某大型造纸废水处理厂的污泥...胀控制及微生物群落结构分析_龚立.pdf

文章栏目：面向减污降碳协同增效的污水处理系统运行管理研究与实践专题DOI10.12030/j.cjee.202302142中图分类号X703.1文献标识码A龚立,王启镔,刘志远,等.某大型造纸废水处理厂的污泥膨胀控制及微生物群落结构分析J.环境工程学报，2023,17(6):1761-1768.GONGLi,WANGQibin,LIUZhiyuan,etal.SludgebulkingcontrolandmicrobialcommunitystructureanalysisofalargepapermakingwastewatertreatmentplantJ.ChineseJournalofEnvironmentalEngineering,2023,17(6):1761-1768.某大型造纸废水处理厂的污泥膨胀控制及微生物群落结构分析龚立1，王启镔2，刘志远3，张德祥41.宜兴市建邦环境投资有限责任公司，宜兴214200；2.清华大学环境学院，环境模拟与污染控制国家重点联合实验室，北京100084；3.北京首创生态环保集团股份有限公司，北京100044；4.山东省建筑设计研究院有限公司，济南250001摘要以一座处理规模为 15104m3d1的造纸废水处理厂污泥膨胀控制为研究对象。通过进水补充氮磷营养物质、进水更换混凝剂去除硫化物，控制系统 DO 为 1.5mgL1，选择池加大预曝气等措施改变优势丝状菌的生存环境。经过调控，系统 SV、SVI 出现显著下降，分别从 98%、198mLg1下降至 37%、80mLg1，恢复至正常范围，从而解决了该厂的污泥膨胀问题。对污泥进行微生物镜检和染色镜检分析发现，该厂活性污泥膨胀主要为 Type021N 型丝状菌(发硫菌)和 Beggiatoasp.(贝氏硫细菌)过度繁殖引起的丝状膨胀。对污泥膨胀控制前后的活性污泥进行高通量测序以分析其微生物菌群结构，从种属变化角度发现在污泥膨胀前后，Actinobacteria 门中Rhodococcus 属 占 比 从 2.92%下 降 为 0.19%、Mycolata 属 占 比 从 0.1%下 降 为 0，Alpha-proteobacteria 门 中 的Meganema 属占比从 0.14%下降为 0、Gamma-proteobacteria 中 Thiothrix 占比从 0.18%下降为 0.01%。这几种微生物是引起该厂污泥膨胀的主要菌属。本研究案例在解决污泥膨胀问题的前提下，减少了药剂用量，提升了系统处理能力，避免了污泥流失，吨水电耗得以降低，且方法简单易行高效，可为其他同类污水处理厂解决污泥膨胀问题提供参考。关键词造纸废水；污泥膨胀；丝状菌；微生物群落结构；工程实例污泥膨胀会制约活性污泥法处理污水效率、影响出水水质1。造纸废水的 COD 和悬浮物两个指标较高，并存在缺少氮、磷元素等特点2-3，采用活性污泥法进行处理时，往往会产生污泥膨胀问题4-5，严重时会影响出水水质。污泥膨胀的控制方法分为药剂控制、环境调控和代谢机制控制。郝晓地6从污泥膨胀形成机理、研究进展、控制修复措施几个方面对活性污泥的污泥膨胀进行了系统分析；艾胜书7根据污泥膨胀特性研究现状，分析了污泥膨胀的主要因素和控制措施，提出了添加选择器、调控运行参数等污泥膨胀控制思路；范念斯等8以膨胀污泥为接种污泥，通过续批实验研究发现微丝菌优势生长的影响因素主要有油酸碳源、厌氧/好氧交替环境和低温；范念斯等9从污泥负荷角度研究了丝状菌膨胀的控制方法；杨雄等10从微生物角度对氮磷缺乏所引发的污泥沉降性能进行了系统研究。