各种养殖污水处理工艺选取设备选型生产厂家

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2. 1. 2 VFA 与甲烷产生量的变化特征

　　图3 给出了ABR 启动过程中VFA 和出水pH 的变化曲线。由图3(a)可见,随着ABR 的启动,第1 格室的VFA 变化幅度较大(0. 1 ~ 1. 1 mg·L - 1 );同时,出水中VFA 随着ABR 的启动进程整体上逐渐降低并趋于稳定,zui终低于0. 2 mg·L - 1 ,证明本研究中的ABR 在启动过程中运行状态逐渐趋于稳定。此外,VFA 的组分分析表明:其主要成分为乙酸、丙酸和丁酸,几乎未发现异戊酸和戊酸组分;其中丙酸组分占VFA 的比例超过50% ,说明丙酸发酵是ABR 水解酸化的主要过程。ABR 启动初期,出水的pH 持续下降并接近5. 5(见图3(b)),相应的VFA 浓度在0. 4 mg·L - 1 左右(见图3(a)),并且ABR 对COD 的去除效果很差(见图2),这是由于反应器进水碱度不足(1 000 mg·L - 1 ,以CaO 计),其酸化环境不适宜ABR各格室中的厌氧微生物的活动。通过及时提高进水碱度至1 500 mg·L - 1 (以CaO 计),ABR 出水的pH在6. 5 ~ 7. 5 之间波动。

　　ABR 启动过程中的产气量如图4 所示。在图4(a)中,总产气量随着ABR 的启动总体呈上升趋势,在50 ~ 60 d 期间由于反应器温度降低而出现明显下降;启动成功后,总产气量超过25 L·d - 1 。图4(b)中各格室的产气量排序为:Ⅰ > Ⅱ > Ⅳ > Ⅴ > Ⅲ,第1 格室的产气量是第2 格室的4 倍左右,表明通过接种颗粒污泥同步启动ABR 处理模拟畜禽养殖废水,并未*实现产酸相与产甲烷相的有效分离,这一结果与以前的研究结果不*。在本研究中,采用的是接种厌氧颗粒污泥启动反应器,进水有机物为易降解的葡萄糖,且第1 格室的污泥浓度相对较高、体积较大,所以模拟废水进入第1 格室后迅速被降解为单分子有机酸,然后被产甲烷菌继续反应生成甲烷气体。

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　　2. 1. 3 厌氧颗粒污泥的生长特征

　　图5 是ABR 启动过程中厌氧颗粒污泥中位直径和二维分形维数的变化曲线。由图5(a)可知,颗粒污泥的中位直径并不是随着ABR 的运行呈线性增长,在反应器启动初期,污泥生长速度缓慢,随着反应器的运行,有机物浓度逐渐增加,颗粒污泥的生长速度也逐渐增快。经过64 d 的启动以后,ABR 5 个格室中颗粒污泥的中位直径分别达到了(第1 到第5 格室)1. 58、1. 42、1. 32、1. 28 和1. 18 mm。和姜潇的研究结果在同一量级上。此外,ABR 启动阶段颗粒污泥的平均生长速度(10 - 3 mm·d - 1 ) 分别是10. 8、8. 3、6. 7、6. 1 和4. 5。一般情况下,二维分形维数(D2 )表示颗粒的致密程度,其值越接近于2 表明颗粒的结构越致密。图5(b)显示,随着ABR 启动时间的延长,5 个格室中的污泥D2 均呈下降趋势,在启动的第1 阶段下降趋势zui为明显,由zui初的2. 06 下降到1. 63 ~ 1. 80 之间,说明随着颗粒污泥尺寸的增加其致密程度不断下降。此后,污泥D2 的下降趋势逐渐趋于平缓,并且在启动的第3 和第4 阶段出现了上升趋势。在ABR 完成启动之后,污泥的D2 为1. 80 ~ 1. 86,较原始颗粒污泥有所下降。

　　2. 2 ABR 成熟厌氧颗粒污泥

　　2. 2. 1 理化特征

　　表2 为ABR 启动成功后各格室颗粒污泥的理化特征。可见,ABR 第3 格室中颗粒污泥的MLSS 在5. 0 ~ 10. 0 g·L - 1 之间 ,其他格室中厌氧颗粒污泥的MLSS 均大于10. 0 g·L - 1 。第1 格室厌氧颗粒污泥的有机组分的比例为77. 00% ,第2、3、4 和5 格室均大于89% ,远高于姜潇的50% ,高于接种污泥。说明反应器各格室污泥中生物质的含量普遍较高,这可能是由于接种污泥为UASB 中的颗粒污泥、ABR 的高负荷启动和运行等因素所导致的结果。反应器各格室中污泥颗粒的沉降比(SV)大小顺序为I> Ⅱ > Ⅴ > Ⅲ > Ⅳ。从污泥体积指数(SVI) 可以看出,第4 格室中颗粒污泥的SVI zui小,第2 格室中的SVI zui高。这表明第2 格室中颗粒污泥的沉降性能和压缩性能,而第4 格室zui差,高于提出的颗粒污泥SVI 为10 mL·(g SS) - 1 的数值。

