胞内聚磷颗粒的能力,强化了系统的除磷能力。
  随着运行时间的延长,系统脱氮效果逐渐变差,到第45天氨氮去除率降至52%,总氮去除率降至30%。这是由于温度太低,硝化细菌的活性受到抑制所致。研究中还发现,低溶解氧运行期间逐步出现了好氧段总氮的去除,分析认为这是由于系统溶解氧较低导致污泥絮体内部处于缺氧状态,同时反应器内又存在可供反硝化细菌利用的碳源,因而导致系统在进行硝化反应的同时,污泥絮体内部也发生着一定程度的反硝化反应,因此断定发生了同步硝化反硝化(SND)现象,通过好氧初始和末端总氮浓度计算约有15%的氮通过SND现象去除。因此,根据微丝菌的生长特点:最适生长温度在22℃,最适竞争温度在10-15℃之间,可以适当提高温度以保证硝化细菌的活性,使硝化细菌和微丝菌均适度生长,同时利用低溶解氧创造的SND条件,达到提高系统脱氮效果的目的,实现去除营养物质的污水厂节能与高效的统一。


  3 结论


  (1)在SBR工艺中,低温条件(13±1℃)下选择合理的溶解氧浓度(0.5mg/L)和有机负荷(0.2 kg/(kg·d))能诱发并维持低氧活性污泥微膨胀,使SVI值稳定在160-210mL/g之间,而不会导致沉降性能严重地恶化。
  (2)通过荧光原位杂交技术(FISH)的定性分析确定,低温条件下诱发低氧活性污泥微膨胀的丝状菌是微丝菌(MPA223),由于这种丝状菌具有菌丝较长((200-500μm)和呈“束”状生长的生理特性,活性污泥在丝状菌含量较多的情况下SVI值能仍维持在较低的水平。
  (3)与正常溶解氧、污泥沉降性能良好时相比,污泥微膨胀期间COD、PO43--P的去除率均上升,分别为80%和98%。NH4+-N和TN的去除率有所下降,分别为52和29%,约有15%的氮通过SND去除。可以适当提高温度,强化系统脱氮效果,以实现去除营养物质的污水厂高效与节能的统一。
   
  [1] Martins AMP, Pagilla K, Heijnen J J,et al. Filamentous bulking sludge-a critical review [J]. Water Res, 2004,38:793-817.
  [2] Eikelboom D H. Process control of activated sludge plants by microscopic investigation [M]. London, UK: IWA Publishing,2000
  [3] 彭永臻,郭建华,王淑莹等.低溶解氧污泥微膨胀节能理论与方法的发现、提出及理论基础[J ].环境科学,2008,29(12):3342-3347.
  [4]彭赵旭,彭永臻,,左金龙,等.污泥微膨胀状态下短程硝化的实现[J].环境科学, 2009, 30 (8): 2309-2314.
  [5]左金龙,王淑莹,彭永臻,等.低溶解氧污泥微膨胀污染物去除性能的研究[J].环境工程学报,2009,3(8):345-1349.
  [6]左金龙,王淑莹,彭赵旭,等.低溶解氧污泥微膨胀前后污泥硝化活性的对比研究[J].土木建筑与环境工程,2009,31(4):117-122.
  [7]王淑莹,白璐,宋乾武,等. 低氧丝状菌污泥微膨胀节能方法[J].北京工业大学学报,2006,32(12):1082-1086.
  [8] Eikelboom D H. Filamentous organisms observed in activated sludge [J].Water Res.,1975,9:365~388.
  [9] 崔洪升,白晓慧,李刚等.寒冷地区城市污水处理厂污泥膨胀及其控制方法[J]. 哈尔滨建筑大学学 报,2001,2(34):79-82.
  
   资助项目:北京市教委计划项目 北京市优秀人才培养资助项目
  作者简介:高春娣,(1973-),女,副教授,研究方向为污水生物处理理论与技术E-mail:gaochundi@bjut.edn.cn

 
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