刘春11通过对某造纸厂污泥浓度控制、污泥补充措施，解决了该厂污泥膨胀问题；张雪12用氧化沟处理造纸废水引发污泥膨胀并进行治理，研究投加聚合氯收稿日期：2023-02-28；录用日期：2023-04-24第一作者：龚 立(1987)，男，硕 士，工 程 师，；通信作者：王 启 镔，男，博 士，高 级 工 程 师，环境工程学报Chinese Journal ofEnvironmental Engineering第 17 卷 第 6 期 2023 年 6 月Vol.17,No.6Jun.2023http:/E-mail:(010)62941074化铝、生物絮凝剂、双氧水等几种药剂来控制污泥膨胀。这些污泥膨胀控制方法往往只能在实验室开展的，而在实际造纸废水处理工艺中，对污泥膨胀成因进行研究，并总结污泥膨胀调控经验的较少。特别是在大型造纸废水处理厂，控制污泥膨胀对提高工艺运行稳定性、减少环境污染风险具有重要意义。本案例旨在解决我国南方某大型废纸造纸污水处理厂(处理规模 15104m3d1)的污泥膨胀问题，采取补充进水氮磷营养物质、更换混凝剂、控制系统 DO、加大预曝气等调控措施以改变优势丝状菌的生存环境，并进行污泥膨胀控制，再结合污泥镜检和高通量测序分析，从微生物群落角度分析污泥膨胀前后菌群变化，以深入了解膨胀污泥群落特性，以期为同类污水处理厂探索节能降耗的污泥膨胀控制方法提供参考。1材料与方法1.1污水处理厂概况某污水处理厂的设计规模为 15104m3d1。该厂的设计进水废纸造纸污水占 95%以上，生活污水占比低于 5%，配套收集管网 22.5km。目前，该厂服务上游废纸造纸企业 16 家，造纸企业主要产品为白板纸、特种纸、瓦楞纸、箱板纸等。废纸造纸废水主要来自制浆和抄纸两大工序，主要污染物来自制浆部分的洗涤废水。随着造纸工艺的改进和清洁生产的推行，每生产 1t 成品纸约产生废水 1015m3，上游企业废水均有内部预处理站，采用厌氧塔和活性污泥法工艺。预处理站出水控制指标按污水厂设计进水指标执行。污水厂正常运行时的日均处理污水量为 8.5104m3。相关处理工艺见图 1。生化池为完全混合式曝气池，池容 54000m3，前端设有一座选择池，池容3125m3。曝气方式为射流曝气。污水厂进出水水质见表 1。出水执行浙江省造纸工业(废水类)水污染物排放标准DHJB1-表1污水厂进出水水质Table1Inletandoutletwaterqualityofthewastewatertreatmentplant水样类型COD/(mgL1)BOD5/(mgL1)NH+4-N/(mgL1)TN/(mgL1)TP/(mgL1)进水硫化物/(mgL1)设计进水水质10003500.25进水水质112533013.632.260.64.3初沉池出水水质84324212.4833.020.583.5出水水质465.681.197.980.03排放标准()60105100.5造纸厂 废水进水泵房生物池粗格栅细格栅沉砂池初沉池选择池集水池二沉池深度处理系统储药池加药间鼓风机房储泥池脱泥机房回流及剩余 污泥泵房混凝剂营养物质排放至回用渠二沉污泥回流污泥深度处理加药间剩余污泥泥饼运至干化车间初沉污泥图1工艺流程图Fig.1ProcessFlowChart1762环境工程学报第17卷2001 中的第二时段标准和城市污水再生利用工业用水水质(GB/T19923-2005)中的敞开式循环冷却水系统补充水和工艺与产品用水标准限值。该厂站在生产运行中生化系统经常会发生污泥膨胀，污泥膨胀期间 SVI、SV30维持较高水平，污泥在二沉池沉降缓慢导致池内泥位处于高位，污泥膨胀严重时期二沉池上清液低于 0.2m，局部区域甚至会出现污泥流失情况。1.2污泥镜检及染色镜检方法污泥镜检是污泥处理厂稳定运行的重要工具，其通过指示性微生物的观察，可提前预判系统运行状况，对指导生产具有重要作用。污泥镜检是利用显微镜技术观察活性污泥生物相，观察污泥絮体颗粒的大小、污泥结构的松紧程度、菌胶团菌和丝状菌的比例。污泥染色镜检是根据丝状生物体对特殊微生物染色剂或染色技术呈阴性或阳性反应，从而鉴定出丝状生物体的方法，主要染色方法有革兰氏染色法、奈瑟染色法、PHB 染色法和鞘染色法。本研究主要使用革兰氏染色法，其步骤主要有涂片、干燥、固定、初染、水洗、媒染、水洗、脱色、复染、水洗13。