SMSBR處理焦化廢水的污泥特性

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簡介： 采用一體化膜—序批式生物反應器(SMSBR)處理焦化廢水，在泥齡為600d的狀態(tài)下運行，污泥產(chǎn)量少并體現(xiàn)出延時曝氣的特征，平均污泥負荷＜0.102 kgCOD/(kgMLSS·d)。當污泥濃度＞6518 mg/L時污泥沉降性能變差，但以膜實現(xiàn)泥水分離可以保證出水不受之影響。VSS/SS(比活性)總體呈較弱的下降趨勢，但脫氫酶活性的變化與出水COD的對應關系出現(xiàn)了反常現(xiàn)象。經(jīng)過長期運行，污泥顆粒平均粒徑從100μm降至30μm，并在低溫和高負荷的情況下表現(xiàn)出分散生長的特點，從而使上清液的濁度和COD升高。
關鍵字：軋鋼 循環(huán)冷卻水 水處理 水質(zhì)穩(wěn)定

Characteristics of Activated Sludge in Coke Wastewater Treatment by Submerged Membrane Sequencing Batch Reactor
LI Chun?jie?1，ZHU Nan?wen?1，GU Guo?wei2?
(1.School of Environmental Science and Engineering,Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240,China;2.State Key Lab of Pollution Control and Resource Recycle,?Tongji University,Shanghai 200092,China)

　　Abstract：In coke wastewater treatment by submerged membrane sequencing batch reactor (SMS BR),when ?SRT was kept at 600 days during running period,there was low sludge production with emergence of the extended aeration characteristics,and sludge l oad was less than 0.102 kg COD/(kg MLSS·d) in average.When sludge concentration was more than 6 518 mg/L,its settleability became worse.However,the separation of sludge and water by membrane exerted no influence on the effluent.?VSS/SS (specific activity) showed a slight drop tendency in general,and abnormal ph enomenon was observed between dehydrogenase activity of sludge and effluent COD.After a long running period,average size of sludge particle was reduced from 100μm to 30 μm,and disperse growth of sludge appeared at low temperature and high load,which caused the rise in turbidity and COD of supernatant.?
　　Keywords:SMSBR;coke wastewater;sludge characteristics

　　由于膜分離的作用，MBR工藝可以維持很高的污泥濃度，并具有很長的泥齡，表現(xiàn)出延時曝氣的運行特征，而其污泥特性又不同于傳統(tǒng)活性污泥工藝。相關的研究包括泥齡、污泥濃度、產(chǎn)泥率、污泥沉降性能、污泥形態(tài)、生物相組成、污泥的顆粒分布、粘度和污泥活性等方面 。
　　SMSBR工藝在泥齡為600 d狀態(tài)下處理焦化廢水的有關試驗情況見參考文獻^［1］。

1　污泥濃度的變化

　　 試驗過程中MLSS與MLVSS的變化如圖1所示。?

　　由圖1可見，試驗過程中污泥濃度出現(xiàn)兩個峰值，第一個峰值出現(xiàn)在工況1，該工況運行時間長，受季節(jié)溫度變化的影響很大。試驗運行的前76 d(至1999年12月11日)，混合液懸浮固體(MLSS)持續(xù)增至6 128 mg/L，并達到相對穩(wěn)定，以后受氣溫下降的影響代謝活性變差 ，污泥濃度開始下降，于第168 d(2000年3月12日)降至最低點(5036 mg/L)，此后又隨著氣溫的回升而增高，最終達6118mg/L，該值與前一個穩(wěn)定值接近，代表了在容積負荷為0.45kgCOD/(m³·d)時的最終污泥濃度范圍；第二個峰值出現(xiàn)在工況2～4，當平均容積負荷增至0.67kgCOD/(m³·d)時MLSS增至6 820 mg/L，當平均容積負荷進一步增至0.83 kgCOD/(m³·d)后MLSS增至7420 mg/L，當平均容積負荷又降至0.53kgCOD/(m3·d)后MLSS下降至6 000 mg/L左右。混合液揮發(fā)性懸浮固體(MLVSS)的變化與MLSS 的變化規(guī)律相似。?
　　由于該工藝SRT很長，所以污泥濃度主要與進水負荷有關，并可由下式反映：

　　X=[Dh(COD進水-COD出水）]/[（Dp/Ylim)+ms　　　　　　 （1）

　　式中?X——污泥濃度
　　　　?Dh——HRT的倒數(shù)
　　　　?Dp——SRT的倒數(shù)
　　　　?Ylim——最大產(chǎn)泥系數(shù)
　　　　?ms——維持系數(shù)
　　當泥齡很長時Dp可以忽略，此時有機物的代謝不能滿足微生物的能量消耗，微生物內(nèi)源呼吸作用加大，使產(chǎn)泥率很低?？梢娫谀帻g很長且在一定的容積負荷下，隨著污泥濃度的 不斷增長，污泥負荷不斷下降，最終由于營養(yǎng)逐漸缺乏使污泥濃度的增長變慢直至達到穩(wěn)定，工況1的平均污泥負荷(NS)為0.085 kgCOD/(kgMLSS·d)，工況2為0.102kgCOD/(kgMLSS·d)，體現(xiàn)出明顯的延時曝氣特征。圖2反映了試驗運行初期污泥濃度和污泥負荷的這種變化關系。?

