朱學(xué)峰,周明遠(yuǎn),王志偉,楊澤斌

蠕蟲減量剩余活性污泥的影響因素

朱學(xué)峰1,周明遠(yuǎn)1,王志偉2,楊澤斌1

(1.上海第二工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院,上海201209; 2.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,上海200092)

以溫度、溶解氧濃度和pH為影響因素設(shè)計響應(yīng)面實驗,考察不同因素對蠕蟲減量污泥的影響。實驗結(jié)果表明,響應(yīng)面模型擬合程度較好,溫度是影響污泥減量的最重要因素;同時發(fā)現(xiàn),隨著溫度的降低,污泥減量率由18%下降至9.7%,且低溫會影響蠕蟲活性;最后,通過對比反應(yīng)前后污泥沉降性能發(fā)現(xiàn),蠕蟲可顯著改善污泥沉降性能。關(guān)鍵詞:響應(yīng)面實驗;污泥減量率;污泥沉降性能

0 引言

目前我國城市污水排放總量已經(jīng)超過500億m3/a,二級處理率達(dá)到15%,污泥產(chǎn)量大約為1 500萬t/a(按含水率97%計)[1]。污泥的成分極其復(fù)雜,含有很多病原微生物、寄生蟲卵及重金屬等,必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?否則會導(dǎo)致二次污染。污泥減量已成為研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。然而,傳統(tǒng)的化學(xué)和物理方法存在著能耗高、設(shè)備技術(shù)要求高、不經(jīng)濟(jì)和有二次污染的問題。微型動物減量污泥技術(shù)具有能耗低、環(huán)保和無二次污染的優(yōu)勢。黃偉飛等[2]采用蠕蟲原位消解污泥技術(shù),大大降低了諸暨市污水處理廠的污泥產(chǎn)率。國外也有研究發(fā)現(xiàn)將蠕蟲投入曝氣池,可減量75%的污泥[3]。以上研究表明蠕蟲減量污泥技術(shù)是切實可行的。然而,國內(nèi)外對蠕蟲減量污泥的影響因素的深入研究較少。本文以影響蠕蟲減量污泥的主要因素(溫度、溶解氧濃度、pH)為研究對象,設(shè)計響應(yīng)面實驗,同時以污泥減量率為響應(yīng)值衡量因素影響效果,最后,對比了反應(yīng)前后污泥沉降性能的變化,對蠕蟲調(diào)理污泥性質(zhì)的機(jī)理進(jìn)行了初步探討。

1 實驗裝置與方法

1.1實驗裝置

蠕蟲減量污泥實驗裝置如圖1所示,反應(yīng)容器為1 000 mL燒杯。為了控制溫度,實驗裝置被放入恒溫柜中,約800 mL剩余污泥被加入到燒杯中,曝氣采用小型曝氣機(jī),且可調(diào)節(jié)曝氣量。溶解氧儀用于控制燒杯內(nèi)的溶解氧;同時,pH計用來監(jiān)測燒杯內(nèi)混合液的pH變化。

圖1 蠕蟲實驗裝置圖Fig.1 Schematic diagram of worm reactor

1.2實驗方法

(1)污泥減量

污泥來源于上海市曲陽污水廠曝氣池,污泥懸浮固體濃度約為2.7～4.2 g/L。加入800 mL曝氣污泥,在反應(yīng)結(jié)束后,由于曝氣可能揮發(fā)等原因,需要加蒸餾水再次定容到800mL,并將杯子壁上的干泥刮下來。最后將蟲用網(wǎng)兜從污泥中分離,并用蒸餾水沖洗粘附在蟲體的污泥。然后取樣200 mL,測量污泥混合液懸浮固體濃度(MLSS)。為了消除空曝氣可能引起的污泥好氧消化,在不同條件下進(jìn)行蠕蟲減量污泥實驗的同時,增加一組相同條件不加蠕蟲的空白對照實驗。

(2)蠕蟲投加量及稱重

蠕蟲來自于上海白龍港污水廠,經(jīng)微生物種屬鑒別為顫蚓科,蟲體平均長度約為1.5～2.3 cm。蠕蟲投加以濕重(WetWeight)為基準(zhǔn),根據(jù)文獻(xiàn)[4],確定投加量為2.5 g/L;由于蠕蟲是從水中取出,如果濕重的稱量方法不準(zhǔn)確,其誤差會很大。本實驗參考了文獻(xiàn)[5]的稱重方法,將蠕蟲放在2張帶孔的錫箔紙之間,同時在兩張錫箔紙的上下再各放2張濾紙(吸收水分)。在文獻(xiàn)中是通過輕微擠壓蠕蟲來吸水的,但考慮到擠壓可能會對蠕蟲的活性產(chǎn)生影響,本文用一個恒重小實驗來確定蠕蟲水分吸干的具體吸附時間,即在濾紙吸附1 min后,將帶孔的錫箔紙和蠕蟲稱重1次,然后繼續(xù)將錫箔紙和蠕蟲放在濾紙之間吸水,以后每隔1 min再次稱重,直到其重量不再改變?yōu)橹?。結(jié)果表明,在濾紙吸附2 min后,錫箔紙和蠕蟲的重量不再變化,即可認(rèn)為在濾紙吸附2 min后,水分被完全吸走。

