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A/O除磷系统对污泥的处理方法
A/O除磷系统对污泥的处理方法

      1 引言

  随着污水处理工艺的发展,活性污泥法由于其廉价、高效的优点已在全世界范围内被广泛应用.然而,污泥膨胀问题常常影响着污水处理工艺的稳定运行,进而增加污泥处理费用和出水悬浮颗粒物浓度,甚至威胁下游生态系统和公共健康.引发活性污泥膨胀的因素较多,而温度变化是不容忽视的关键因素之一.由于季节的更替,全球大多数地区的活性污泥法污水处理厂都受到温度的影响,并且整体呈现冬春季节污泥膨胀频发,而夏秋季节沉降性能良好的趋势.虽然许多研究者已证明温度会引起污泥沉降性的改变,但目前对造成这一改变的机理尚无定论.

  前人关于污泥沉降性的研究主要集中于丝状菌的数量、絮体形态、胞外聚合物(EPS)、污泥含磷量与密度等方面和认为低温有利于丝状菌的生长,而高温会抑制其生长,进而改变污泥的沉降性能.然而观测发现,随着季节的更替,实际污水处理厂中丝状菌的数量和污泥沉降性并未发生明显改变.因此,温度对丝状菌的影响仍需要更为深入的研究.EPS是活性污泥絮体的重要组成部分,许多研究者认为EPS在污泥絮凝和沉降过程中起着十分关键的作用,EPS含量会随着污泥SVI的升高而升高.但也有研究表明,在实际污水处理厂中,尽管低温会导致污泥EPS含量的升高,但EPS与污泥沉降性的相关性仍然较差.到目前为止,EPS对污泥沉降性尤其是在不同温度时的影响仍然没有一致的结论.在强化生物除磷系统中,先前的研究发现,聚磷菌容易形成密实的絮体,进而改善污泥的沉降性能.提出假说认为,由于聚磷颗粒(PP)比普通活性污泥的密度大,在强化生物除磷系统中聚磷颗粒可以增加污泥的密度以改善污泥的沉降性能.此外,通过添加微小颗粒来调节活性污泥密度的一系列试验进一步证实了这个假说.然而,需要指出的是,上述验证实验中污泥絮体通常没有丝状菌或者含量较少,并且絮体形态并没有明显变化.而一项对实际污水处理厂的调查发现,污泥的沉降性能受污泥密度和絮体结构共同影响.当丝状菌含量较高或者污泥絮体不太规则时,污泥沉降性与密度相关;而当丝状菌较少或者絮体较圆时,污泥沉降性与密度无关.这一现象与Schuler等之前的假说有矛盾之处.在实际污水处理厂中,由于各种原因丝状菌常常大量增殖或者周期性出现,因此,污泥密度和丝状菌(尤其是当丝状菌发生变化或者大量增殖时)究竟如何影响污泥的沉降性能仍然需要进一步的研究.随着分子生物学技术的发展,人们可以更加深入地了解活性污泥的菌群组成.在研究温度对生物强化除磷系统菌群分布的影响时,先前的研究者主要通过荧光原位杂交(FISH)技术揭示聚磷菌(PAOs)与聚糖菌(GAOs)之间的竞争关系,而很少关注在温度变化过程中整个活性污泥菌群的演替及其与污泥絮体沉降性能变化的关系.由于FISH技术无法检测未知种属的细菌,因此,在研究活性污泥菌群组成时具有一定的局限性.而聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)可以检测系统中含量大于1%的未知种属细菌,因此,在描述整个菌群结构的变化时具有明显优势,进而为探索微生物种群结构、除磷效果和污泥性状(沉降性能、丝状菌种类和数量等)之间的关系提供了有效途径.

  基于此,本试验通过运行连续流厌氧/好氧除磷系统,在温度变化条件下对污泥性状(沉降性、EPS、可挥发性固体、密度、含磷量和丝状菌)及微生物群落结构等进行观测,探索不同温度作用下不同参数之间的关系.试从不同角度分析温度对污泥沉降性能的影响机理,为污水处理厂在季节交替时的稳定运行提供理论依据.