　　與多數(shù)MBR工藝相比，該試驗中的污泥濃度并不算高，這一方面與處理水質(zhì)有關，另一方面由于較長時間的低溫運行使污泥增長受到影響所致。

2　污泥的沉降性

　　圖3反映了試驗運行過程中污泥沉降比SV30和SVI的變化。

　　由圖3可見，工況1運行過程中污泥具有良好的沉降性能，平均SV30為25.1%，平均SVI為46 mL/g；在工況2～3運行時，由于污泥負荷的提高，污泥濃度進一步升高，其 沉降性能開始變差，從2000年7月2日起(MLSS為6518 mg/L)，SV30＞30%并呈逐漸上升趨勢；進入工況4，其平均SV30為80.3%，平均SVI為137.7 mL/g。在傳統(tǒng)活性污泥工藝中，污泥沉降性能變差將直接導致出水水質(zhì)下降。對于傳統(tǒng)的SBR工藝來講，在相同污泥濃度下SVI值直接影響周期進水量(參考文獻［2］列舉了這種關系)，即當MLSS為2000 mg/L、SVI為100時，進水量可為反應器有效容積的80%，若SVI提高到200時，則只能進60%的水量；當MLSS為5000 mg/L、SVI為100時，只能進50%的水量，若SVI提高到200時，反應器不能運行。從該試驗結果看出，由于通過膜分離來實現(xiàn)泥水分離，系統(tǒng)運行不受污泥沉降性能的影響。?

3　污泥的活性

　　污泥活性有多種表征方法，其中最簡單的一種是考察污泥混合液中的揮發(fā)性組分與總固體的比值(即VSS/SS)。圖4為整個試驗過程中VSS/SS反映的比活性變化。

　　由圖4可見，以VSS/SS所反映的比活性在試驗的第一階段總體呈下降趨勢，這是由于該試驗選用了很長的泥齡，經(jīng)長期運行后污泥處于營養(yǎng)缺乏的狀態(tài)，必然會引起其活性的下降；而在試驗的第二階段又表現(xiàn)出上升趨勢，這是由于該段外加了易降解的碳源使 污泥的活性成分提高了。從整個運行過程來看VSS/SS較高，平均為0.832。
　　實際上VSS/SS所反映的是污泥中非無機成分所占的比例，由于焦化廢水本身所含懸浮物較少，其中的無機成分極低，因此在長期運行中保持很高的VSS/SS是完全合理的。為了進一步了解污泥活性，又測定了污泥的脫氫酶活性(如圖5所示)。?

　　脫氫酶由活的生物體產(chǎn)生，能促進有機物的脫氫反應，可以反映廢水生物處理中活性微生物量及其對有機物的降解活性。測定脫氫酶的方法很多，目前較為常用的是氯化三苯基四氮唑(TTC)法，該法主要選用無色的TTC作人為受體，受氫后生成紅色的三苯基甲（TF），通過檢測單位污泥量在單位培養(yǎng)時間內(nèi)生成的TF量［μgTF/(mgMLSS·h)］來表征脫氫酶活性^［3］。理論上講，所測得的脫氫酶活性應與出水中剩余的有機質(zhì)成比例，即當測得的污泥脫氫酶活性高時，對應的出水COD應低，反之亦然。但試驗中這種對應關系出現(xiàn)了反差，其結果令人費解。由圖5看出，隨著反應溫度回升脫氫酶活性很快上升，在硝化反應恢復正常時達到相對穩(wěn)定值(2000年4月9日—5月27日)，平均為17.57μgTF/(mgMLSS·h) ，相應地該階段出水COD達到了相對穩(wěn)定值，平均為135mg/L；根據(jù)參考文獻^［1］，當 硝化反應恢復后并體現(xiàn)出好氧段的反硝化功能時，出水COD又一次降至100mg/L以下，按理論分析脫氫酶活性應具有更高的值，但實際結果卻截然相反：脫氫酶活性很快下降，并于2000年7月6日—8月2日穩(wěn)定在較低的水平，平均為2.98μgTF/(mgMLSS·h)；在按照“缺氧1—好氧—缺氧2”方式運行后，再次測定的脫氫酶活性(2000年9月20日)值高達41.5μgT F/(mgMLSS·h)，而此時的出水由于外加碳源的影響而具有較高的值，因此單從以上脫氫酶 活性與出水COD的對照結果來看，當溫度適合微生物的活動時，表現(xiàn)出污泥脫氫酶活性高、出水水質(zhì)反而差的結果。筆者不認為測試方面存在問題，因為圖5中的數(shù)據(jù)是大量且穩(wěn)定的，因此其中的原因值得進一步探究。

