有机负荷率对颗粒污泥处理高浓度畜禽养殖废水影响.pdf
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1、第49卷 第 8 期2023 年 8 月Vol.49 No.8Aug.,2023水处理技术水处理技术TECHNOLOGY OF WATER TREATMENT有机负荷率对颗粒污泥处理高浓度畜禽有机负荷率对颗粒污泥处理高浓度畜禽养殖废水影响养殖废水影响夏文文1,2,王劲龄3(1.江苏省环境监测中心;2.江苏省太湖水质监测中心站;3.江苏省南京环境监测中心:江苏 南京 210019)摘摘 要要:通过改变进水有机负荷率(OLR)在序批式反应器内考察了OLR对颗粒污泥处理畜禽养殖废水去除污染物、颗粒化进程及微生物群落结构的影响。结果表明,适当提高OLR利于颗粒污泥去除畜禽废水内污染物并加速颗粒化进程,
2、当OLR为3.0 kg/(m3d)时,COD和溶解性磷酸盐的去除效率分别高达92.6%95.2%和92.6%95.2%,均显著高于低OLR工况,且在此OLR下,污泥浓度最高,沉降性好,污泥粒径在0.30.7 mm占比69.8%,胞外聚合物(EPS)含量低至72.5 mg/g,但EPS内蛋白质/多糖的比值高达2.02。高OLR降低颗粒污泥处理畜禽养殖废水的效能并导致部分颗粒污泥解体。OLR同样能影响颗粒污泥内微生物多样性及群落结构,适当提高OLR增加了微生物多样性,并提高Proteobacteria和Bacteroidetes的相对丰度但降低了Planctomycetes的相对丰度,利于有机质和
3、营养盐去除。本研究结果拓展了颗粒污泥的应用范围,并为颗粒污泥的快速启动提供一定技术支撑和理论依据。关键词关键词:颗粒污泥;畜禽养殖废水;有机负荷率;颗粒化;微生物群落开放科学开放科学(资源服务资源服务)标识码标识码(OSID):中图分类号中图分类号:X703.1;X713 文献标识码文献标识码:A 文章编号文章编号:10003770(2023)08-0115-005好氧颗粒污泥(AGS)具有生物量高、结构紧密、抗冲击负荷能力强、泥水分离效果好等优势而被广泛应用于含油废水、石化废水、畜禽养殖废水中污染物去除,这也使得AGS工艺成为废水处理的一种新途径1-2。畜禽养殖废水主要由尿液、残余粪便、饲料
4、残渣、冲洗水和场区生活污水等组成,具有氨氮浓度、有机质含量高等特点。畜禽养殖废水已成为我国农业面源污染之首。颗粒污泥处理高氨氮畜禽养殖废水已成为研究热点。有机负荷率(OLR)是影响颗粒污泥形成的重要因素,其不仅影响颗粒污泥高密度的生物结构,同时还是影响沉降性能、对冲击负荷的耐受能力,及除碳、脱氮除磷的效率3。赵丽等4探究了厌氧折流板处理模拟畜禽养殖废水的快速启动过程及运行条件的优化,当OLR高达5.7 kg/(m3 d)时,COD去除效率高达98%。宋欣等5调查区间内低有机负荷波动对颗粒污泥颗粒化的影响,结果报名连续提高OLR可促进颗粒污泥形成,系统内生物量提高。然而关于OLR的变化对可污泥处
5、理高氨氮畜禽废水过程中污泥颗粒化进程、污泥特征及微生物群落特征的影响至鲜有探究。基于此,本工作构建了小试规模的序批式反应器,探究了进料OLR对颗粒污泥处理高氨氮畜禽养殖废水的影响,分析了OLR变化过程中污染物去除特征,明确了微生物群落结构变化对OLR变化的响应规律,为高浓度畜禽养殖废水的高效处理与处置提供一定借鉴与参考。1 实验部分实验部分1.1实验材料与装置实验材料与装置实验用水为某养鸡场粪便冲刷液,取回后的实验用水经筛网(1.0 mm)过滤去掉杂质后再经预处理,经分析养殖废水的pH为6.36.8,COD浓度为4 2006 100 mg/L,NH4+-N质量浓度为40120 mg/L。实验所
6、用污泥为某污水二次沉淀池回流污泥,污水厂所采用的工艺为倒置A2/O,取回后的污泥经筛网过滤去掉杂质后备用。接种污泥pH为6.87.2,总悬DOI:10.16796/ki.10003770.2023.08.022收稿日期:2022-09-27基金项目:生态环境管理与污染排放标准项目(JSZC-G2020-049);江苏省环境监测科研基金资助项目(1908)作者简介:夏文文(1984),女,高级工程师,研究方向为水环境管理、环境监测、水处理技术;电子邮件:115第 49 卷 第 8 期水处理技术水处理技术浮固体(TSS)为3.94.5 g/L,挥发性悬浮固体(VSS)为2.43.6 g/L,污泥体