表2　ABR 启动成功后各格室颗粒污泥的理化特征

　　2. 2. 2 微生物学特征

　　ABR 各格室中厌氧颗粒污泥样品所提取总DNA如图6 所示,并对其进行PCR 扩增及DGGE 分析得到的DGGE 指纹图谱,其中每一条带代表一种或着几种微生物,且条带的亮度与微生物含量正相关,条带亮度较大的条纹是污泥中的优势生物群。微生物群落的种群结构和数量在ABR 格室中存在明显演替过程。从图6 可以看出,ABR 从第1 格室到第5 格室微生物的种类和丰度依次递减。序列3、5、6、7、13、16、20 和21 在各个格室中存在,序列13 在第1 格室zui为明显,并且在后面格室中逐渐减弱,序列8、9 以及14 从第4 格室才开始出现,不同条带在不同格室中亮度不同。这些现象表明在ABR 不同格室中微生物群落发生了演替,主要是因为ABR 不同格室的基质浓度以及上清液pH 不同,导致适合其生长的微生物群落不同。

　　图7 为采用MEGA5 软件,Neighbor-joining 法构建系统发育树,自展数(bootstrap)为100。从DGGE结果中可以看出有很多*属于同一物种的条带:Pseudomonas fluorescens、Pseudomonas syringae 和CQ5-3,CQ1-1、CQ1-2、CQ1-3 和Raoulla omithinolytica等组合,它们每一组在系统发育树中都*处于同一个OTUs (Operational taxonomic units)。选取DGGE 图谱中比较有代表性的21 条条带,进行目标序列以及相关性序列的对比分析(见表3)。由表3可知,除了样品2 和样品19 的相似比例仅为92%和93% 外,其余条带与基因库中已有物种的相似比例都在95% 以上。计算出主要条带序列所占比例,序列zui相似的产酸菌包括:Raoulla ornithinolytica、Uncultured Clostridiales bacterium、Staphylococcus sp. 、Propionibacterium sp. 、Uncultured Acidobacteria bacterium、Brevibacterium casei 等,产甲烷菌为UnculturedFirmicutes bacterium 等,产氢菌为Uncultured Clostridiumsp. 等。

　　2. 3 ABR 运行过程的优化

　　2. 3. 1 水力停留时间的影响

　　图8 为HRT 对ABR 去除COD 和氨氮的影响曲线,以竖线为间隔,从左到右依次为48、36、24 和12 h。由此可见,当HRT 分别为48 和36 h 时,ABR的处理效果比较稳定。当HRT 缩短到24 h 时,COD的去除率依旧保持在80% 以上,氨氮的去除率开始升高;继续缩短HRT 为12 h,污泥负荷随之增加,导致COD 和氨氮的去除率均有明显降低。结合表4 的平均去除率可知,该ABR 适合的HRT 为24 h。

　　2. 3. 2 反应器温度

　　图9 为温度变化对ABR 处理效果的影响曲线。当反应器温度为18 ℃ 时,COD 去除率在45% ~ 70%区间内波动,其平均值为61. 91% ;当温度上升到32 ℃ 后,ABR 的COD 平均去除率增加到81% 。由此可见,ABR 在中温条件下运行效果更好。已有的研究表明,ABR 中污泥微生物适合在中温条件下生长;降低温度会导致污泥中絮状沉淀增多,产生大量细胞残骸,对微生物种群结构和数量产生不利的影响 。

　　2. 4 ABR 的运行稳定性研究

　　ABR 启动成功后,进水COD 为5 000 mg·L - 1 ,氨氮浓度为500 mg·L - 1 ,HRT 控制在24 h,ABR 的运行状况如图10 所示,1 ~ 38 d 的运行中,温度控制在(32 ± 1)℃ ,COD 去除率保持在80% 以上。在ABR 的后续运行过程中,反应器温度降低到室温,出水COD 开始波动,但COD 去除率依然保持在60%以上。这表明ABR 在处理模拟畜禽养殖废水的下过程中具有较为稳定的运行效果,并在一定程度上能够抵抗温度降低的影响。

　　3　结论

　　1)针对模拟畜禽养殖废水的处理,通过接种厌氧颗粒污泥和逐步提升负荷的方式可以在64 d 内完成ABR 的启动。启动成功后ABR 的OLR 可达5. 7,COD 平均去除率可达98% 。

　　2)成功启动之后反应器中颗粒污泥浓度在7.14 ~26. 17 g·L - 1 之间,中位直径从0. 89 mm 增长到1. 18 ~1. 58 mm,平均增长速度为7. 28 × 10 - 3 mm·d - 1 。接触营养物质越多的格室污泥活性越好、颗粒污泥增长越快。成熟颗粒污泥结构相对疏松,致密程度低于接种污泥。

　　3)PCR-DGGE 分析结果表明,ABR 从第1 格室到第5 格室微生物的种类和丰度依次递减,不同格室中微生物群落发生了演替。其中序列zui相似的产酸菌包括:Raoulla ornithinolytica、Uncultured Clostridialesbacterium、Staphylococcus sp. 、Propionibacterium sp. 、Uncultured Acidobacteria bacterium、Brevibacterium casei等,序列zui相似的产甲烷菌Uncultured Firmicutes bacterium 等,以及序列zui相似的产氢菌Uncultured Clostridiumsp. 等。

　　4)在进水COD 和氨氮浓度分别为5 000 mg·L - 1 、500 mg·L - 1 ,碱度为2 000 mg·L - 1 (以CaO 计),HRT 为24 h,运行温度(32 ± 1)℃ 时,运行效果较好。相应的COD 去除率稳定在80% 以上。