1.3污泥高通量分析Miseq 高通量测序技术以 16SrDNA 为基础，获取 DNA 碱基序列包含的全部生物遗传信息，通过 MOTHUR、RDPclassifier软件处理分析后全面地反映基因的多样性和复杂性，能从本质上对微生物的菌群结构进行研究14。1.4工艺调控方案根据污泥镜检及高通量测序结果分析，筛选出引起污泥膨胀的主要丝状菌群，针对其最优生长环境开展工艺调控，采取进水营养物补充及进水混凝剂更换、生化池 DO 调整、选择池曝气量等措施来调控 3 个阶段。阶段(2017 年 10 月 20 日至 2017 年 12 月 15 日)，在进水中投加液体氮磷制剂，投加量 1td1；阶段(2017 年 12 月 16 日至 2018 年 3 月 1 日)，在阶段基础上，增加了生化池 DO 调控措施，生化池 DO 从 0.8mgL1调整为 1.5mgL1；阶段(2018 年 3 月 1 日至2018 年 9 月 13 日)，在阶段基础上，增加选择池曝气量调控措施，选择池曝气量从 69m3min1调整为 138m3min1。1.5分析测试方法COD、BOD5、NH+4-N、TN、MLSS、MLVSS 等指标均按水和废水检测分析方法(第 4 版)标准方法测定。污泥负荷参考室外排水设计规范GB50014-2021(2021 年版)。VFA 是使用气相色谱仪测定，使用 GC-2010FID 检测器，色谱柱是 DB-FFAP(30m,0.25m,0.25m)。2结果与讨论2.1工艺调控措施效果与分析2.1.1调控过程中污泥特性的变化在该污水处理厂污泥膨胀调控过程中，污泥特性变化如图 2 所示。污泥膨胀调控前，MLSS 平均为 5300mgL1，SV30平均为96%，SVI 平均为 182mLg1，污泥处于严重膨胀状态；调控阶段，MLSS 平均为5089mgL1，SV30平均为 98%，SVI 平均为191mLg1，污泥仍处于膨胀状态；调控阶段的 MLSS 平均为 5833mgL1，SV30平均为59%，SVI 平均为 101mLg1，污泥指数逐步恢复至正常范围，污泥膨胀情况已经得到控制。2017-10-112017-11-202017-12-302018-3-22018-4-152018-5-252018-7-42018-8-13050100150200250300350400阶段III阶段II SV/%日期 SV SVI 水温阶段ISVI/(mLg1)水温/01 0002 0003 0004 0005 0006 0007 000 MLSSMLSS/(mgL1)图22017 年 9 月 1 日-2018 年 9 月 13 日污泥特性变化曲线Fig.2SludgecharacteristicchangecurvefromSeptember1,2017toAugust31,2018第6期龚立等：某大型造纸废水处理厂的污泥膨胀控制及微生物群落结构分析17632.1.2基于影响因素分析的调控思路在活性污泥系统运行过程中，引起污泥膨胀的影响因素分为废水水质、环境因素和运行条件等。废水水质包含低分子有机物含量、氮和磷营养物质、硫化物成分；环境因素则有反应温度、溶解氧水平、pH；而运行条件主要有污泥负荷、曝气方式等15。1)废水物理特性分析。对上游废纸造纸废水的水质检测中发现，废纸造纸废水 pH 一般为5.56.5，偏酸性。本污水处理厂接纳一部分环保热电厂板框脱水下滤液，pH 为 1011，与造纸废水混合后对进水 pH 进行了调节，混合后厂区进水 pH 在 78，在正常范围内。然而，厂区主要处理造纸废水来水，造纸企业在生产中使用大量高温蒸汽会导致其排水水温即使在冬季也处于较高水平，全年生化池水温在 2133，亦不是影响该厂污泥膨胀的关键因素。根据污水厂污泥负荷计算，污泥负荷(以 COD 计)平均为 0.221kgkg1d1，按照 BOD5计算污泥负荷为 0.064kgkg1d1，也