低强度超声波促进ABR启动及运行稳定性研究

作     者：朱彦辉 

作者单位：江西理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘祖文;朱易春

授予年度：2022年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 

主      题：低强度超声波 厌氧污泥 重金属离子 污水处理 污泥活性 

摘      要：当前,我国城镇污水处理以好氧生物处理技术为主,高能耗与高产泥量等问题使人们将目光转向了能耗低、剩余污泥量少和清洁的厌氧生物处理技术,但厌氧菌世代周期长、生存条件苛刻等问题严重影响了反应器运行的稳定性以及污水处理效果。因此,维持污水厌氧生物处理过程运行稳定至关重要。低强度超声波能够提高细胞酶活性、促进传质、加速细胞新陈代谢已被广泛证实。本论文研究了低强度超声波对厌氧折流板反应器(ABR)启动运行稳定性的影响以及低强度超声波强化下污泥的特性变化,并探究了低强度超声波对不同进水有机底物浓度、温度、重金属离子冲击因素下ABR稳定运行特征的影响,通过对污泥特性变化以及基质降解速率进行系统分析,以揭示低强度超声波对污水厌氧生物处理的强化机制。主要研究内容及结论如下:在ABR启动运行过程中,采用频率20 k Hz、声能密度0.1 W/m L、辐照时间10min、周期24 h,辐照污泥比例10%等超声参数对ABR各隔室污泥进行辐照处理。实验结果表明超声组ABR出水化学需氧量(COD)浓度于第40 d后保持稳定,COD去除率约为91%。对照组出水COD浓度于第46 d后保持稳定,COD去除率约为86%。超声组ABR成功缩短了6 d的启动时间,并且COD去除率高于对照组5%。挥发性脂肪酸(VFA)组分以乙酸和丙酸为主并且其浓度随隔室推移逐渐降低,驯化阶段低强度超声波促进1、2隔室产生了更多的乙酸,3、4隔室产生了更多的丙酸,稳定阶段超声组四个隔室VFA浓度分别为139.71、62.49、25.66、6.49 mg/L,对照组四个隔室VFA含量分别为60.44、31.49、8.79、4.72 mg/L,低强度超声波能够促进了VFA含量的增加,为后续产甲烷菌提供更多的反应基质。稳定阶段超声组氧化还原电位(ORP)隔室1～4(-214.26、-225.61、-232.11、-248.66 m V)均低于对照组(-209.53、-215.36、-224.21、-234.87 m V),隔室1～4逐渐降低,低强度超声波能够促进ABR各隔室氧化态物质的消耗,降低反应体系ORP,为甲烷菌提供更适宜的生存环境。因此,低强度超声波能够强化ABR启动与运行稳定性。其次,通过对ABR启动过程中各隔室污泥特性进行研究,以探索低强度超声波对ABR稳定运行的促进机理。启动过程中超声组ABR各隔室污泥EPS总量增多,其中稳定阶段对照组蛋白质(PN)含量隔室1～4分别为34.16、22.96、21.06、18.26mg/g·VSS,超声组分别为46.24、29.87、28.92、22.74 mg/g·VSS,超声促进PN含量增多。对照组多糖(PS)含量隔室1～4含量分别为54.38、43.68、42.72、35.89 mg/g·VSS,超声组分别为47.66、39.26、36.84、32.46 mg/g·VSS,超声促进PS含量减少。超声波能够显著促进脱氢酶(DHA)和辅酶F的活性,稳定阶段DHA相比对照组分别提高了42.47%、28.13%、27.42%、31.7%,辅酶F分别提高了23.91%、19.74%、14.81%、6.12%。对污泥絮体结构进行观察发现,低强度超声波使污泥絮体更加分散,比表面积增大,有利于增强污泥与底物的传质效果。最后,在ABR运行稳定后,进一步分析了低强度超声波在温度、重金属Cu(Ⅱ)、有机底物浓度冲击负荷下对ABR运行稳定性的影响。结果表明:当温度从34℃降至15℃后,COD去除率降至最低点时超声组比对照组提高了9.06%,比34℃下低强度超声波促进效果更佳。将底物浓度从900 mg/L提高至1800 mg/L后,超声组在运行第10天COD去除率已降至最低81.48%,高于对照组的76.36%。进行Cu(Ⅱ)冲击试验时,利用线性回归方程对Cu(Ⅱ)浓度和基质降解速率抑制百分比之间的关系进行拟合得出超声组和对照组污泥Cu(Ⅱ)半抑制浓度IC分别为94.62 mg/L和88.85 mg/L,低强度超声波能够提高污泥中Cu(Ⅱ)半抑制浓度IC,增强污泥对Cu(Ⅱ)的耐受性,对污泥进行EPS总量检测发现超声组污泥分泌了更多的EPS,降低了进水Cu(Ⅱ)的生物毒性。