7、积数值(SVI30)为95.3 mL/g。实验所用反应器内内径为14 cm,高1.1 m的圆柱型反应器,反应器内部设有曝气盘,通过转子流量计控制曝气流量。反应器外侧设有水域加热装置并控制反应温度为3035。1.2实验设置实验设置实验分为四个工况(IIV),每个工况运行运行40 d。初始反应器接种6.0 L的接种污泥和6.0 L的畜禽养殖废水。进水OLR通过向畜禽养殖废水内添加蒸馏水调控有机质含量,且每个工况进水OLR设定为 1.0、2.0、3.0、4.0 kg/(m3 d)。每个周期出水体积交换比为50%。通过转子流量计控制曝气流量,在好氧曝气阶段控制溶解氧(DO)在4.05.0 mg/L。反
8、应器每日运行六个周期,每个周期6 h,其中含有5 min快速进水,235 min 好氧曝气,30 min沉淀出水和60 min的闲置期。好氧末期沉淀排水前取167 mL泥水混合物控制污泥停留时间12 d。1.3实验方法实验方法COD测定采用国家标准方法;NH4+-N采用纳氏试剂法测定;NO3-N采用氨基磺酸分光光度法测定;TSS和VSS测定采用重量灼烧法;SVI采用30 min和5min沉淀法测定;采用标准筛法测定污泥粒径的分布;EPS 提取采用热提取法,蛋白质(PN)和多糖(PS)分别采用福林酚法和硫酸蒽酮比色法测定,并分别采用牛血清蛋白和葡萄糖作为标准底物6。于各工况运行稳定后取2.0 m
9、L的颗粒污泥置于15 mL的无菌离心管内后转移至-80保存并提取 DNA。提取的DNA于-20 保存,并采用16SrRNA基因的V3V4 区域进行 PCR 扩增。引物的选取为 338F(5-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3)和 806R(5-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3)。微生物测试样品委托上海某生物科技有限公司使用Illumina MiSeq系统进行高通量测序7。2 结果与讨论结果与讨论2.1OLR影响下影响下AGS对污染物去除特征的影响对污染物去除特征的影响图1为不同工况下出水COD、NH4+-N及SOP去除效率随OLR的变化情况。可知COD的去除效率随OLR呈
10、现出先升高后下降的趋势,尤其在工况III内COD去除效率提高至92.6%95.2%,较工况I提高约4.1%6.3%。当进水OLR提高至本研究最大值4.0 kg/(m3 d)时,COD去除效率下降至91.3%93.4%,略低于工况III。由此可知适当提高进水有机负荷利于 COD的去除,然而过高 OLR抑制了有机质的消耗与利用。研究证实适当提高进水OLR加速了污泥颗粒化,提高了微生物的代谢与增殖从而强化了COD的去除3。而过高OLR导致系统异养丝状菌大量增殖,颗粒化程度低,COD的代谢与消耗能力差。在图1(b)内前三个工况NH4+-N的去除效率均高达92.5%94.3%,然而在工况IV内,NH4+
11、-N去除效率下降至84.6%89.5%,远低于前三个工况。上述实验结果证实在OLR在1.03.0 kg/(m3 d)内,OLR 对NH4+-N去除影响不明显,而过高OLR降低了颗粒污泥的颗粒化,微生物代谢活性差,增殖消耗氮的能力被显著,从而降低了NH4+-N去除。图1(c)为OLR对SOP去除的影响,可知,在工况I内,SOP波动较大,主要是污泥颗粒化进程中受OLR的影响,在工况I后期,SOP的去除效率基本维持在85.6%87.4%。在工况II和III内,SOP去除效率大致为89.5%92.3%和92.6%95.2%,均高于工况I。在工况IV内,SOP的去除效率下降至 84.6%91.5%。适当
