温度对活性污泥沉降性能与微生物种群结构的影响-第2页-北极星水处理网

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2 结果与讨论

2.1 不同的运行温度对污泥沉降性能的影响

不同的运行温度对污泥沉降性能的影响如图2 所示。由图2 可以看出,系统在5min 短时进水(阶段Ⅰ)的情况下,不同的运行温度并未对污泥的沉降性能产生较大影响,5 个系统中除了25℃的系统外污泥的SVI 值均维持在50mL/g 左右,污泥絮体结构密实,絮体之间仅有极少量的丝状菌出现,这些丝状菌构成了污泥絮体的骨架,使絮体相互连接形成菌胶团。5 个系统在不同的运行温度下均表现出良好的沉降性能(图3a)。这是因为采用缺好氧模式运行,反应器前10min 的进水阶段起到缺氧选择器的作用[14],运行温度对污泥沉降性能的影响要远远弱于高底物浓度的影响,根据Chudoba 的动力学选择理论[15],高底物浓度下丝状菌的最大比增长速率(μmax)比菌胶团小,而饱和常数(Ks)则大于菌胶团,菌胶团在系统中呈优势生长,同时菌胶团在高底物浓度下能将大量有机物贮存为胞内的PHA和多糖等物质,使菌胶团在与丝状菌的底物竞争中占据优势,从而抑制丝状菌的大量生长,防止污泥膨胀的发生。而25℃的系统在35d 的运行后SVI 值有所上升,之后稳定维持在100mL/g 左右,该SVI 值要高于其他各系统,分析认为25℃属于常温环境,无论是丝状菌还是菌胶团对这一温度都有较好的适应性,丝状菌在这一环境下得到一定生长,但由于运行条件对菌胶团更为有利,因此系统并未发生膨胀现象。由此可见,仅仅通过调节运行温度的高低并不能引起污泥沉降性能的恶化,而温度的突变或温度与其他运行环境的相互作用则可能是造成实际污水处理厂在不同的季节发生周期性污泥膨胀的原因。

经过近56d的运行,在5个SBR内污泥的沉降性能仍维持在稳定水平,于是将5个系统的进水时间延长为5h(阶段Ⅱ),以考察不同的运行温度与低底物浓度共同作用时污泥沉降性能的变化情况。在调整后的仅仅一周之内,5个SBR的沉降性能均迅速恶化,尤其是当温度为30℃时,污泥的SVI值达到350mL/g以上,污泥结构松散,絮体周围可见大量丝状菌呈网状蔓延,丝状菌丰度为5(图3e),系统发生了严重的膨胀。同时其他温度下的系统也发生了不同程度的膨胀(图3b~f)。事实上,污泥的SVI值与运行温度呈现出较高的相关性,当系统的运行温度为15℃时,污泥的SVI值在157mL/g左右,随着运行温度的升高,系统的SVI值也继续升高,当运行温度为30℃时污泥的SVI值达到356mL/g。但当运行温度为35℃时,污泥的SVI值却低于30℃的系统,SVI值维持在300mL/g。Dilek[16]采用半连续流系统探究不同的运行温度对污泥沉降性能的影响时发现,在15~30℃的温度范围内,污泥的沉降性能随着温度的升高而降低,但并未发生膨胀问题,当运行温度为35℃时,污泥的SVI值达到120mL/g,表现出较大的膨胀趋势。本试验在阶段Ⅰ的运行过程中同样未发现污泥膨胀现象,而在阶段Ⅱ中系统的SVI 值随运行温度的变化具有与上述类似的趋势。也就是说温度引起的污泥沉降性能的恶化大多是与其他因素(如低底物浓度)相互作用的结果。阶段Ⅱ采用长时进水,反应器在流态上类似完全混合式,5 个系统的底物浓度均较低,这时不同的运行温度便会对污泥的沉降性能产生显著影响。经过分析认为,温度对污泥沉降性能的影响主要体现在以下几个方面,首先运行温度影响微生物体内的酶活性,而微生物体内的酶活性与微生物的生长速率关系密切[16]。当底物浓度较低时,丝状菌对底物具有更强的亲和力,随着运行温度的升高,微生物体内的酶活性也随之增强,丝状菌的生长速率就更快,但并非温度越高酶的活性越强,当超过一定温度时,酶的活性开始下降,丝状菌的生长速率也随着下降,这就解释了低底物浓度的情况下,当运行温度为15~30℃时,污泥的SVI 值逐渐升高,而当运行温度为35℃时,污泥的SVI 值要低于30℃的情况。其次不同的运行温度影响微生物的新陈代谢能力,从而使微生物胞内胞外的贮存特性产生差异。Shin[17]指出较低的蛋白质/多糖(PN/PS)比会导致污泥的沉降性能变差,本试验在阶段Ⅱ的运行中观察到,随着运行温度的升高(15~35℃),系统内的PN/PS 比与污泥的沉降性能具有明显的负相关关系。同时, Van den Eijnde[18]指出,菌胶团对糖原具有较大的贮存能力,而丝状菌仅有有限的贮存能力,这必然造成不同的运行温度下微生物对有限底物的竞争,从而引起污泥沉降性能的差异。

