Fe3+对好氧活性污泥理化特性的影响

兰善红　李慧洁　王传路　耿士文　蓝惠霞,*　张　恒,4　王晓红

(1.东莞理工学院化学与环境工程学院,广东东莞,523808；2.青岛科技大学环境与安全工程学院,山东青岛,266042；

3.青岛科技大学化工学院,山东青岛,266042；4.华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室,广东广州,510640)



Fe3+对好氧活性污泥理化特性的影响

兰善红1李慧洁2王传路3耿士文2蓝惠霞2,*张恒3,4王晓红2

(1.东莞理工学院化学与环境工程学院,广东东莞,523808；2.青岛科技大学环境与安全工程学院,山东青岛,266042；

3.青岛科技大学化工学院,山东青岛,266042；4.华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室,广东广州,510640)

摘要：探讨了Fe3+对好氧活性污泥理化特性的影响。结果表明：与对照样(不加Fe3+)相比，整个驯化过程中,加Fe3+反应器内的混合液悬浮物(MLSS)质量浓度和胞外多糖与蛋白质的质量比较高,但污泥体积指数却较低；加Fe3+反应器内的胞外多聚物含量在驯化前期高于对照样,在驯化后期却低于对照样；加Fe3+可以提高污泥的沉降性能和絮凝性能。

关键词：Fe3+；制浆中段废水；好氧活性污泥；驯化；理化特性

好氧活性污泥由于优势菌富集较慢,导致其处理废水效果不佳,且微生物代谢酶活性也维持在一般水平,对毒性污染物的降解效率低[1-3]。好氧活性污泥在处理工业废水过程中常发生污泥膨胀现象[4]。Remy等[5]研究结果表明,在好氧活性污泥中投加含Fe3+等的物质可刺激微生物生长,提高酶活性。Jin等[6]研究发现,Fe3+可很好地改善活性污泥的压实性和沉降性能。部分Fe3+在活性污泥系统运行条件下可形成溶胶,溶胶具有絮凝作用,紧紧地结合在活性污泥表面,增强活性污泥的絮凝能力[7]。

本课题组将Fe3+应用于处理制浆中段废水的好氧活性污泥系统中。前期研究确定了Fe3+的最佳用量以及制浆中段废水活性污泥驯化过程中污泥活性和处理效果。在此基础上，本实验进一步探讨了Fe3+对好氧活性污泥驯化过程中污泥理化特性的影响。

1实验

1.1原料

废水取自山东某造纸厂的制浆中段废水,调节废水pH值至7.0左右,并加入1 mg/L的聚合氯化铝(PAC)和0.1 mg/L的聚丙烯酰胺(PAM)进行预处理。预处理后,废水CODCr约为800～900 mg/L。采用絮凝后的出水对好氧活性污泥进行驯化。驯化过程中添加的营养液组成为：葡萄糖800 mg/L,硫酸铵184 mg/L,磷酸二氢钾70 mg/L,硫酸镁33 mg/L,氯化钙66 mg/L,碳酸钠260 mg/L。接种污泥为取自青岛某城市污水处理厂曝气池中的好氧活性污泥。

1.2分析方法

按照国家标准方法[8]测定混合液悬浮物(MLSS)的质量浓度和污泥体积指数(SVI)；胞外多聚物采用硫酸法提取[9],胞外多糖和蛋白质的质量浓度分别采用蒽酮法[10]和考马斯亮蓝法[11]测定。

1.3实验方法

向静态间歇式反应器中加入4 g/L(前期实验确定的最佳用量)的Fe2(SO4)3(如下以“加Fe3+”表示),同时，将不加Fe2(SO4)3的反应系统作为对照样。2个反应器中污泥的质量浓度均为4 g/L左右,pH值控制在7.2左右,溶解氧质量浓度控制在3～4 mg/L,处理周期为24 h。驯化过程共经历了6个阶段；各阶段制浆中段废水和营养液体积比(V1∶V2)分别为1∶9、2∶8、4∶6、6∶4、8∶2和10∶0；在每个阶段的驯化过程中，CODCr去除率达80%以上时再进行下一阶段的驯化,各阶段的驯化时间分别为7、4、4、20、5和6天,总共46天。在每个驯化阶段结束时,即第7、11、15、35、40和46天时测定好氧活性污泥的理化特性。

