采用热重方法分析不同含盐条件下的好氧颗粒特性

第28卷第7期环境科学学报Ⅴol.28,No.72008年7月Acta Scientiae CircumstantiaeJul.,2008李志华,刘娜,王晓昌,等2008采用热重方法分析不同含盐条件下的好氧颗粒特性[冂]环境科学学报,28(7):1284-1287LiZ H, Liu N, Wang X C, et aL. 2008. Evaluation of aerobic granules formed under different sodium chloride concentrations using thermogravimetricanalysis[ J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 28(7): 1284-1287釆用热重方法分析不同含盐条件下的好氧颗粒特性李志华‘,刘娜,王晓昌,王耀东,王立冬,闫静西安建筑科技大学环境与市政工程学院,西北水资源与环境生态教育部重点实验室,西安710055收稿日期:2007-0723修回日期:200710-25录用日期:200805-21摘要:采用热重分析方法对不同含盐条件下形成的好氧颗粒污泥进行分析结果表明,含盐量为1%(质量分数)(反应器R1)2.5%(R2)5%(R3)条件下所形成的颗粒污泥在105℃之前损失的结合水的质量分数分别为448%,3.72%、3.25%.这表明,含盐量的提高降低了颗粒污泥中强物理结合的水分含量3个反应器的ⅤSs与灰分质量之比分别为2.71、1,15、1.05,表明随着含盐量的增加,微生物的活性下降3个反应器吸收峰峰值温度RI>R2>R3,表明R中的物质最为复杂同时DTA曲线的复杂程度显示RI的顆粒污泥物质最丰富;由此推断,随着含盐量的增加,微生物代谢产物复杂程度减小因此,热重分析法能够很好的描述好氧颗粒污泥的结合水、生物活性微生物代谢产物密实度等特性,是一种很有潜力的分析方法关键词:氧颗粒污泥;含盐量;微生物活性;孔隙率;热重分析文章编号:02532468(2008)07-128404中图分类号:X703文献标识码:AEvaluation of aerobic granules formed under different sodium chlorideconcentrations using thermogravimetric analysisLI Zhihua, LIU Na, WANG Xiaochang, WANG Yaodong, WANG Lidong, YaN JingXi'an UniversEnvironment and Ecology, Ministry of Education, Xi'an 710055accepted 21 May 2008Abstract: Thermogravimetrie analysis was employed for the evaluation of aerobic granules that developed under sodium chloride concentrations of 1(reactor R1). 2.5%(reactor R2)and 5%(reactor R3). High sodium chloride concentrations resulted in a low amount of strongly physically boundater in terms of the weight loss before 105 C. The ratios of Volatile Suspended Solids(VSS)to ash solids were 2.71, 1. 15 and 1. 05 in RI, R2 andR3, respectively, indicating that the activity of biomass deereased with the increase of salinity. The endothermic peaks shifted to low temperatures with theincrease of salinity, and the DTA( differential, thermaanalysis)curve for the RI granules was the most complex, with several peaks suggesting a richarray of metabolites are formed in the low salinity conditions. This study shows that thermogravimetrie analysis could effectively describe the bound water,bioactivity, metabolites and compactness of granules.Keywords: aerobic granule; salinity: bioactivity: porosity thermogravimetric analysis1引言( Introduction)是,采用好氧颗粒污泥处理含盐工业废水尚未有报道.高含盐废水广泛存在于化学加工业、石油和天然气的回收过程、填埋场的渗滤液以及肉类、海产好氧颗粒污泥由于具有良好的沉淀性能和由品和皮革加工业等( Lefebvre et a.,2006).