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好氧颗粒污泥的培养及其对食品加工废水膜过滤性能的影响

摘要

采用实验室规模的序批式反应器处理巧克力废水，运行约300天，根据投料策略分为4期，以形成稳定的好氧颗粒污泥(AGS)。长时间的混合厌氧培育方式不足以形成AGS和达到稳定的反应器性能。通过部分非混合和部分混合投料策略的应用，反应器的性能被提高，并且以低稀释污泥体积指数为特征的，稳定的AGS结构被建立了，(D)SVI DSVI10,30) 值分别为 78plusmn;27和52plusmn;17 ，毛细管抽吸时间/混合液悬浮物值为0.9秒·(g·L·1)·1。膜生物反应器(MBR)的过滤试验表明，与絮凝剂处理相同工业废水相比，膜生物反应器的污染速率(FR)有所降低，持续通量(SF0.5)有所增加。絮凝剂的SF0.5(FRgt;0.5)为10);对于AGS, sf0.5高于45 )因为FR没有超过0.1 。此外，由于孔隙堵塞，AGS的不可逆污垢倾向降低。我们的结果强调了在厌氧饲喂过程中，为了在最小冲刷条件下发展和长期维持AGS，需要增加底物梯度。AGS-MBR的过滤性能与絮凝式MBR系统相比也表现出强大的优势，因为其sf0.5的提高和可逆和不可逆污垢的减少。

强调

1.成功的好氧造粒，同时处理工业食品加工废水的最低洗脱条件

2.结合非混合/混合厌氧饲喂策略，以获得充分的饱/饥条件。

3.与絮凝污泥相比，AGS降低了膜污染倾向。

介绍

全球人口增长，加上欧洲区域的工业化和城市化，正对当地水资源造成严重的压力，并需要有效和紧凑的废水处理技术。为了解决日益增长的水资源需求和日益严重的水资源短缺问题，不同类型的废水回用研究在过去的几十年里受到了越来越多的关注。严格的排放法规和不断增加的水循环压力是当今发展和应用代替处理技术的驱动因素。一种实现高出水质量以供重复使用的合适技术包含着在膜生物反应器(MBR)配置中与膜相结合的生物处理。在MBR系统中，微滤或超滤膜用于将混合液从处理过的水中分离出来，根据所需的出水质量，可能还会进行纳滤或反渗透MBR技术由于其高出水质量和能承受高生物量浓度，是一种很有吸引力的处理城市和工业废水的技术。相比于传统的活性污泥系统，MBR技术能够控制水力停留时间和污泥停留时间，并且有着较少的污泥产生。据报道，MBR技术在小型和大型系统中都有成功的案例，尽管MBR技术与传统活性污泥系统相比具有强大的优势，但最大限度地减少膜污染和堵塞仍然是一个主要挑战。考虑到与防止污染(曝气)、膜清洗程序和降低过滤效率相关的成本，膜污染是MBR系统总体能源需求和运行成本的主要因素。膜污染是由于污泥在膜表面的沉积和堆积以及膜孔因胶体和溶质堵塞造成的。

在过去的几十年里，已经发展了多种策略来减轻膜污染和增加污染控制。将好氧颗粒污泥(AGS)技术整合到MBR系统中，形成一种新型好氧颗粒膜生物反应器(AGS - MBR)，以减少生物污染是一种很有前景的策略

与MBR技术类似，AGS技术由于其高效的生物脱氮能力、良好的沉降性能以及紧凑和易于操作的反应器设计，在过去的十年中在处理城市和工业废水中获得了极大的关注AGS技术是基于通过富余或短缺的操作策略和水力选择压力来选择快速沉降颗粒结构来选择缓慢生长的有机体。AGS系统的主要问题之一是提高出水悬浮固体浓度，特别是在处理高悬浮固体含量的工业废水时。将AGS和MBR技术结合的主要原因是在减少碳足迹的同时，降低了膜污染，提高了出水质量和能源效率。当比较颗粒污泥和絮凝污泥时，几位作者报告了过滤性能的改善，从而减少了膜污染，以及有机和营养去除效率的提高。

与絮凝污泥相比，好氧颗粒粒径的增大和结构的致密使得污泥的可压缩性降低，从而导致生物饼层的形成减少，多孔性增加。因此，新型AGS-MBR系统被认为是一种有吸引力的技术处理城市和工业废水，包括来自食品加工行业的废水。目前，由于AGS-MBR系统缺乏水力选择压力，需氧颗粒的长期稳定性仍然是工业应用的主要关注点。本研究通过应用和优化新开发的投料策略，研究了最小水压下常规序批式反应器(sbr)创新AGS技术处理工业废水的可行性。此外，以巧克力加工业的真实工业废水为投料源，研究了其对反应器整体处理性能和污泥过滤性能的影响。