(3)污泥減量率

式中:J表示污泥減量率;ρ0為空白對照組污泥濃度;ρ1表示蠕蟲反應(yīng)后污泥濃度。

(4)污泥指標(biāo)測試

MLSS、混合液揮發(fā)性懸浮固體濃度(MLVSS)采用重量法測定(GB11901-1987);溶解氧(DO)由溶解氧儀直接測定(美國YSI)。

2 實驗結(jié)果與討論

表1為響應(yīng)面實驗的不同因素取值及響應(yīng)值最后結(jié)果,其中ρDO為溶解氧濃度。

表1 實驗組參數(shù)設(shè)計及實驗結(jié)果Tab.1 Parameter design and testresults

2.1方差分析

用Design Expert7.5軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,方差分析見表2。表2中:P值表示其對應(yīng)項的顯著性,當(dāng)P＜0.05時表示顯著;R2和R2Adj表示擬合的可靠性,R2越接近1,表示擬合的可靠性越好,并且R2和R2Adj相差越小越好。表2模型的P值均小于0.05,說明模型具有顯著性。表2中R2和R2Adj分別為0.89,0.79,說明該模型擬合程度良好,且該模型是合適的。同時模型中的B-溫度對應(yīng)的P值均小于0.05,說明溫度對污泥減量具有重要影響。

表2 不同因素對污泥減量率影響的變量分析Tab.2 Analysis of differentfactors affecting sludge reduction rate

2.2回歸檢驗

圖2(a)是J的實際值和回歸之后的預(yù)測值之間關(guān)系圖。從圖中可看出實際值與預(yù)測值具有較好的相關(guān)性。從圖2(b)可看出,不同的J的殘差值均勻地分布在中心線上下,這就說明模型對J具有顯著性。

2.3響應(yīng)面分析

從圖3可看出,隨著溫度的降低,污泥減量率呈下降趨勢,由最高約18%的污泥減量效果下降到最低約9.7%;當(dāng)溫度下降到15°C后,污泥減量化效果基本保持在9.7%左右,說明溫度低會影響蠕蟲活性。Hendrickx等[6]發(fā)現(xiàn)蠕蟲在28°C時,對污泥的減量化效果最佳,其原因是溫度較高時,污泥微生物以及酶的活性得到了加強(qiáng),使得污泥更容易被蠕蟲轉(zhuǎn)化為食物。在圖中我們發(fā)現(xiàn),DO的變化對污泥減量率并沒有大的影響。與文獻(xiàn)[4]的結(jié)論不同,可能原因是本實驗所用的溶解氧較大(均大于3 mg/L),與上述文獻(xiàn)不同;另外,本實驗蠕蟲的密度(約為0.23 kg/m2)與文獻(xiàn)中的蠕蟲密度(2～3 kg/m2)相差較大。有研究表明,顫蚓的密度不同會影響其生長和繁殖速率[7]。

圖4是不同溫度和pH對污泥減量率影響的等高線圖和響應(yīng)面圖。從圖可看出,pH對污泥減量率的影響不是很顯著。但值得注意的是,在溫度不同的時候,pH對污泥減量的影響不同:在溫度較高時, pH變化對污泥減量化幾乎沒有影響;在溫度較低時,pH的變化會影響污泥減量。其原因可能是:在溫度較高時,蠕蟲活性較高,能適應(yīng)pH的改變;而溫度較低時,蠕蟲活性降低,其對pH變化較敏感。

圖2 回歸檢驗圖:(a)J實際值和預(yù)測值之間關(guān)系;(b)J預(yù)測值的殘差圖Fig.2 Regression testing diagram:(a)Relationship between J’s actualvalues and predicted value; (b)Residualdiagram of J’s predicted value

圖3 不同溫度和DO對污泥減量率的影響:(a)不同溫度和DO對污泥減量率影響的等高線圖;(b)不同溫度和DO對污泥減量率影響的響應(yīng)面圖Fig.3 The influence ofdifferenttemperature and concentration of Dissolved oxygen(DO)on sludge reduction rate:(a)Contour plot ofthe influence ofdifferenttemperature and concentration of Dissolved oxygen(DO)on sludge reduction rate;(b)Response surface plotofthe influence of differenttemperature and concentration of Dissolved oxygen(DO)on sludge reduction rate

圖4 不同溫度和pH對污泥消化率的影響:(a)不同溫度和pH對污泥消化率影響的等高線圖;(b)不同溫度和pH對污泥消化率影響的響應(yīng)面圖Fig.4 The influence of differenttemperature and pH on sludge reduction rate:(a)Contour plotof the influence of different temperature and pH on sludge reduction rate;(b)Response surface plotof the influence of differenttemperature and pH on sludge reduction rate