目前采外到里的层次结构,在实验室规模已被证实对于处用生物处理技术处理高含盐废水普遍存在运行不理市政废水、食品工业废水、含酚工业废水等具有稳定的问题,因此,有必要探索此类废水新的处理明显的优势(卢然超等2001;刘和等2006).但工艺.本研究拟在高含盐条件下培养好氧颗粒污基金项目:国家自然科学基金项目(No.5062114001,50708089);国家高技术研究发展计划(863)项目(No.2006AA062328)Supported by thethe National Natural Science Foundation of China(No. 50621 14000作者简介:李志华(1976-),男,Eml:zhihua@gmail.com;·通讯作者(贵任作YH中国煤化工 ram of chine(NCNMHGBiography:LIZhihua(1976-),male,E-mail:lizhihua@gmail.com:.Correspondingauthor7期李志华等:采用热重方法分析不同含盐条件下的好氧颗粒特性1285泥,并采用热重分析方法对好氧颗粒污泥在不同含颗粒污泥,为避免絮体污泥对颗粒污泥的影响,样盐条件下的特性进行研究,旨在探明好氧颗粒污泥品经过60目筛分以去除絮体污泥.所选取的颗粒污处理高含盐有机废水的颗粒特性及其评价方法泥放入恒温箱内在80℃条件下干燥8h,以去除自由水23热重分析实验采用WCT-2A型高温 DTA-TG-DTG微机差热天平.热重分析测试条件:实验测温范围为25℃到800℃,温度升到105℃时,控温10min,继续sampling升温到550℃,控温30min,温度达到800℃时反应结束;升温速率均为10℃·min-.实验在空气(氧化)气氛中进行.TG记录的是样品质量随温度的变运行时间 Running time/d化情况,DTA记录的是样品吸收或者释放热量的情况各反应器含盐量改变情况Fig. I Sodium chloride concentrations in the three reactors2.4孔隙率计算颗粒污泥的沉淀速度采用自由沉淀法,颗粒污2实验装置与方法( Materials and methods)泥密度采用蔗糖梯度溶液法进行根据所测得的颗粒沉速与相应颗粒密度以及颗粒尺寸,按照下式计2.1实验装置算孔隙率采用乙酸钠和葡萄糖的混合溶液作为有机底gd(I-8)(P-p.物,其化学需氧量(COD)为400mg·L,其成分为ncPpCH2 COoNa283mgL,葡萄糖189.0mgL,式中,为孔隙率:流体通过絮体的影响因子(不NHC189mg·L,KH2PO428.56mg·L',NaOH可透过Q=1;可透过q<1),在本研究中假定为188mgL,MgSO:7H2O8856mg·L'实验采用Cn:阻力系数,根据文献计算( Majumder et al的3个SBR反应器RI、R2、R3为有机玻璃圆柱,内2004)径50mm,高1.5m,分为3段组装而成,每段高0.5m,有效容积2L反应器底部设1'玻璃砂芯微孔3实验结果( Results)曝气,由空气泵经气体流量计供气;顶部设有进水对3个反应器Rl、R2、R3内的颗粒污泥进行差水管,由进水泵进水,每周期进水1L,排水1L反应热分析比较,其热重特性如图2所示,对不同温度范器运行周期分为进水、曝气、沉淀、排水4个阶段,其围的失重进行计算,得到的结果如表2所示,根据运行由时间继电器控制.实验在(25±1)℃下运行,DTA曲线得到最大吸收峰峰值温度如表3所示.在本反应运行周期为3h,具体如表1所示计算中,105~550℃范围内的失币被认为是挥发性固表1反应运行周期体(VS5),550℃之后剩余质量被认为是灰分Table I Periods of sequencing operation表2R1、R2、R3中颗粒污泥在不同温度范围的失重进水阶段沉淀阶段排水阶段Table 2 Weight loas of granules in RI, R2 and R3 with temperature反应器105℃结合水Vss灰分Vss灰分根据含盐量的不同,实验可分为4个阶段(图编号质氧损失质量分数质量分数质量分数1):0~18d,R1、R2、R3含盐量为0;18-22d,RI、69.77%R23.72%51.49%4152%15R2、R3含盐量为0.5%;22~30d,Rl、R2、R3含盐49.62%量为1%;30~60d,R含盐量为1%,R2、R3含盐量为2.5%;60-105d,R含盐量为1%,R2含盐量3R1、R、R3中颗粒污泥的最大吸收峰峰值温度为2.5%,R3含盐量为5%2.2实验样品EYH中国煤化工m阳R24mBCNMHG热分析实验使用3个反应器第90d形成的好氧1286环境科学报4400·a热重TG曲线4.2无机盐对颗粒稳定性的影响颗粒污泥燃烧后剩余的灰分主要是无机成分从表2可以看出,在3个反应器中颗粒污泥灰分分别占总质量的25.75%41.52%47.13%,即RI<40°…R3R2R2>R3.Vss所占比例可以用来描述颗粒污泥中微生物量的大小,其比例越高表明颗00500600粒污泥微生物活性越好.由此可以看出,微生物的b.差热DTA曲线活性RI>R2>R3,即随含盐量增加,生物活性有一定程度的下降.有研究结果表明,适当程度地降低微生物生长速率有利于好氧颗粒污泥稳定(deKreuk et al.,2004);同时也有研究者发现,在颗粒RI化过程中,污泥的灰分所占比例呈下降趋势(Li=R2etal.,2006),因此,高含盐量可能是提高好氧颗粒污泥稳定性操作的一条途径孔隙率计算结果表明,R1、R2和R3中的颗粒污泥的孔隙率分布也分别为90%、89%、82%,即在2R1、R2、R热置分析 TG-DTA曲线高含盐条件下形成的颗粒污泥更为密实,这与4.Fig. 2 Thermogravimetric characteristics of granules in节中结合水实验结果得出的推断是一致的.