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A+OSA污泥减量工艺物质能量转化及其微生态特性研究

贾丽  
【摘要】:目前在世界范围内,剩余污泥的处理和处置已成为制约城市污水处理行业发展的一个瓶颈。如何从根本上突破剩余污泥的技术和管理问题,是目前环保工作者迫切需要解决的难题之一。剩余污泥源头减量化技术是目前解决剩余污泥问题的重要途径,已经成为该领域研究的热点。前期研究表明:改进的OSA工艺(A+OSA工艺)能够同时实现营养物的去除及对剩余污泥的源头减量,且发现该工艺低污泥产率是贮泥池和主体反应区(缺氧、好氧池)共同作用的结果。为了深层次解析该类反应器实现污泥源头减量的机理,本文在考察A+OSA工艺性能的基础上,分别考察了A+OSA工艺及其参照系统污泥特征、微生物群落结构及其代谢产物变化规律,并研究了好氧/厌氧反复耦合条件下对菌体合成特点及其污泥减量的关系,最后从物质和能量利用角度研究其物质及能量迁移转化特征。 研究发现:与A/O工艺参照相比,A+OSA工艺可减少剩余污泥13%~27%,且并没有对系统营养物去除产生明显的影响。其中,贮泥池水力停留时间(HRT)是影响该工艺污泥减量效果的最重要参数,且系统存在一个最佳HRT,约在5.56h附近。就A+OSA工艺整体而言,工艺条件不同,各因素贡献率亦不同。当HRT低于某个值时,主体反应区表现为污泥的低产率,但HRT越长,贮泥池污泥衰减程度越高,而主体反应区污泥产率增长越明显。且HRT不同,对贮泥池污泥产率影响的主导因素也存在差异,贮泥池HRT越长,污泥衰减对贮泥池污泥减量的贡献越大,低产率微生物的贡献越小。当HRT为7.14h时,低产率微生物的贡献约为12.59%左右。 显微结果发现:A+OSA工艺活性污泥内部生物空隙更加发达,絮体外围丝状菌较少,有利于污泥沉降性能的提高。分子生物学研究表明:贮泥池的插入可以明显改变系统微生物的群落结构,且随着贮泥池HRT延长,系统中部分微生物被“淘洗”,微生物丰富度和多样性指数均有所降低。相似性分析表明:参照系统和A+OSA工艺分属于两个不同的集群,但在A+OSA工艺内部各反应池样品间具有较高的相似性,且各反应池在HRT为5.56h、7.14h时,表现为显著相似。A+OSA反应器以β-proteobacteria(β-变形菌纲)最为丰富,Bacteroidetes(拟杆菌门)次之,Chloroflexi(绿弯菌门)占第三位。系统微生物多为兼性菌,其中水解酸化、产甲烷、反硝化除磷等慢速生长微生物是A+OSA工艺污泥低产率的重要参与者。 试验以从反应器中分离得到的B. subtilis菌为研究对象,研究了其在批次好氧、厌氧及间歇好氧以及连续好氧及OSA运行模式下,菌体产率及其能量利用情况,结果发现:好氧/厌氧交替对B. subtilis产率有明显影响,在批次间歇好氧时菌体产率较低,为0.283g.干重/g.葡萄糖,低于参照系统20.7%;在连续运行模式下,菌体比生长速率较快,同样OSA模式菌体产率较低,为0.439g.干重/g.葡萄糖,低于参照系统11.7%,由此可认为代谢途径的变化是其产率低的重要因素。研究还发现厌氧段的厌氧时间及底物情况是决定各影响因子对OSA污泥减量工艺贡献的重要参数。 环境变化影响微生物代谢,研究发现:贮泥池上清液中蛋白质、多糖及金属离子的含量远远高于其他反应区。对EPS检测结果发现:由于基质缺乏,ORP较低,贮泥池,微生物为了维持其生存,会加速生成胞外聚合物以保护自身。当贮泥池污泥混合液回流至主体反应区后,污泥上清液及污泥EPS微生物重新利用,是A+OSA工艺污泥减量的途径之一。另外,对好氧/厌氧过程EPS的研究结果发现:厌氧过程中EPS中的部分蛋白质、多糖作为基质为微生物提供碳源;随厌氧时间延长,EPS中的金属离子(如Fe~(3+)、Ca~(2+)及Mg~(2+))则呈下降趋势,说明会发生不同程度的离解过程。在好氧过程中EPS中金属离子含量增加,说明污泥中EPS重新聚合。EPS的重新聚合引起的能量损耗对A+OSA工艺污泥减量是有利的。 元素分析结果显示:A/O工艺和A+OSA工艺相应反应区元素的组成存在差异,且同一工艺中好氧污泥、缺氧污泥及厌氧污泥的成分亦不同。碳元素平衡分析表明:贮泥池出水中碳元素的含量低于其进水,以气态形式释放到空气中的碳以CO2为主,CH4占20%左右,且溢出的碳元素随HRT呈指数增长。A+OSA减量工艺主体反应区消耗单位碳转化为气态碳的量高于A/O参照系统,转化单位碳合成菌体的量较低。但A+OSA系统主体反应区菌体合成速率较快,以气态碳散失的量却较少。能量分析表明:和A/O工艺相比,A+OSA工艺用于生物体合成的能量较低。由于贮泥池增加了A+OSA工艺微生物浓度,且其泥龄较长,因此,A+OSA工艺维持能较高。A/O系统反应过程中以功和热散失掉及溢溅的能量远远小于减量系统,说明A+OSA工艺较多的能量在反应过程中以功和热的形式散失掉。但是否存在能量溅溢需要进一步验证。


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