采用熱重方法分析不同含鹽條件下的好氧顆粒特性

第28卷第7期環(huán)境科學(xué)學(xué)報Ⅴol.28,No.72008年7月Acta Scientiae CircumstantiaeJul.,2008李志華,劉娜,王曉昌,等2008采用熱重方法分析不同含鹽條件下的好氧顆粒特性[冂]環(huán)境科學(xué)學(xué)報,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釆用熱重方法分析不同含鹽條件下的好氧顆粒特性李志華‘,劉娜,王曉昌,王耀東,王立冬,閆靜西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院,西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗室,西安710055收稿日期:2007-0723修回日期:200710-25錄用日期:200805-21摘要:采用熱重分析方法對不同含鹽條件下形成的好氧顆粒污泥進(jìn)行分析結果表明,含鹽量為1%(質(zhì)量分數)(反應器R1)2.5%(R2)5%(R3)條件下所形成的顆粒污泥在105℃之前損失的結合水的質(zhì)量分數分別為448%,3.72%、3.25%.這表明,含鹽量的提高降低了顆粒污泥中強物理結合的水分含量3個(gè)反應器的ⅤSs與灰分質(zhì)量之比分別為2.71、1,15、1.05,表明隨著(zhù)含鹽量的增加,微生物的活性下降3個(gè)反應器吸收峰峰值溫度RI>R2>R3,表明R中的物質(zhì)最為復雜同時(shí)DTA曲線(xiàn)的復雜程度顯示RI的顆粒污泥物質(zhì)最豐富;由此推斷,隨著(zhù)含鹽量的增加,微生物代謝產(chǎn)物復雜程度減小因此,熱重分析法能夠很好的描述好氧顆粒污泥的結合水、生物活性微生物代謝產(chǎn)物密實(shí)度等特性,是一種很有潛力的分析方法關(guān)鍵詞:氧顆粒污泥;含鹽量;微生物活性;孔隙率;熱重分析文章編號:02532468(2008)07-128404中圖分類(lèi)號:X703文獻標識碼: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,采用好氧顆粒污泥處理含鹽工業(yè)廢水尚未有報道.高含鹽廢水廣泛存在于化學(xué)加工業(yè)、石油和天然氣的回收過(guò)程、填埋場(chǎng)的滲濾液以及肉類(lèi)、海產(chǎn)好氧顆粒污泥由于具有良好的沉淀性能和由品和皮革加工業(yè)等( Lefebvre et a.,2006).目前采外到里的層次結構,在實(shí)驗室規模已被證實(shí)對于處用生物處理技術(shù)處理高含鹽廢水普遍存在運行不理市政廢水、食品工業(yè)廢水、含酚工業(yè)廢水等具有穩定的問(wèn)題,因此,有必要探索此類(lèi)廢水新的處理明顯的優(yōu)勢(盧然超等2001;劉和等2006).但工藝.本研究擬在高含鹽條件下培養好氧顆粒污基金項目:國家自然科學(xué)基金項目(No.5062114001,50708089);國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863)項目(No.2006AA062328)Supported by thethe National Natural Science Foundation of China(No. 50621 14000作者簡(jiǎn)介:李志華(1976-),男,Eml:zhihua@gmail.com;·通訊作者(貴任作YH中國煤化工 ram of chine(NCNMHGBiography:LIZhihua(1976-),male,E-mail:lizhihua@gmail.com:.Correspondingauthor7期李志華等:采用熱重方法分析不同含鹽條件下的好氧顆粒特性1285泥,并采用熱重分析方法對好氧顆粒污泥在不同含顆粒污泥,為避免絮體污泥對顆粒污泥的影響,樣鹽條件下的特性進(jìn)行研究,旨在探明好氧顆粒污泥品經(jīng)過(guò)60目篩分以去除絮體污泥.所選取的顆粒污處理高含鹽有機廢水的顆粒特性及其評價(jià)方法泥放入恒溫箱內在80℃條件下干燥8h,以去除自由水23熱重分析實(shí)驗采用WCT-2A型高溫 DTA-TG-DTG微機差熱天平.熱重分析測試條件:實(shí)驗測溫范圍為25℃到800℃,溫度升到105℃時(shí),控溫10min,繼續sampling升溫到550℃,控溫30min,溫度達到800℃時(shí)反應結束;升溫速率均為10℃·min-.實(shí)驗在空氣(氧化)氣氛中進(jìn)行.TG記錄的是樣品質(zhì)量隨溫度的變運行時(shí)間 Running time/d化情況,DTA記錄的是樣品吸收或者釋放熱量的情況各反應器含鹽量改變情況Fig. I Sodium chloride concentrations in the three reactors2.4孔隙率計算顆粒污泥的沉淀速度采用自由沉淀法,顆粒污2實(shí)驗裝置與方法( Materials and methods)泥密度采用蔗糖梯度溶液法進(jìn)行根據所測得的顆粒沉速與相應顆粒密度以及顆粒尺寸,按照下式計2.1實(shí)驗裝置算孔隙率采用乙酸鈉和葡萄糖的混合溶液作為有機底gd(I-8)(P-p.