常规活性污泥在厌氧-好氧循环条件下培养好氧颗粒及其对印染废水处理的应用外文翻译资料

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常规活性污泥在厌氧-好氧循环条件下培养好氧颗粒及其对印染废水处理的应用

Narges Manavi, Amir Sadegh Kazemi, Babak Bonakdarpour

Department of Chemical Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran

摘要

本研究中，在常规活性污泥中，通过厌氧-好氧循环控制形成好氧颗粒污泥，并应用于实际印染废水的处理。经过94天的培养，形成成熟的好氧颗粒污泥，其特征在于具有松散结合的细胞外聚合物质（LB-EPS），且%GR_0.3（粒径百分比ge;0.3mm）的颗粒超过80%。好氧颗粒污泥的扫描电子显微镜（SEM）结构分析发现，在间歇反应器（SBR）循环的好氧阶段，在好氧颗粒内可能发生了偶氮染料的脱色作用。总EPS，紧密结合的EPS（TB-EPS） - 包括其蛋白质（PN）和碳水化合物（PS）部分和它们的比例（PN / PS）、%GR_0.5 （粒径百分比ge;0.5mm）之间具有统计学意义的相关性，且研究认为SVI₃₀对其中TB-EPS的蛋白质组分具有最大的影响。研究人员观察到了一个迄今为止未被报道的EPS变化现象，主要发生反应器的厌氧和好氧阶段以及COD降解的厌氧阶段。在24小时的循环内，控制厌氧期与好氧期的时间比例为3，好氧颗粒污泥去除了73%的色度和68%的COD，成功地适应了实际的印染废水的处理。厌氧和有氧色移除的测量显示好氧颗粒的厌氧芯中，对有氧染料的脱色（％GR_0.3）高于50％。然而，在94天的适应期间内，尽管在SBR操作的较大部分中的总的EPS和PN / PS比率增加，但％GR_0.3从81％连续下降到31％。

关键字 好氧颗粒；测序间歇反应器；纺织印染废水；细胞外聚合物质（ESP）；脱色；COD去除

1. 简介

纺织工业是污染最严重的工业之一，并且会消耗大量的水资源。因此，处理印染废水是非常具有挑战性和重要性的。印染废水通常由染料，矿物质，表面活性剂，重金属离子，电解质，洗涤剂，溶剂和顽固化合物组成^[1]。染料是印染废水中污染的主要来源，并且会影响出水的颜色，从而使接收出水的水体的光透射率，溶解氧含量和一般生物可降解性下降。含染料的废水的细菌处理相对于其他生物^[2]以及物理化学处理方法^[3]具有许多优点。在细菌处理过程中，偶氮染料（其代表纺织工业中使用的大部分染料）中的偶氮键在厌氧条件下降低，而所得的芳族胺在有氧条件下潜在氧化。前者引导废水的脱色，而后者引导染料矿化和降低废水的毒性。因此，组合的厌氧 - 好氧细菌过程是处理含染料的废水的有潜力的方法^[4]。该方法通常按顺序进行;然而，这两个过程也可以通过使用好氧颗粒技术同时进行^[5]。使用好氧颗粒用于处理纺织品印染废水的另一个潜在优点是据研究称好氧颗粒对毒性因子有较高抗性^[6]。与活性污泥相比，虽然有氧颗粒技术作为更先进的处理城市和工业废水的方法已被广泛研究，但是对于该技术用于处理纺织品印染废水的研究很少，并且其大多数用于合成废水。第一个在这方面应用好氧颗粒的人是Muda等人^[5]。这些研究者在使用含有活性污泥和厌氧污泥的混合物作为接种物的含有合成废水的染料的厌氧 - 好氧循环下在顺序间歇反应器（SBR）中成功开发了好氧颗粒。用开发的颗粒处理合成废水能够良好的去除COD，但是只有63％的颜色被去除。在进一步的研究^[7]中，通过优化HRT和SBR循环的厌氧阶段的长度，研究者设法将颜色去除效率提高到95％。在这项研究中，研究者指出，HRT和厌氧阶段的长度都影响好氧颗粒的性质。在其他研究中，有氧颗粒（在有或没有染料的情况下预先形成）用于处理含有偶氮染料活性蓝（RB）59 ^[8]，酸性红（AR）18 ^[9]和AR14 ^[10]的合成废水。