除污泥脱水性能外，还比较了稳定颗粒污泥与絮凝污泥处理相同工业废水的膜过滤性能和污染行为。该研究的比较部分是为了评估在新型AGS-MBR系统中，将好氧颗粒集成到MBR中以处理工业废水时，降低膜污染的潜力。

方法

实验室规模的SBR的建立和运行

实验室规模的SBR(见附录IIa)的工作容积为11 L，并在室温(18-22℃)下运行约300天。反应装置提供了蠕动进料泵，机械搅拌器,一个溶解氧(做)和pH值传感器,一个曝气系统组成的一个曝气泵和反应器的底部空气扩散器。一个西门子40 高校液相色谱分析用于过程控制。传感器数据的记录和可视化使用Ecograph T RSG35图形显示记录仪。DO设定点的监测由同一记录仪完成。为了促进造粒过程，采用厌氧/好氧机制。在每个循环中，向反应器中输入1.4 L工业废水，使其容积交换比(VER)为11%，水力停留时间为4.4天。每个SBR循环包括一个曝气前期(30分钟)，一个不曝气前期(15分钟)，一个投料阶段(127分钟)，一个混合宴阶段和一个曝气阶段(数据见表1)，一个长沉淀阶段(120分钟)和一个最终出水回收阶段(60分钟)。总循环时间保持在720分钟不变，结果是每天两次SBR循环。在整个实验过程中，优化投料策略，提高整体颗粒和污泥的脱水和过滤特性。一是延长厌氧期，促进厌氧碳的吸收。第二，将混合厌氧投食阶段分为初始非混合投食和二次混合投食两阶段。这一调整是为了增加反应器内底物梯度和随后的厌氧碳吸收。最后，进一步提高非混合比。根据应用的操作策略，整个实验阶段分为四个阶段。表1给出了实验期间所做的调整的概述。曝气阶段，DO浓度维持在1.0 ~ 2.0，通过开/关曝气控制。平均SRT是70天，因为污泥自动清除177毫升/天在出水提取期间。在第101-118天期间，没有废水可用，因此引入了一段不加料的混合期，以保存污泥。

工业废水和SBR种子污泥

采用当地一家巧克力生产公司生产的巧克力加工废水，在实验室规模的SBR反应器中进行处理。

大约每两周在现有的污水处理厂(WWTP)对经过物理化学处理的废水进行一次取样，并储存在4摄氏度，减少微生物活动。人为投加氮(尿素，30%)和磷(磷酸，75%)，以避免营养缺乏，导致平均化学需氧量(COD):N:P比为100:2:0.5。废水经过持续的筛分(颗粒保留:1毫米)，以去除任何残留的颗粒，避免堵塞饲管。表2展示了整个实验过程中巧克力加工废水组成的概况。

常规SBR中用于AGS形成的种子污泥来源于先前处理食品加工废水的实验室规模实验。

实验室规模的MBR过滤试验

污泥样品:来源、制备和表征

为了确定污泥颗粒化状态对污泥过滤性能的影响，收集了两个污泥样品:(1)实验室规模的SBR投加巧克力处理废水的AGS和(2)处理与现有污水厂的污水相同的活性污泥。为了尽量减少混合液悬浮物(MLSS)变化对污泥过滤性能的影响，MLSS浓度应通过用废水稀释污泥或使用离心浓缩污泥来维持两个样本以接近10 g/L。然后按照标准方法测定得到的ML(V)SS浓度和稀释后的污泥体积指数(D)SVI。另外，对污泥进行微观分析、毛细管吸力时间(CST)和粒径分布分析。

MBR的设置和操作

为了验证在与MBR横流关系更密切的条件时污泥颗粒化状态对污泥过滤性能的影响，设计了一个小型过滤试验。采用有机玻璃实验室规模的淹没式MBR (sMBR)(见附录IIb)，其配备了一个淹没式A4 Kubota膜(平均孔径:0.2 mu;m)和反应器底部的气泡曝气器(曝气速率:125) 。膜直接连接到压力传感器和随后由LABVIEWTM软件 (国家一起)控制的蠕动泵(Masterflex L/S系列)。应用LABVIEW记录了施加的流量和相应的压力数据。根据Van De Staey等人(2015)的描述，施加的通量呈阶梯式增加，通量范围为5 上升45,间隔为5。在每隔10分钟的过滤之间，在5分钟的膜松弛过程中，通过空气冲刷对膜进行物理清洗。图1给出了应用通量剖面的图形概述。从过滤实验中，生成跨膜压力(TMP)剖面，并用于确定平均TMP和污染率(FR)的每一个应用的通量步骤。