4　　污泥的顆粒分布

　　SMSBR在運行過程中，污泥的顆粒分布發(fā)生了明顯的改變，該變化將對反應器中氧的傳遞、污泥的沉降性能及膜過濾阻力等產(chǎn)生影響。
　　試驗中污泥顆粒分布的測定是通過上海理工大學開發(fā)的FAM激光顆粒測量儀，利用光散射原理對不同范圍的顆粒進行數(shù)據(jù)的采集和處理。污泥顆粒累積分布和頻率分布分別根據(jù)式(2)、(3)確定：

?　　

　　式中?D?——顆粒直徑，μm
　　　　　x、n——參數(shù)
　　圖6列舉了試驗運行初期(1999年9月24日)和末期(2000年9月13日)的污泥顆粒分布情況，不同運行階段的平均粒徑比較如圖7所示。

　　由圖6可知，污泥顆粒分布在較寬的范圍；由圖7可見，SMSBR運行之前的平均污泥粒徑為133.18μm，系統(tǒng)運行后污泥顆粒呈下降趨勢，最終穩(wěn)定在35.28～37.73μm。該結果與其他MBR的研究結果相似^{［4、5］}。污泥顆粒變小的原因主要是由于泥齡太長引起的。
　　由于試驗條件所限未能考察污泥顆粒分布的變化對其他因素(如污泥的沉降性等)的影響。

5　污泥生長狀態(tài)的變化

　　參考文獻［1］曾報道了污泥特性的變化會影響上清液COD的測定，一方面由于泥齡太長導致代謝產(chǎn)物的積累；另一方面由于受低溫和高負荷的影響，使污泥表現(xiàn)出分散生長的特點，從而導致游離細菌增多。污泥特性的這種變化可通過測試上清液濁度和鏡檢上清液(污泥經(jīng)濾紙過濾所得濾液)中的游離細菌來說明，濁度的測試結果如表1所示。?

表1　膜出水和上清液濁度的變化日期膜出水濁度上清液濁度日期膜出水濁度上清液濁度1999-12-021.0251.42000-04-090.9823.82000-04-051.05312000-05-080.7716.52000-04-060.8619.32000-05-160.55112000-04-070.9122.72000-07-23156.22000-04-080.9619.3   

　　在SMSBR試驗之前按SBR法馴化污泥時，發(fā)現(xiàn)污泥的絮凝性非常好，上清液濁度很低；在SMSB R運行初期也未觀察到上清液有明顯變化，而一個多月后上清液逐漸變得渾濁。這種變化一方面來自代謝產(chǎn)物的積累，另一方面也與溫度不斷下降有關；當反應溫度回升后污泥的絮凝性好轉(zhuǎn)(2000年4月5日—5月16日)，所測濁度值明顯減小，但還有濁度＞10NTU的情況并保持相對穩(wěn)定，這反映出代謝產(chǎn)物的積累達到穩(wěn)定；而當負荷再次提高后，上清液濁度又一次升高，這是由于毒性刺激使污泥再次表現(xiàn)出分散生長的特點。試驗過程中膜出水濁度＜1.0 NTU，充分說明了膜分離對保證出水水質(zhì)起到了關鍵作用。

6  結論? 

　?、賁MSBR在泥齡為600d的運行條件下污泥產(chǎn)量少，體現(xiàn)出延時曝氣的特征，平均污泥負荷＜0.102 kgCOD/(kgMLSS·d)。?
　?、诮?jīng)過長期運行，當污泥濃度＞6 518 mg/L時其沉降性能變差，但以膜實現(xiàn)泥水分離可以保證出水不受污泥沉降性能的影響。③VSS/SS(比活性)總體表現(xiàn)出較弱的下降趨勢，但污泥脫氫酶活性的變化與出水COD的對應關系卻表現(xiàn)出反差。
　?、芙?jīng)過長期的運行，污泥顆粒平均粒徑從100多μm降至30多μm，并在低溫和高負荷的情況下表現(xiàn)出分散生長的特點，從而使上清液濁度和COD升高。

參考文獻：

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　　［5］ Boran Zhang，Yamamoto K,OhgakiS,et al?.Floc size distribution and bacterial activities in membrane separation activated sludge processes for small-scale was tewater treatment/reclamation［J］.Wat Sci Tech，1997,35(6):37-44.