好氧颗粒能否应用于实际印染废水的处理，还有几个问题。第一是颗粒是否应在含有非染料的合成介质中或在含有合成（或实际）的废水中预先形成？前者的优点是复合颗粒形成过程不会受到实际废水中的染料或其它组分的不利影响，并且颗粒会在较短的时间内形成;后者的优点是颗粒中的细菌群体在颗粒形成阶段期间适应于染料和其他废水成分。已经有研究报道了好氧颗粒在含有染料的合成介质中被成功开发^[5,10]。据研究者所知，目前只有两个关于好氧颗粒用于处理实际印染废水的报告^[11,12]，并且在实际印染废水中都形成了好氧颗粒。然而，形成成熟颗粒所需的时间确实远高于合成培养基报告的时间。此外，在这两个研究中，颗粒在无菌纺织废水中的形成，可能是为了消除废水微生物菌群对有氧颗粒形成过程的干扰。

在用实际印染废水进行的两个好氧颗粒研究中，颗粒是从分离自纺织品污泥或污染有纺织品废水的土壤和无菌活性污泥的细菌物种的混合物中开发的。在以前的研究中未采用的另一种策略是从容易获得的市政活性污泥开发颗粒，这将简化制粒过程。这种策略的不确定性是，以这种方式形成的好氧颗粒是否能在实际的印染废水处理中有令人满意的表现。

关于使用好氧颗粒处理含有染料的废水的另一个重要点是它们在长期暴露于这些废水中时的稳定性。这在使用实际废水的两个研究中没有被考虑。先前对合成废水的一些研究表明，在某些条件下，一些染料可能使好氧颗粒不稳定。例如，Sadri Moghadam和Alavi Moghadam ^[9]报道，尽管AR18浓度为50mg / l时对有氧颗粒结构几乎没有影响，但是当染料浓度增加到100mg / l时，颗粒会在短时间内崩解。

由于含染料的废水的细菌处理最好在组合的厌氧 - 好氧过程中进行，在先前的报告中，用于处理含染料的废水的有氧颗粒已经形成并且在厌氧 - 好氧循环下使用。这一发现提供了机会和挑战。

机会是在SBR循环的有氧阶段期间颗粒的厌氧内核中偶氮染料脱色的可能性。这意味着，与其中染料的还原仅在该组合过程的厌氧阶段中发生的活性污泥法不同，在需要颗粒的情况下，染料还原可以在整个组合过程中发生。为了发生这种情况，偶氮染料和有机化合物必须扩散到内部厌氧核中，而同时偶氮还原过程的产物必须扩散出来。在含有具有好氧颗粒的合成废水的AR18 ^[9]和AR14 ^[10]的处理过程中报道了显著的好氧脱色。然而，在先前的两个研究中没有报道其中好氧颗粒用于处理真正的纺织废水中好氧脱色的程度。

挑战是关于在厌氧 - 好氧循环下好氧颗粒的开发和使用，关于颗粒形成过程的知识不足以及关于其在这种循环下的稳定性的不确定性。Sadri Moghadam和Alavi Moghadam最近的研究^[13]表明，SBR循环中存在厌氧阶段对所形成的好氧颗粒的性质具有深远的影响。因此，在这一领域需要更多的研究。

本研究的目的是在厌氧微生物循环下在合成培养基中从常规活性污泥中开发有氧颗粒，并且随后使用特定方案对实际印染废水进行处理。为了更好地揭示在厌氧 - 好氧循环下好氧颗粒的形成以及它们在暴露于实际印染废水时的稳定性，紧密结合（TB-）和松散结合（LB-）细胞外聚合物的变化趋势在SBR操作的颗粒形成和适应期间（包括在单次循环期间）监测颗粒（EPS）及其碳水化合物（PS）和蛋白质（PN）级分以及其他与颗粒特性有关的参数。通过在操作的厌氧和有氧阶段期间以及在单个循环期间监测COD和颜色去除来评估在适应期期间好氧颗粒的处理性能。

1. 材料和方法

2.1 废水和接种污泥

具有以下组份的合成废水用于颗粒显影和用于实际印染废水的稀释（mg / l）：NH₄Cl 191, KH₂PO₄ 22, K₂HPO₄ 28, MgSO₄·7H₂O 25, FeCl₃。6H₂O 20, 乙酸钠 2170 and CaCl₂·2H₂O 100。