但是,RI, R2 and R3需要指出的是颗粒污泥在含盐量为5%的情况下稳定持续一个多月后(第105d),出现了大量密实的4讨论( Discussion)以真菌为优势菌群的好氧颗粒污泥,即优势菌群发4.1无机盐对微生物体内结合水含量的影响生了迁移;而含盐量为1%和2.5%的反应器并未观好氧颗粒污泥结合的水分为4种:一是自由水,察到这种现象推测这种迁移可能与真菌在高含盐它含于微生物体细胞间,与细胞结合不紧密,是容条件下更容易获取和利用基质有关系易挥发的水,它的挥发温度在20~40℃;二是通过4.3无机盐对顆粒污泥组分的彩响强物理吸附作用结合的水,它的挥发温度在40吸收峰的出现是物质的结构发生变化或分解110℃;三是通过化学吸附作用结合的水,它的挥发的结果.从表3可以看出,3个反应器的吸收峰峰值温度在200~400℃;四是通过化学键结合的束缚温度R1>R2>R3.这表明,R1反应器中有相对水,它的挥发温度在600~800℃( Vaxelaire et aL.,较难分解的物质存在.同时差热DTA曲线也显示,2004).本研究中,所使用的颗粒样品经过80℃烘R1中的颗粒污泥在多处出现吸收峰表明其组成较干,可认为颗粒污泥中的自由水已经全部去除,因为丰富,而R3相对贫乏,换言之,随着含盐量的增此,热重数据中105℃之前的失重可以认为是强物加微生物代谢产物的复杂程度减少.代谢产物复理结合的水.如表2所示,105℃之前来自R1、R2和杂程度的减少是颗粒污泥在高含盐条件下长期选R3的颗粒污泥的失重分别为4.48%、3.72%、择的结果,即一些不适应含盐环境的微生物无法生3.25%,即R>R2>R3.由此可以得出,强吸物存或其代谢活动受到抑制理结合水随含盐量增加而减少造成这种现象的原因在于污水的浮力随含盐量的增加而提高,因此5结论( Conclusions)在相同沉淀时间的情况下,对好氧颗粒污泥的选择1)热重实验结果表明,含盐量对好氧颗粒污泥作用实际上随着含盐量的提高而加强换言之,高的通过含盐量的体系可以在系统中保留更为密实的颗粒其含量rV“中国煤化有很大的影响污泥CNMHG分数比值按大小顺序排列为:R>R2>R3.由此可知,含盐量的李志华等:采用热重方法分析不同含盐条件下的好氧颗粒特性1287增加降低了微生物活性.同时热重分析结果显示,affect the stability of aerobic granule: An experimental study by吸收峰峰值温度Rl>R2>R3,而且RI的DTA曲线最为复杂,表明不同含盐量条件下形成的好氧Microbial Technology, 39(5): 976-981Liu H, Li C W, Yun J, et aL. 2006. The response of bacterial颗粒污泥,随反应器含盐量的增加,颗粒污泥的组ommunity within aerobie granular sludge and activated sludge to分复杂程度减小3)本研究结果表明,热重分析法能够很好地描CireumsLantiae, 26(9): 1445-1450( in Chinese)述好氧颗粒污泥的结合水、密实度、生物活性、微生LBC,2hgx.ahm8Y,aa,200. ect of the sludge物代谢产物等特性,是一种很有潜力的分析方法Aeta Scientiae Cireumstantiae, 21(5): 577-581( in Chinese)Majumder A K, Barnwal J P. 2004. A computational method to predict责任作者简介:李志华(1976—),男,工学博士,副教授,主particles free terminal settling velocity[ J]. IE(I)Joumal-MN, 85要从事环境微生物水处理技术研究.E-mail; zhihua@gmail.comclaire ], Cezac P. 2004. Moisture distribution in activated sludgereview[ J]. Water Res, 38:2215--2230References:中文参考文献:de Kreuk M K, Van Loosdrecht MM. 2004. Selection of slow growingorganisms as a means for improving aerobic granular sludge stability卢然超,张晓健,张悦,等,2001.SBR工艺污泥颗粒化对生物脱氮[J]. Water Science and Technology, 49(11-12):9-17除磷特性的研究[J].环境科学学报,21(5):577-581Lefebvre 0, Moletta R. 2006. Treatment of organic pollution in industrial刘和,李光伟,云娇,等。2006.好氧颗粒污泥和活性污泥细菌种群saline wastewater: A literature review [ J]. Water Res, 40结构对五氰酚污染的响应研究[].环境科学学报,26(9)1445-1450Li Z H, Kuba T, Kusuda T. 2006. Selective force and mature ph中国煤化工CNMHG