2结果与讨论

2.1驯化过程中MLSS质量浓度的变化

MLSS是反映反应器内微生物量的一个重要指标。驯化过程中反应器内MLSS质量浓度的变化情况如图1所示。

在驯化的前3个阶段(即V1∶V2为1∶9、2∶8和4∶6),加Fe3+反应器内MLSS质量浓度随制浆中段废水比例的升高而增大,并在第3个阶段达到最大值(15.3 g/L)；随制浆中段废水比例的继续增大,加Fe3+反应器内MLSS质量浓度呈下降趋势；驯化阶段结束时,MLSS质量浓度又有所上升。而对照样在V1∶V2为2∶8的驯化阶段,MLSS质量浓度达到最大值(12.5 g/L)；随后随制浆中段废水比例的增大一直呈下降趋势；至最后一个驯化阶段时,下降幅度很小。驯化初期,制浆中段废水所占比例低,污染物负荷不高,随制浆中段废水比例的提高,污染物负荷提高,微生物的活性受到抑制。但制浆中段废水比例低于50%时,污染物对微生物的抑制作用较小,随着驯化的进行,降解制浆中段废水中有害物质的优势菌开始繁殖且随污染物负荷的提高繁殖量增加,从而促进了优势菌的生长繁殖,污泥量呈增加趋势。但当制浆中段废水比例超过50%时,污染物负荷的提高使得部分以葡萄糖为第一碳源的微生物(即非优势菌)受到抑制，甚至死亡；而能够降解制浆中段废水中污染物的优势菌增加量低于非优势菌的死亡量,进而MLSS质量浓度下降。当制浆中段废水比例达100%时,由于经历了长时间的积累,优势菌增多,使得MLSS质量浓度下降很小,甚至使加Fe3+反应器内MLSS质量浓度有所上升。

图1　驯化过程反应器内MLSS质量浓度的变化情况

整个驯化过程中,加Fe3+反应器内MLSS质量浓度始终高于对照样。微生物合成代谢所需的能量来源于有机物的分解代谢。在分解代谢过程中,有机物在脱氢酶作用下脱氢和电子。氢和电子在电子传递链传递过程中,经ATP酶的作用产生大量ATP。因此,微生物的繁殖取决于脱氢酶活性。铁元素是构成脱氢酶活性的中心组分,外界环境中适宜的Fe3+浓度可提高脱氢酶活性[12],进而提高ATP的合成量,提高微生物生长繁殖速率,从而使反应器内微生物量增加,即污泥浓度增大。

Fe3+具有絮凝作用,在水溶液中会形成Fe(OH)3,为微生物提供了附着场所,从而减少随出水流失的游离微生物；同时，其可使污泥结构变得紧实,从而提高污泥的抗负荷能力；在制浆中段废水负荷较大时,污泥絮体结构的破坏程度比对照样低,MLSS的减少量较小。因此，在Fe3+的影响下,MLSS质量浓度有所提高。

2.2驯化过程中好氧活性污泥絮凝性能的变化

胞外多聚物(ECPs)的含量和组成会影响好氧活性污泥的絮凝性能。胞外多聚物主要含有胞外多糖(PS)和蛋白质(PN),此外，还含有少量核酸和脂类物质。实验用PS和PN含量之和表示ECPs含量。各驯化阶段ECPs的含量和主要组分(PN和PS)含量的变化如表1和图2所示。

表1　胞外多聚物含量

由图2可知,随驯化过程中制浆中段废水比例的不断增大,加Fe3+反应器和对照样内好氧活性污泥胞外多聚物含量基本呈现先减少后增加的趋势。加Fe3+反应器内好氧活性污泥胞外多聚物含量在V1∶V2为1∶9和2∶8时高于对照样。而在制浆中段废水的高负荷阶段,对照样内好氧活性污泥胞外多聚物含量高于加Fe3+时的情形。但对照样内好氧活性污泥胞外多聚物含量在V1∶V2=8∶2的驯化阶段降至最低。

图2　驯化过程中胞外多聚物含量及组成的变化

在驯化过程中,随制浆中段废水比例的增大,加Fe3+反应器和对照样内w(PN)/w(PS)均呈上升趋势。除在V1∶V2=2∶8时,加Fe3+反应器内w(PN)/w(PS)低于对照样外，其他驯化阶段中,加Fe3+反应器内w(PN)/w(PS)均高于对照样。

胞外多聚物含量和w(PN)/w(PS)对好氧活性污泥的絮凝性能影响显著。Zhu等[13]研究了毒性物质4-氯苯胺负荷对好氧活性污泥絮凝结构的影响；研究结果表明，随毒性物质的增加,好氧活性污泥的胞外多聚物中蛋白质含量减少,胞外多糖含量增加,导致好氧活性污泥解体,污泥絮凝结构被破坏。这说明,好氧活性污泥胞外多聚物含量的增加不一定会增强好氧活性污泥的絮凝性能,而胞外多糖含量的增加却会恶化好氧活性污泥结构；决定好氧活性污泥絮凝性能的关键因素是w(PN)/w(PS)。