物,其化學(xué)需氧量(COD)為400mg·L,其成分為ncPpCH2 COoNa283mgL,葡萄糖189.0mgL,式中,為孔隙率:流體通過(guò)絮體的影響因子(不NHC189mg·L,KH2PO428.56mg·L',NaOH可透過(guò)Q=1;可透過(guò)q<1),在本研究中假定為188mgL,MgSO:7H2O8856mg·L'實(shí)驗采用Cn:阻力系數,根據文獻計算( Majumder et al的3個(gè)SBR反應器RI、R2、R3為有機玻璃圓柱,內2004)徑50mm,高1.5m,分為3段組裝而成,每段高0.5m,有效容積2L反應器底部設1'玻璃砂芯微孔3實(shí)驗結果( Results)曝氣,由空氣泵經(jīng)氣體流量計供氣;頂部設有進(jìn)水對3個(gè)反應器Rl、R2、R3內的顆粒污泥進(jìn)行差水管,由進(jìn)水泵進(jìn)水,每周期進(jìn)水1L,排水1L反應熱分析比較,其熱重特性如圖2所示,對不同溫度范器運行周期分為進(jìn)水、曝氣、沉淀、排水4個(gè)階段,其圍的失重進(jìn)行計算,得到的結果如表2所示,根據運行由時(shí)間繼電器控制.實(shí)驗在(25±1)℃下運行,DTA曲線(xiàn)得到最大吸收峰峰值溫度如表3所示.在本反應運行周期為3h,具體如表1所示計算中,105~550℃范圍內的失幣被認為是揮發(fā)性固表1反應運行周期體(VS5),550℃之后剩余質(zhì)量被認為是灰分Table I Periods of sequencing operation表2R1、R2、R3中顆粒污泥在不同溫度范圍的失重進(jìn)水階段沉淀階段排水階段Table 2 Weight loas of granules in RI, R2 and R3 with temperature反應器105℃結合水Vss灰分Vss灰分根據含鹽量的不同,實(shí)驗可分為4個(gè)階段(圖編號質(zhì)氧損失質(zhì)量分數質(zhì)量分數質(zhì)量分數1):0~18d,R1、R2、R3含鹽量為0;18-22d,RI、69.77%R23.72%51.49%4152%15R2、R3含鹽量為0.5%;22~30d,Rl、R2、R3含鹽49.62%量為1%;30~60d,R含鹽量為1%,R2、R3含鹽量為2.5%;60-105d,R含鹽量為1%,R2含鹽量3R1、R、R3中顆粒污泥的最大吸收峰峰值溫度為2.5%,R3含鹽量為5%2.2實(shí)驗樣品EYH中國煤化工m陽(yáng)R24mBCNMHG熱分析實(shí)驗使用3個(gè)反應器第90d形成的好氧1286環(huán)境科學(xué)報4400·a熱重TG曲線(xiàn)4.2無(wú)機鹽對顆粒穩定性的影響顆粒污泥燃燒后剩余的灰分主要是無(wú)機成分從表2可以看出,在3個(gè)反應器中顆粒污泥灰分分別占總質(zhì)量的25.75%41.52%47.13%,即RI<40°…R3R2R2>R3.Vss所占比例可以用來(lái)描述顆粒污泥中微生物量的大小,其比例越高表明顆00500600粒污泥微生物活性越好.由此可以看出,微生物的b.差熱DTA曲線(xiàn)活性RI>R2>R3,即隨含鹽量增加,生物活性有一定程度的下降.有研究結果表明,適當程度地降低微生物生長(cháng)速率有利于好氧顆粒污泥穩定(deKreuk et al.,2004);同時(shí)也有研究者發(fā)現,在顆粒RI化過(guò)程中,污泥的灰分所占比例呈下降趨勢(Li=R2etal.,2006),因此,高含鹽量可能是提高好氧顆粒污泥穩定性操作的一條途徑孔隙率計算結果表明,R1、R2和R3中的顆粒污泥的孔隙率分布也分別為90%、89%、82%,即在2R1、R2、R熱置分析 TG-DTA曲線(xiàn)高含鹽條件下形成的顆粒污泥更為密實(shí),這與4.Fig. 2 Thermogravimetric characteristics of granules in節中結合水實(shí)驗結果得出的推斷是一致的.但是,RI, R2 and R3需要指出的是顆粒污泥在含鹽量為5%的情況下穩定持續一個(gè)多月后(第105d),出現了大量密實(shí)的4討論( Discussion)以真菌為優(yōu)勢菌群的好氧顆粒污泥,即優(yōu)勢菌群發(fā)4.1無(wú)機鹽對微生物體內結合水含量的影響生了遷移;而含鹽量為1%和2.5%的反應器并未觀(guān)好氧顆粒污泥結合的水分為4種:一是自由水,察到這種現象推測這種遷移可能與真菌在高含鹽它含于微生物體細胞間,與細胞結合不緊密,是容條件下更容易獲取和利用基質(zhì)有關(guān)系易揮發(fā)的水,它的揮發(fā)溫度在20~40℃;二是通過(guò)4.3無(wú)機鹽對顆粒污泥組分的彩響強物理吸附作用結合的水,它的揮發(fā)溫度在40吸收峰的出現是物質(zhì)的結構發(fā)生變化或分解110℃;三是通過(guò)化學(xué)吸附作用結合的水,它的揮發(fā)的結果.