2.4蠕蟲減量對污泥沉降性能的影響

圖5是蠕蟲對污泥體積指數(shù)(SVI)的影響。從圖可看出,SVI從反應(yīng)前的平均107 mL/g減少到反應(yīng)后的平均56 mL/g,說明污泥的沉降性能大幅提高。Wei等[8]也發(fā)現(xiàn)寡毛類蠕蟲能改善污泥的沉降性能。其原因是,蠕蟲捕食污泥中的有機(jī)物質(zhì),使得污泥中無機(jī)污泥含量增加,SVI增大,污泥沉降性能得到提高。SVI的改善說明蠕蟲對污泥有減容的作用。綜上分析可知,蠕蟲減量污泥的機(jī)理是:利用蠕蟲對污泥中小顆粒有機(jī)質(zhì)的吞食,從而達(dá)到污泥減量的目的。

圖5 蠕蟲對SVI的影響Fig.5 The influence of worms’predation on SVIof sludge

3 結(jié)論

1)通過模型方差分析及回歸檢驗表明,響應(yīng)面模型具有顯著性,溫度對污泥減量具有重要影響。

2)隨著溫度的降低,污泥減量率呈下降趨勢,且低溫會影響蠕蟲活性;同時發(fā)現(xiàn),DO和pH的變化對污泥減量率并沒有大的影響。

3)SVI從反應(yīng)前的平均107 mL/g減少到反應(yīng)后的平均56 mL/g,蠕蟲捕食污泥中的有機(jī)物質(zhì)是沉降性能大幅提高的原因,同時污泥沉降性能的提高有利于污泥的減容。

[1]王守仁,王增長,宋秀蘭.污泥處理技術(shù)發(fā)展[J].水資源保護(hù),2010,26(1):80-83.

[2]黃偉飛,舒英鋼,斯昇亮,等.水蚯蚓原位消解污泥技術(shù)及其適用性的研究與探討[J].中國給水排水,2011, 27(17):105-108.

[3]TAMIS J,VANSCHOUWENBURG G,KLEEREBEZEM R,etal.A fullscale worm reactor for efficient sludge reduction by predation in a wastewater treatment plant[J]. Water Res.,2011,45(18):5916-5924.

[4]HUANG X,LIANG P,QIAN Y.Excess sludge reduction induced by Tubifex tubifex in a recycled sludge reactor[J]. J.Biotechnol.,2007,127(3):443-451.

[5]ELISSEN H J H,HENDRICKX T L G,TEMMINK H, et al.A new reactor concept for sludge reduction using aquatic worms[J].Water Res.,2006,40(20):3713-3718.

[6]HENDRICKX T L G,TEMMINK H,ELISSEN H J H, etal.The effectof operating conditions on aquatic worms eating waste sludge[J].Water Res.,2009,43(4):943-950.

[7]BONACINA C,BONOMI G,MONTI C.Densitydependentprocesses in cohorts of Tubifex tubifex with special emphasis on the control of fecundity[J].Hydrobiologia,1989,180(1):135-141.

[8]WEIYS,VAN HOUTENR T,BORGER A R,etal.Comparison performances of membrane bioreactor and conventional activated sludge processes on sludge reduction by oligochaete[J].Environ.Sci.Technol.,2003,37(14): 3171-3180.

Influence Factors of Waste Activated Sludge Reduction by Worms’Predation

ZHU Xue-feng1*,ZHOU Ming-yuan1,WANG Zhi-wei2,YANG Ze-bin1
(1.Schoolof Urban Developmentand EnvironmentalEngineering,ShanghaiSecond Polytechnic University, Shanghai201209,P.R.China;2.Schoolof EnvironmentalScience and Engineering,TongjiUniversity, Shanghai200092,P.R.China)

With temperature,dissolved oxygen concentration and pH identified as the influencing factors,response surface experiment was conducted to study the influence ofdifferentfactors on wasted activated sludge reduction by worms’predation.The results indicated thatresponse surface modelfitted quite well,and temperature was con

sidered as the mostimportantinfluence factors ofsludge reduction by worms;Meanwhile,itwas found thatsludge reduction rate decreased by 18%to 9.7%with the temperature decreasing.Moreover, low temperature would affect the worm activity;Finally,compared with the difference of sludge settleability between pre and post reaction,results illuminated worms would significantly improve sludge settleability.

response surface experiment;sludge reduction rate;sludge settleability

TU991.2

A

1001-4543(2013)04-0253-05

2013-06-02;

2013-10-23

朱學(xué)峰(1983–),江蘇人,男,講師,博士,主要研究方向為污泥減量化及膜分離中水回用研究,電子郵箱xfzhu@sspu.edu.cn。

上海第二工業(yè)大學(xué)?；痦椖?No.EGD13XQD16)資助