2.2 不同的运行温度对活性污泥合成PHA、糖原及EPS 特性的影响图 4(a)和(c)为系统在第Ⅰ阶段稳定运行后(50d)的一个周期内底物贮存情况的变化规律;图4(b)和(d)为系统在第Ⅱ阶段稳定运行后(70d)的一个周期内底物贮存情况的变化规律.由图4(a)和(c)可以看出,阶段Ⅰ期间5 个系统均存在较明显的PHA 和糖原的贮存,消耗现象,PHA 的贮存和消耗规律与糖原的相反且不同的运行温度下PHA 和糖原的贮存量和消耗量不同.这是因为缺氧阶段存在较高的底物浓度梯度,菌胶团能够迅速利用底物并将大量底物以PHA 的形式储存起来[3],所以不同运行系统(除35℃的系统)的PHA 最大积累量出现的时间均在120min 的缺氧末期.当运行温度由15℃升高到30℃时,系统的PHA 最大贮存量由15.3mmolC/gVSS 下降到.09mmolC/ gVSS,PHA 最大贮存量随运行温度的升高而降低.但当运行温度为35℃时,系统的PHA 最大贮存量和最大贮存量出现的时间与15~30℃系统有所不同,其最大贮存量明显高于上述4 个系统,达到15.91mmolC/gVSS, 其最大贮存量出现的时间为60min.Krishna[19]指出在营养丰盛期运行温度的升高会导致微生物新陈代谢的旺盛,微生物将大量有机物用来维持生命活动,从而使合成PHA 的量减少.但当温度升高到一定程度(35℃),微生物体内的酶活性受到抑制,新陈代谢量降低,从而合成大量PHA.

由图 4(c)可知糖原在120min 的消耗量达到最大值,且不同的运行温度下糖原的消耗量不同,糖原的消耗量与系统的运行温度具有一定的相关性,但并不十分明显.总体来说随着运行温度的升高,糖原的最大消耗量表现出降低的趋势.进入好氧阶段后,菌胶团贮存的PHA 开始消耗,各系统内的PHA贮存量不断下降,与此同时胞内糖原开始积累.虽然PHA的贮存和消耗情况与糖原具有相反的趋势,但PHA和糖原的贮存量和消耗量差异较大.糖原的消耗量和贮存量要远远高于PHA 的贮存量和消耗量.Mino 模型[20]认为PHA的合成能量来源于糖原的降解,同时也有文献指出,PHA 至少有30%的合成能量可能来源于三羧酸(TCA)循环过程[21],因此PHA 贮存和糖原消耗的变化规律可能出现与本文不一致的现象.由图4(b)和(d)可以看出,在阶段Ⅱ的运行期间,系统内并不存在明显的PHA 和糖原的贮存和消耗现象,但不同的运行温度,PHA 和糖原的基值差异较大.这是因为,阶段Ⅱ采用长时进水,系统流态类似完全混合式,即使存在缺氧阶段,但系统内较低的底物浓度梯度对菌胶团的生长不利,丝状菌在低底物浓度下迅速生长,导致5 个系统均出现污泥膨胀现象.由2.1 节可知,系统的运行温度越高,污泥的膨胀程度越严重,系统内丝状菌的种类和数量就越多.由于菌胶团具备贮存PHA的能力而绝大多数的丝状菌不具备,所以污泥的膨胀程度越严重,说明系统内的丝状菌种类和数量越多,则系统贮存能力越低.因此在阶段Ⅱ中,5 个系统PHA 和糖原的贮存基值均随着运行温度的升高呈现出下降的趋势.

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