在好氧活性污泥驯化过程中,制浆中段废水比例的增大并未破坏好氧活性污泥絮体结构,反而提高了好氧活性污泥的絮凝性能,这主要是因为驯化的每一阶段都经历了相应的适应期,好氧活性污泥中降解制浆中段废水优势菌的比例不断增加,且在每一驯化阶段的好氧活性污泥性能稳定后才提高制浆中段废水负荷,所以经过驯化后,加Fe3+反应器和对照样内的好氧活性污泥均能保持一定的稳定性。当制浆中段废水比例较低时,对照样内w(PN)/w(PS)与加Fe3+的差异很小,甚至稍高(V1∶V2=2∶8时),这是因为好氧活性污泥受到的毒性冲击很弱,污泥能很好地保持其絮凝性能。但当制浆中段废水比例较高时,加Fe3+反应器内w(PN)/w(PS)大于对照样,表明在毒性废水负荷较高的条件下,Fe3+能够提高好氧活性污泥的絮凝性能。

2.3驯化过程中好氧活性污泥沉降性能的变化

污泥体积指数(SVI)可反映污泥的沉降性能。SVI越小,表明污泥沉降性能越好；若SVI低于50,则好氧活性污泥中无机物过多；若SVI高于150,则好氧活性污泥产生了膨胀现象,从而影响好氧活性污泥的沉降性能。各驯化阶段SVI的变化如图3所示。

图3中加Fe3+反应器和对照样内的SVI均在55～100 之间,处于正常范围之内。驯化过程中,随制浆中段废水比例的增大,有毒、有害物质的浓度不断增大,不加Fe3+的好氧活性污泥的沉降性能逐渐下降(SVI随制浆中段废水比例的增大而呈明显上升趋势)；加Fe3+的好氧活性污泥在各驯化阶段的沉降性能保持在较好的范围内(SVI一直保持在55～65之间),且明显优于不加Fe3+的好氧活性污泥。由此可见，在Fe3+的影响下,好氧活性污泥抗冲击的能力明显增强：一方面,由于Fe3+是常用的絮凝剂,有利于改善出水水质；另一方面,Fe3+对好氧活性污泥起到吸附作用,易于使好氧活性污泥沉降；再者,由于好氧活性污泥表面带有较多的负电荷,Fe3+可起到中和作用,有利于好氧活性污泥沉降,从而提高好氧活性污泥处理废水的效果。

图3　各驯化阶段污泥体积指数的变化

3结论

探讨了Fe3+对制浆中段废水驯化好氧活性污泥理化特性的影响。

3.1驯化过程中,加Fe3+反应器内混合液悬浮物(MLSS)质量浓度高于对照样(不加Fe3+),表明Fe3+可提高好氧活性污泥中微生物酶的活性,具有刺激微生物生长的作用。

3.2加Fe3+反应器内好氧活性污泥中胞外多糖与蛋白质的质量比高于对照样,表明Fe3+可提高好氧活性污泥的絮凝性能。

3.3加Fe3+反应器和对照样内的污泥体积指数(SVI)均处于正常范围(55~100)之内；加Fe3+反应器内的SVI低于对照样,表明Fe3+可提高好氧活性污泥的沉降性能。

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Effect of Fe3+on Physicochemical Properties of Aerobic Activated Sludge during

Domestication by Pulping Middle-stage Effluent

LAN Shan-hong1LI Hui-Jie2WANG Chuan-lu3GENG Shi-wen2

LAN Hui-xia2,*ZHANG Heng3,4WANG Xiao-hong2

(1.CollegeofChemistryandEnvironmentalEngineering,DongguanUniversityofTechnology,Dongguan,

(责任编辑：陈丽卿)

GuangdongProvince, 523808； 2.CollegeofEnvironmentandSafeEngineering,QingdaoUniversityofScience&Technology,

Qingdao,ShandongProvince, 266042； 3.CollegeofChemicalEngineering,QingdaoUniversityofScience&Technology,

Qingdao, 266042； 4.StateKeyLaboratoryofPulpandPaperEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,

Guangzhou,GuangdongProvince, 510640)

(*E-mail: lanhuixia@163.com)

Abstract：The changes of physicochemical properties of aerobic activated sludge for pulping middle-stage effluent treatment including mixed liquid suspended solid(MLSS), extracellular polymer substances(ECPs) content, ratio of protein(PN) and polysaccharide(PS), sludge volume index(SVI) during domestication were studied. The results showed that MLSS and PN/PS ratio of the system with Fe3+were higher than that of the blank control, while SVI was lower. ECPs content of the system with Fe3+was higher in the earlier stage, but lower in the later period compared to the blank control. The settleability and flocculating performance of the sludge with Fe3+were better than that of the blank control.

Keywords：Fe3+; pulping middle-stage effluent; aerobic activated sludge; domestication; physicochemical property

作者简介：兰善红,男,1972年生；教授；主要从事水污染控制方面的研究。

基金项目：广东省省部(院)产学研结合项目(2013B090900001)；国家级大学生创新创业训练计划项目(201410426049)；制浆造纸工程国家重点实验室开放基金项目(201474)。

收稿日期：2015- 05- 05

中图分类号：X793

文献标识码：A

文章编号：1000- 6842(2015)04- 0018- 04

*通信联系人：蓝惠霞，E-mail: lanhuixia@163.com。