12、提高进水OLR利于污泥颗粒化,提高微生物代谢能力从而创造了厌氧/好氧代谢环境,强化了SOP的代谢去除8。过高OLR刺激异养微生物增殖,破坏污泥颗粒化,从而减少系统内厌氧的微环境,降低了除磷效率。(a)COD去除率(b)NH4+-N去除率116夏文文等,有机负荷率对颗粒污泥处理高浓度畜禽养殖废水的影响为进一步展示颗粒污泥对营养盐的去除,各工况下含氮磷无机物典型周期内的变化被探究。如图2所示。NH4+-N质量浓度随时间呈现下降趋势,主要是好氧硝化作用将NH4+-N生物转化为亚硝酸盐和硝酸盐,在工况IV内出水NH4+-N高达4.7 mg/L,均高于前三工况出水NH4+-N质量浓度(2.62.9 mg
13、/L)。与此同时NO3-N质量浓度随时间先升高后下降,且进水OLR不同,NO3-N的最大质量浓度呈现显著差异。随着OLR由1.0 kg/(m3 d)提高至3.0 kg/(m3 d)时,NO3-N的最大质量浓度由8.5 mg/L提高至11.3 mg/L,说明适量提高进水 OLR 增强了污泥颗粒化,强化硝化过程。在120 min后,NO3-N浓度下降,这主要是由于缺氧微生物将硝态氮反硝化转化为氮气,从而实现生物脱氮。实验中同步发生了硝化和硝化,过高OLR降低了生物脱氮过程。图2(c)为OLR对典型周期内SOP浓度变化的影响。SOP浓度先下降后升高再下降的趋势。第一阶段SOP浓度下降可能由于微生物的
14、快速代谢消耗,而SOP浓度升高可能由于PAO水解体内磷酸并吸收水体COD。进水OLR能影响SOP的释磷量,随着OLR由1.0 kg/(m3 d)提高至3.0 kg/(m3 d),SOP释放量由11.5 mg/L提高至12.6 mg/L,说明提高进水 OLR 强化了除磷微生物的代谢活性,而 OLR为 4.0 kg/(m3 d)时,颗粒污泥代谢活性降低,SOP的释放量下降至9.2 mg/L。在随后的好氧过程中,SOP的浓度大幅下降,在工况IIV出水SOP浓度分别为 0.5、0.6、0.4、1.1 mg/L。工况 III 内,微生物代谢活性强,颗粒化程度高,生物量增加显著,营养盐去除较彻底。2.2O
15、LR对污泥颗粒化进程的影响对污泥颗粒化进程的影响图3为不同OLR影响下污泥浓度的变化。进水OLR 由 1.0 kg/(m3 d)提高至 3.0 kg/(m3 d)时,TSS浓度由5.1 g/L增加至5.9 g/L,VSS浓度由3.5 g/L增加至4.2 g/L,说明适量提高进水OLR利于提高污泥浓度,而当进水 OLR 进一步提高至 4.0 kg/(m3 d)时,TSS和VSS浓度却下降至5.4 g/L和3.8 mg/L,说明过高进水OLR降低了污泥浓度。过高OLR为微生物提供充足的有机质,从而丝状菌过度增殖,降低污泥沉降性,在排水时,部分颗粒污泥因未能沉淀彻底而随流水排掉,从而降低了污泥浓度。
16、此外过量(a)NH4+-N(b)NO3-N(c)SOP图2典型周期内NH4+-N、NO3-N及SOP的变化规律Fig.2Change law of NH4+-N,NO3-N and SOP in typical cycle(c)SOP去除率图1OLR对颗粒污泥处理畜禽养殖废水过程中COD、NH4+-N和SOP去除率影响Fig.1Effect of OLR on COD,NH4+-N and SOP removal efficiency in the process of granular sludge treatment of livestock and poultry wastewater1
17、17第 49 卷 第 8 期水处理技术水处理技术有机质刺激异养絮状微生物增殖,降低了颗粒污泥的含量。适量OLR提高为微生物增殖和代谢提供充足的物质保障,稳固颗粒污泥,提高颗粒污泥浓度。图4为不同OLR影响下污泥沉降性的变化。可知在工况I内SVI30逐渐下降,污泥颗粒化逐渐加强,在工况 II和工况 III内 SVI30逐渐降低,颗粒化程度进一步加强。在工况II和III内,SVI30下降至92.695.3 mL/g和87.690.3 mL/g,低于工况I,污泥沉降性加强,泥水分离效果好。OLR提高为微生物增殖提供物质保障,颗粒污泥生物量增大且在剪切力的作用下颗粒化进程加速。然而在工况IV内,SVI