从图1可以清楚地看出，每个通量都施加两次。

因此，每个通量产生两个TMP值，每一个对应于相应的应用通量步长，即TMPavg,J1和TMPavg,J1 。可持续通量(SF0.5)计算并定义为FR高于阈值0.5 的通量。当TMP超过150mbar时过滤协议自动停止，以防止损坏压力传感器。

清水过滤试验

为了更深入地了解由于内膜孔阻塞造成的不可逆污染程度，设计了一个净水过滤(CWF)测试，并在每个污泥过滤测试之前和之后进行。

在开始时，CWF方案是在MBR装置中使用一个干净的膜，填充去盐水，然后进行实际的污泥过滤试验。随后，实验室规模的MBR单元使用脱盐水进行清洗，而膜饼层则通过使用脱盐水冲洗膜表面来手动去除。此后，它被重新定位到实验室规模的MBR单元，并执行第二个CWF协议。CWF过滤方案由五个循环交替过滤组成(通量frac14;30)，松弛步骤分别为10和5分钟，同时过滤去除盐水。污泥过滤试验中由于孔隙堵塞而使膜的渗透性丧失，使膜总阻力r净增大。膜阻力分析采用达西定律，该定律由Wang等人提出。每次实验结束后，按照Van De Staey等人的描述，对膜进行强烈的化学清洗，以恢复原来的膜通透性。

分析测量和污泥特性

使用哈希测试试剂盒(Mechelen，比利时)测定进水和出水成分，测量以下参数: 总COD (CODt)和可溶性COD (CODs) (LCK014, LCK514)，总氮(TN-N) (lck338, LCK138)，总磷(TP-P)，磷酸磷(PO4 3—P) (LCK350和LCK348)和挥发性脂肪酸(VFA) (TNT872)。在测量可溶性COD和PO4 3—P浓度之前，使用玻璃微纤维过滤器过滤样品(颗粒滞留:0.6 mu;m)。在反应器运行过程中，用玻璃微纤维过滤器过滤5ml均质污泥混合物，测量MLSS浓度，随后用软化水洗涤，在105℃下干燥24小时。用同样的方法测定进水悬浮物(SS)浓度，不同的是过滤的体积不是5毫升，而是20毫升。(D)过滤实验前的SVI和MLSS由APHA/AWWA/WEF确定根据Stes等人的描述，使用马尔文总筛3000(英国马尔文)测量污泥样品的体积粒度分布(DV)。每周使用CX43 Olympus显微镜(相位对比)对污泥进行分析，以研究污泥形态的演变。此外，通过CST测量(Triton Electronics)的基于色谱的测试定期测定污泥的过滤性/脱水性。结构凝胶形成的胞外聚合物物质或藻酸盐样胞外多糖(ALE)的浓度和特征是根据Felz等人描述的高温钠基提取方案确定的。包括一些实际的改进，如用室温离心代替4℃时的离心。为了比较污泥的流变特性，使用HAAKE流变应力1流变仪(Thermo Electron Corporation)测定污泥粘度。采用PP60板测定污泥粘度，g转速由150到120在恒温条件下(20℃)，这符合SBR和MBR的操作条件。

结果与讨论

AGS-SBR性能

传统的SBR是通过单一的代谢选择压力来促进好氧颗粒形成的，即通过应用缓慢的厌氧喂养策略，随后是好氧期。SBR在实际的投料速度下进行了全面的应用，并通过一个延长的沉降阶段(120分钟)实现了最小的冲洗条件，从而创造了与MBR系统处理实际工业废水相媲美的操作条件。由于沉淀阶段延长，没有额外的水力选择压力被应用于分离沉淀良好的颗粒和缓慢沉淀的颗粒，这与MBR系统的条件更为相似。当进水成分表现出强烈的变化(表2)时，施加恒定的VER为11%，导致整个操作期间有机负荷率(OLR)波动。OLR由1.1增加到2.5 kgCOD·()。期间我对出水质量产生了负面影响。出水CODs值最高达124 而CODt则达到179 ，超过佛兰德125 1排放限值。CODs浓度的增加表明生物量不能完全代谢暂时增加的碳负荷。此外，尽管沉淀期较长，但出水SS浓度升高，出水CODs和CODt值之间的差异增大。从第II期开始，OLR和反

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