研究簡介:好氧顆粒污泥被認(rèn)為是最有前途的廢水生物處理方法之一。它在緊密的微生物結(jié)構(gòu)、沉降能力、生物量保持、允許在單個顆粒。但大顆粒的過度生長會削弱顆粒的穩(wěn)定性,導(dǎo)致反應(yīng)器失效,限制了該方法的應(yīng)用。顆粒污泥中的極限氧濃度有利于厭氧微生物的形成微生物,其通過產(chǎn)生酸性產(chǎn)物來降低pH。水力剪切力通過增強(qiáng)顆粒表面的沖蝕和剝離作用,是控制顆粒長大的有效途徑。水力剪切應(yīng)力的強(qiáng)度通常通過更強(qiáng)的曝氣強(qiáng)度或更高的高度與直徑比(H/D)。然而高H/D比不能用于全規(guī)模工廠,而提高曝氣強(qiáng)度會導(dǎo)致額外的運(yùn)行成本。此外,強(qiáng)的水力剪切應(yīng)力導(dǎo)致較小的粒度分布,導(dǎo)致SND效果和TN去除效率不足。從反應(yīng)器性能和穩(wěn)定性兩方面考慮,優(yōu)化顆粒粒徑的策略值得研究。以往的研究表明,微生物選擇壓可以提高好氧顆粒污泥的穩(wěn)定性??s短污泥停留時間(SRT)可促進(jìn)SBR中聚磷生物(PAOs)對絲狀菌的競爭優(yōu)勢)。有研究人員通過去除SBR上部的生物量來抑制絲狀菌膨脹。乙酸鈉與琥珀酸混合用于平衡聚磷菌/糖原菌(PAOs/GAOs)的競爭。然而優(yōu)化顆粒尺寸分布的有效策略仍是未知的。本研究采用高度可調(diào)進(jìn)水策略,通過微生物選擇壓力優(yōu)化顆粒粒徑分布,主要目的是:(1)通過氧傳質(zhì)和顆粒強(qiáng)度分析確定顆粒的最佳粒徑范圍;(2)考察高度可調(diào)進(jìn)水策略對顆粒粒徑分布的影響;(3微生物群落結(jié)構(gòu),和iii)探索選擇性壓力對尺寸優(yōu)化和顆粒穩(wěn)定性的機(jī)制。


Unisense微電極系統(tǒng)的應(yīng)用


采用微電極剖面系統(tǒng)測定好氧顆粒污泥中的溶解氧濃度。微電極剖面系統(tǒng)是由微電極(OX 10-16,076,Unisense,丹麥)和皮安計組成。微電極法測定顆粒污泥中的溶解氧濃度是在好氧階段結(jié)束時進(jìn)行的。


實(shí)驗(yàn)結(jié)果


優(yōu)化顆粒粒徑分布是反應(yīng)器運(yùn)行的關(guān)鍵。R2中顆粒的不受控制的生長導(dǎo)致絲狀菌膨脹,反應(yīng)器在運(yùn)行73天后惡化。推測強(qiáng)烈的剪切應(yīng)力侵蝕了顆粒的外層,使反應(yīng)器的性能下降。黃桿菌屬的暴露,這降低了黃桿菌屬的相對豐度。進(jìn)水高度可調(diào)有利于PHB在最佳粒徑范圍內(nèi)的儲存,限制了顆粒的過度生長,使87.51%的顆粒處于最佳粒徑范圍內(nèi),提高了顆粒的去除率污染物去除效率和反應(yīng)器穩(wěn)定性。

圖1、展示實(shí)驗(yàn)條件和子實(shí)驗(yàn)相互關(guān)系的概念圖。(a)不定根形成的表型作為對部分淹沒的反應(yīng)和目標(biāo)基因型的選擇。(b)nil12的解剖和生理特征。(c)基因表達(dá)對存在或不存在機(jī)械阻抗的響應(yīng)。(d)數(shù)據(jù)類型、目標(biāo)組織和數(shù)據(jù)表示。AR=不定根;NIL=近等基因系。


圖2、污水處理反應(yīng)器運(yùn)行30天后,有碳源(a、c和e)和無碳源(b、d和f)的R3顆粒內(nèi)部的DO分布和缺氧區(qū)。*紅區(qū)為高DO區(qū),藍(lán)區(qū)為低DO區(qū),缺氧區(qū)(DO〈0.3mg·L-1)為低DO區(qū)?1)被粉紅色曲線包圍。結(jié)果表明,由于顆粒污泥內(nèi)部孔道和孔隙結(jié)構(gòu)的影響,DO在顆粒污泥中呈明顯的非各向同性分布。

圖3、三個污水處理反應(yīng)器反應(yīng)器運(yùn)行53天(a)和166天(b)后運(yùn)行周期的溶氧剖面圖。


圖4、污水處理反應(yīng)器運(yùn)行30天后,R3污泥顆粒中直徑為1500-2000μm(a)、2000-2500μm(B)、2500-3000μm(c)和3000-3500μm(d)的顆粒的水力剪切應(yīng)力試驗(yàn)。2300 s后?1在水力剪切力作用下,粒徑為1500-2000μm、2000-2500μm和2500-3000μm的顆粒分布峰略有左移,粒徑分布無明顯變化。而在高水力剪切力下,粒徑小于3000μm的顆粒保持完整,表明顆粒強(qiáng)度相對較強(qiáng)。

圖5、進(jìn)水期間(第60天)R3污泥層中COD和PHB的動力學(xué)。進(jìn)水期間,進(jìn)水附近COD濃度迅速上升,而遠(yuǎn)離進(jìn)水處的COD濃度由于擴(kuò)散阻力的影響略有上升。




結(jié)論與展望


顆粒粒徑分布的優(yōu)化對反應(yīng)器的性能和穩(wěn)定性都至關(guān)重要,在本研究中研究人員基于DO約8.0mg/L時形成的顆粒,從傳質(zhì)和顆粒穩(wěn)定性的角度提出了1800~3000μm的最佳粒徑范圍。在進(jìn)水COD:N:P=100:5:1的條件下,采用可調(diào)節(jié)進(jìn)水高度的進(jìn)水策略,通過微生物選擇壓力使顆粒污泥在最佳粒徑范圍內(nèi)儲存營養(yǎng)鹽。結(jié)果表明,水力剪切力不足會導(dǎo)致顆粒污泥的過度生長,高豐度的絲狀菌(硫絲菌屬在較大顆粒污泥中發(fā)現(xiàn)了大量的硝化反硝化細(xì)菌,這些細(xì)菌會脫落并影響剩余顆粒污泥,導(dǎo)致嚴(yán)重的污泥膨脹;在較大的水力剪切力作用下,顆粒污泥的失控生長受到抑制,但同時硝化反硝化細(xì)菌的數(shù)量較少(SND)細(xì)菌,這導(dǎo)致不利的SND效應(yīng)和總氮高度可調(diào)進(jìn)水策略促進(jìn)了聚-β-羥基丁酸酯的去除(PHB)在最佳粒徑范圍內(nèi)儲存顆粒,同時限制顆粒尺寸的過度生長。此外,超過87.51%的總顆粒位于最佳粒徑范圍內(nèi)。SND菌群數(shù)量增加,TN去除率提高。