18、回升至93.596.7 mL/g,污泥沉降性较工况II有所变差,部分颗粒污泥解体。研究表明OLR过高会导致反应器内异养菌的大量增殖,絮状微生物覆盖颗粒污泥,从而导致颗粒污泥失稳进而解体9-10。此外,SVI5/SVI30指标随 OLR提升先升高后下降,尤其在工况III内,SVI5/SVI30均高达90%以上,说明污泥沉降性能良好,证实了OLR为3.0 kg/(m3 d)利于颗粒污泥处理畜禽养殖废水过程中颗粒化进程。污泥粒径变化能直观反映颗粒化进程,如表1所示,在工况I内,小于0.8 mm粒径污泥占比8%,且在 0.30.7 mm之间粒径污泥占比高达 59.2%。当OLR提高至3.0 kg/(m
19、3 d),小于0.8 mm粒径污泥占比下降至 7.2%,而 0.30.7 mm之间粒径污泥占比提高至69.8%,说明OLR升高提高了颗粒污泥的粒径,加速颗粒化进程。在工况IV内,小于0.8 mm粒径污泥占比又升高至 8.9%,而 0.30.7 mm之间粒径污泥占比下降至54.5%。粒径分析清晰地表明适当提高进水OLR利于污泥粒径增大,而过高OLR降低了污泥粒径。EPS是颗粒污泥的重要组成部分,如图5所示,进水OLR同样影响了颗粒污泥的EPS含量及主要组分。一般认为,EPS对于颗粒污泥的形成具有促进作用11-12。在工况 I内 EPS总量为 85.6 mg/g,伴随着OLR提高至2.0 kg/(
20、m3 d),后半程EPS总量下降至 84.2 mg/g。同样地,在工况 III,EPS 总量为72.5 mg/g,低于工况I和工况II。然而在共工况IV,EPS含量提高至89.6 mg/g。EPS的主要组分PN和PS的含量同样受 OLR的影响。在工况 I内,PN和PS的含量为42.3、24.6 mg/g,对应比值1.79,在工况II 和工况 III 内,PN 和 PS 的含量分别下降至 40.3、37.6 和 20.1、18.6,对应比值提高至 2.0 和 2.02。PN和PS含量的降低可能是由于提高负荷后,颗粒污泥沉降性降低导致微生物流失引起。在工况IV内,有图3OLR对颗粒污泥污泥浓度的影
21、响Fig.3Effect of OLR on Granular Sludge Concentration图4OLR对颗粒污泥沉降性能的影响Fig.4Effect of OLR on settling performance of granular sludge表1颗粒污泥处理畜禽养殖废水过程中不同工况下污泥粒径分布Tab.1Sludge particle size distribution under different working conditions in the treatment of livestock and poultry wastewater with granular s
22、ludge粒径范围/mm0.150.150.300.30.50.50.70.70.90.9污泥粒径分布/%工况I8.212.326.632.612.38.0工况II7.613.229.535.67.66.5工况III7.28.531.238.67.07.5工况IV8.922.030.224.310.34.3图5OLR对颗粒污泥内EPS含量及其组分含量的影响Fig.5Effect of OLR on EPS content and its components in granular sludge118夏文文等,有机负荷率对颗粒污泥处理高浓度畜禽养殖废水的影响机质含量大幅提高导致丝状菌大量繁殖,
23、污泥沉降性下降,大量生物质未沉淀完全而流失,颗粒污泥为抵抗不良外界环境而提高 EPS的含量抵御外界环境。PN/PS值的升高对污泥絮凝有很重要的作用,PN/PS比值增加有助于减小细菌与水分子之间的结合,从而促进菌胶团的形成13。在工况 III内,PN/PS比值升高加速污泥颗粒化。2.3OLR对颗粒污泥微生物群落特征的影响对颗粒污泥微生物群落特征的影响图6展示了不同OLR对颗粒污泥内微生物门级别的影响。Proteobacteria和Bacteroidetes是主要的门级别微生物,各工况占比高达67.573.7%。纪树兰等14报道城市污水好氧颗粒污泥脱氮除磷系统内优势细菌主要以Proteobacte
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