本研究中使用的印染废水的特性如表S1所示。每三周从染色厂（Beton Rang Kordan Co，Karaj，Iran）收集印染废水，并在转移到实验室，在使用前保存在冰箱中，温度为4℃。对于在SBR试验中使用的最后一个印染废水样品，一些阴离子和阳离子的组成如下测量（mg / l）：Ca² 3062, Mg² 17, Cu² 0.01, Zn² 0.03, Pb² 1.78,N-NH₄ 17.2 plusmn; 2.2, N-NO₃ 1.96 plusmn; 0.22. N-NO₂, P-PO₃, Fe³ , Hg² , 和 Cd² 未被检测到。

种子污泥从位于德黑兰西部的城市活性污泥废水处理厂收集。将松散的和深棕色污泥用1mm筛网过筛以除去大的碎片。在用合成废水驯化20天后，混合液变成奶油色，并用于SBR中的好氧颗粒形成。

2.2 反应器设置和操作

使用有效体积为4L，内径为7cm，高度为120cm，高度与直径比为17的SBR。在颗粒形成期间，6小时的循环时间包括4分钟的填充，60分钟的无氧和286-290分钟的好氧相，3-7分钟沉降和3分钟的流出物排出。

在整个SBR操作中体积交换率（VER）为71％。在颗粒形成期间，通过停止曝气并借助于蠕动泵（Heidolph 5206，Heidolph，Germany）使混合液再循环来操作厌氧阶段。通气阶段使用位于反应器底部的喷雾器进行。

在将好氧颗粒调整至实际印染废水期间，SBR中的厌氧阶段通过用N₂气喷射操作。在此期间，总循环时间从初始值6小时增加到最终值24小时，共有5个阶段，而厌氧相对有氧相的相应比例从2增加到3。SBR操作条件适应期列于表1。

2.3 分析方法

对于COD和颜色测量，从SBR取出的样品在4200rpm下离心20分钟。根据标准方法进行COD，TS，TSS，MLSS，MLVSS，区沉降速度（ZSV）和SVIi（污泥体积指数，其中i指沉降时间）分析^[14]。N-NH₄，N-NO₂，N-NO₃和PPO₃通过Merck测试试剂盒测量。用Hach仪器（HQ，40D，Hach Company，USA）测量TDS和溶解氧（DO）浓度。通过原子吸收光谱（AA240，Varian Inc.，USA）分析重金属浓度（Mg² ，Ca² ，Fe³ ，Cu² ，Zn² ，Pb² ，Hg² ，Cd² ）。保留在给定孔径尺寸的筛子上的颗粒的重量与从SBR中取出的样品中的颗粒的总重量的比率（以％表示）被称为％GR_i（其中下标i是指孔径尺寸，以毫米为单位），并使用Hailei等人描述的方法测定^[15]。使用孔径尺寸为0.3和0.5mm的筛子从混合液样品中分离出好氧颗粒。

使用由Rosenburg^[16]和Kim^[17]等人描述的方法测量相对疏水性（RH） 。 经过一些修改。将50ml样品在PUM缓冲液^[16]中洗涤两次，然后在分液漏斗中与50ml正己烷混合并搅拌2分钟，然后静置10分钟。然后排干并收集亲水相。使用方程式确定RH，表示为水相MLSS（MLSSaq）与初始样品MLSS（MLSSi）的比率。 （1）：

（1）

颗粒污泥中微生物群体的活性通过测量根据标准方法^[14]测量OUR（mgO2 / l h）的特定氧利用率（SOUR）来确定。

对于扫描电子显微镜（SEM）观察，首先根据Wang等人描述的方法的改进方法洗涤和固定颗粒^[18]：颗粒用磷酸盐缓冲液洗涤，并在4℃下用2.5％戊二醛固定2小时。随后，使用0.10M的二甲胂酸钠缓冲液洗涤固定的颗粒，并通过连续通过25,50，75,80，90,95和100％乙醇来脱水。通过溅射（Emitech K450X，Quorum Emitech，England）用金薄层涂覆制备的颗粒并用SEM（Tescan Vega II，Tescan Brno s.r.o，Czech Federation）观察。

LB-EPS通过Adav和Lee描述的方法的修改提取^[19]。将15ml样品在3000rpm离心15分钟。弃去上清液后，将颗粒再悬浮于0.9％（w / v）NaCl中，

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