  2 材料和方法

  2.1 试验装置

  本试验平行运行两套强化生物除磷系统,反应器由有机玻璃构成(图 1),容积为6 L,厌氧区与好氧区体积比为1∶3.日处理水量18 L · d-1,污泥回流比为100%,进水和污泥回流均采用蠕动泵控制.主反应区水力停留时间为8 h,其中,厌氧2 h,曝气6 h.两系统污泥龄均为12 d左右.


      2.2 反应器启动及污水水质

      本试验接种污泥取自实验室中稳定运行的生物强化除磷系统,MLSS为3000 mg · L-1左右,SVI为238 mL · g-1,各取6 L分别投入两套反应器内,反应器运行温度为20 ℃左右.运行34 d后,两系统均达到稳定状态,污泥浓度为3000 mL · g-1左右,COD和磷酸盐去除率分别为95%和85%,SVI值维持在240 mL · g-1左右.此时,将其中一套反应器温度升至25 ℃(1号反应器),将另一套系统温度降至15 ℃(2号反应器).两反应器进水基质与用于接种的生物强化除磷系统相同,采用人工模拟生活污水,其配方为(mg · L-1):尿素11.94,磷酸氢二钾41.76,MgSO4 · 7H2O 45.09,无水CaCl2 5.46,碳酸氢钠 27.50,硫酸亚铁 11.02,无水乙酸钠 172.69,土豆淀粉134.07,蛋白胨 19.17,奶粉 70.93和酵母膏 57.41,微量元素 0.09 mL · L-1,其组成成分为(g · L-1):(NH4)6Mo7O24 · 4H2O 0.6253、CoCl2 · 6H2O 0.2953、KI 0.3562、CuSO4 · 5H2O 4.1731、MnSO4 · H2O 0.5937、H3BO3 1.7808、ZnSO4 · 7H2O 2.2544.进水水质见表 1.


      2.3 分析方法

      主要指标均按照标准方法进行检测,不可挥发性固体(NVSS)为混合液悬浮固体与可挥发性固体的差值,聚合磷酸盐(Pns)为总磷和溶解性磷酸盐的差值.胞外聚合物(EPS)依据Fr的方法,采用阳离子交换树脂提取,采用Folin-酚法测定蛋白质,采用蒽酮比色法测定多糖.活性污泥絮体采用尼康光学显微镜进行观测.丝状菌鉴定参照的方法,通过革兰氏染色、纳氏染色、PHA染色及形态观察等确定.污泥密度参照的方法,采用Percoll分离液测定.

2.4 活性污泥菌群分析

活性污泥菌群分布采用PCR-DGGE进行分析.在试验运行的第23、34、37、60、72和第87 d(图 2a),分别从两个系统中各取4 mL泥水混合液,-20 ℃冻存.待反应器运行结束后,提取所有样品DNA,以大多数细菌和古细菌的16S rRNA基因V3区通用引物扩增引物碱基序列为:GC-341F(5′-CGCCCGCCGCGCGCGGCGG GCGGGGCGGGGGCACGGGGGGCCTACGGGAGGCA GCAG-3′)和534R(5′ATTACCGCGGCTG CTGG-3′).PCR反应体系为50 μL,采用降落PCR策略扩增(已优化):94 ℃预变性5 min;前20个循环,94 ℃变性30 s,65~55 ℃退火30 s(每个循环退火温度降低0.5℃),72 ℃延伸30 s;后10个循环,94 ℃变性30 s,55 ℃退火30 s,72 ℃延伸30 s;最后72 ℃最终延伸10 min.PCR产物用1%琼脂糖凝胶电泳检测.检测完毕后,采用Bio-Rad公司Dcode TM的基因突变检测系统对PCR反应产物进行分离.聚丙烯酰胺凝胶浓度为8%,变性剂浓度为40%~60%.电泳优化后条件为:130 V电压下预电泳10 min,此后70 V电泳13 h,电泳缓冲液温度为58 ℃.电泳完毕后,DGGE凝胶经DelRed染料染色送至凝胶成像仪处扫描获取图像.采用QuantityOne(Bio-Rad)分析活性污泥样品中电泳条带的数目和亮度,以评估各系统中的微生物群落.采用SPSS软件对各个样品进行对应分析(Correspondence analysis).对DGGE凝胶上的目的条带,经回收,再扩增,克隆后送至上海生工进行测序.然后将所得序列提交至GeneBank登记,序列号为:KF559164-KF559181.最后在GeneBank数据库中用BLAST进行检索



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