從表3可以看出,3個(gè)反應器的吸收峰峰值溫度在200~400℃;四是通過(guò)化學(xué)鍵結合的束縛溫度R1>R2>R3.這表明,R1反應器中有相對水,它的揮發(fā)溫度在600~800℃( Vaxelaire et aL.,較難分解的物質(zhì)存在.同時(shí)差熱DTA曲線(xiàn)也顯示,2004).本研究中,所使用的顆粒樣品經(jīng)過(guò)80℃烘R1中的顆粒污泥在多處出現吸收峰表明其組成較干,可認為顆粒污泥中的自由水已經(jīng)全部去除,因為豐富,而R3相對貧乏,換言之,隨著(zhù)含鹽量的增此,熱重數據中105℃之前的失重可以認為是強物加微生物代謝產(chǎn)物的復雜程度減少.代謝產(chǎn)物復理結合的水.如表2所示,105℃之前來(lái)自R1、R2和雜程度的減少是顆粒污泥在高含鹽條件下長(cháng)期選R3的顆粒污泥的失重分別為4.48%、3.72%、擇的結果,即一些不適應含鹽環(huán)境的微生物無(wú)法生3.25%,即R>R2>R3.由此可以得出,強吸物存或其代謝活動(dòng)受到抑制理結合水隨含鹽量增加而減少造成這種現象的原因在于污水的浮力隨含鹽量的增加而提高,因此5結論( Conclusions)在相同沉淀時(shí)間的情況下,對好氧顆粒污泥的選擇1)熱重實(shí)驗結果表明,含鹽量對好氧顆粒污泥作用實(shí)際上隨著(zhù)含鹽量的提高而加強換言之,高的通過(guò)含鹽量的體系可以在系統中保留更為密實(shí)的顆粒其含量rV“中國煤化有很大的影響污泥CNMHG分數比值按大小順序排列為:R>R2>R3.由此可知,含鹽量的李志華等:采用熱重方法分析不同含鹽條件下的好氧顆粒特性1287增加降低了微生物活性.同時(shí)熱重分析結果顯示,affect the stability of aerobic granule: An experimental study by吸收峰峰值溫度Rl>R2>R3,而且RI的DTA曲線(xiàn)最為復雜,表明不同含鹽量條件下形成的好氧Microbial Technology, 39(5): 976-981Liu H, Li C W, Yun J, et aL. 2006. The response of bacterial顆粒污泥,隨反應器含鹽量的增加,顆粒污泥的組ommunity within aerobie granular sludge and activated sludge to分復雜程度減小3)本研究結果表明,熱重分析法能夠很好地描CireumsLantiae, 26(9): 1445-1450( in Chinese)述好氧顆粒污泥的結合水、密實(shí)度、生物活性、微生LBC,2hgx.ahm8Y,aa,200. ect of the sludge物代謝產(chǎn)物等特性,是一種很有潛力的分析方法Aeta Scientiae Cireumstantiae, 21(5): 577-581( in Chinese)Majumder A K, Barnwal J P. 2004. A computational method to predict責任作者簡(jiǎn)介:李志華(1976—),男,工學(xué)博士,副教授,主particles free terminal settling velocity[ J]. IE(I)Joumal-MN, 85要從事環(huán)境微生物水處理技術(shù)研究.E-mail; zhihua@gmail.comclaire ], Cezac P. 2004. Moisture distribution in activated sludgereview[ J]. Water Res, 38:2215--2230References:中文參考文獻:de Kreuk M K, Van Loosdrecht MM. 2004. Selection of slow growingorganisms as a means for improving aerobic granular sludge stability盧然超,張曉健,張悅,等,2001.SBR工藝污泥顆?；瘜ι锩摰猍J]. Water Science and Technology, 49(11-12):9-17除磷特性的研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報,21(5):577-581Lefebvre 0, Moletta R. 2006. Treatment of organic pollution in industrial劉和,李光偉,云嬌,等。2006.好氧顆粒污泥和活性污泥細菌種群saline wastewater: A literature review [ J]. Water Res, 40結構對五氰酚污染的響應研究[].環(huán)境科學(xué)學(xué)報,26(9)1445-1450Li Z H, Kuba T, Kusuda T. 2006. Selective force and mature ph中國煤化工CNMHG