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)教育部重點實驗室,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(jié)果表明,含鹽量為1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))(反應(yīng)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(jié)合水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(qiáng)物理結(jié)合的水分含量3個反應(yīng)器的ⅤSs與灰分質(zhì)量之比分別為2.71、1,15、1.05,表明隨著含鹽量的增加,微生物的活性下降3個反應(yīng)器吸收峰峰值溫度RI>R2>R3,表明R中的物質(zhì)最為復(fù)雜同時DTA曲線的復(fù)雜程度顯示RI的顆粒污泥物質(zhì)最豐富;由此推斷,隨著含鹽量的增加,微生物代謝產(chǎn)物復(fù)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(jié)合水、生物活性微生物代謝產(chǎn)物密實度等特性,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中圖分類號:X703文獻(xiàn)標(biāo)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程、填埋場的滲濾液以及肉類、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(jié)構(gòu),在實驗室規(guī)模已被證實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(wěn)定的問題,因此,有必要探索此類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(yǎng)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(jī)廢水的顆粒特性及其評價方法泥放入恒溫箱內(nèi)在80℃條件下干燥8h,以去除自由水23熱重分析實驗采用WCT-2A型高溫 DTA-TG-DTG微機(jī)差熱天平.熱重分析測試條件:實驗測溫范圍為25℃到800℃,溫度升到105℃時,控溫10min,繼續(xù)sampling升溫到550℃,控溫30min,溫度達(dá)到800℃時反應(yīng)結(jié)束;升溫速率均為10℃·min-.實驗在空氣(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(yīng)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(jù)所測得的顆粒沉速與相應(yīng)顆粒密度以及顆粒尺寸,按照下式計2.1實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(jī)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:流體通過絮體的影響因子(不NHC189mg·L,KH2PO428.56mg·L',NaOH可透過Q=1;可透過q<1),在本研究中假定為188mgL,MgSO:7H2O8856mg·L'實驗采用Cn:阻力系數(shù),根據(jù)文獻(xiàn)計算( Majumder et al的3個SBR反應(yīng)器RI、R2、R3為有機(jī)玻璃圓柱,內(nèi)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(yīng)器底部設(shè)1'玻璃砂芯微孔3實驗結(jié)果( Results)曝氣,由空氣泵經(jīng)氣體流量計供氣;頂部設(shè)有進(jìn)水對3個反應(yīng)器Rl、R2、R3內(nèi)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(yīng)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個階段,其圍的失重進(jìn)行計算,得到的結(jié)果如表2所示,根據(jù)運行由時間繼電器控制.實驗在(25±1)℃下運行,DTA曲線得到最大吸收峰峰值溫度如表3所示.在本反應(yīng)運行周期為3h,具體如表1所示計算中,105~550℃范圍內(nèi)的失幣被認(rèn)為是揮發(fā)性固表1反應(yīng)運行周期體(VS5),550℃之后剩余質(zhì)量被認(rèn)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(yīng)器105℃結(jié)合水Vss灰分Vss灰分根據(jù)含鹽量的不同,實驗可分為4個階段(圖編號質(zhì)氧損失質(zhì)量分?jǐn)?shù)質(zhì)量分?jǐn)?shù)質(zhì)量分?jǐn)?shù)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實驗樣品EYH中國煤化工m陽R24mBCNMHG熱分析實驗使用3個反應(yīng)器第90d形成的好氧1286環(huán)境科學(xué)報4400·a熱重TG曲線4.2無機(jī)鹽對顆粒穩(wěn)定性的影響顆粒污泥燃燒后剩余的灰分主要是無機(jī)成分從表2可以看出,在3個反應(yīng)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(jié)果表明,適當(dāng)程度地降低微生物生長速率有利于好氧顆粒污泥穩(wěn)定(deKreuk et al.,2004);同時也有研究者發(fā)現(xiàn),在顆粒RI化過程中,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(wěn)定性操作的一條途徑孔隙率計算結(jié)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曲線高含鹽條件下形成的顆粒污泥更為密實,這與4.Fig. 2 Thermogravimetric characteristics of granules in節(jié)中結(jié)合水實驗結(jié)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(wěn)定持續(xù)一個多月后(第105d),出現(xiàn)了大量密實的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無機(jī)鹽對微生物體內(nèi)結(jié)合水含量的影響生了遷移;而含鹽量為1%和2.5%的反應(yīng)器并未觀好氧顆粒污泥結(jié)合的水分為4種:一是自由水,察到這種現(xiàn)象推測這種遷移可能與真菌在高含鹽它含于微生物體細(xì)胞間,與細(xì)胞結(jié)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4.3無機(jī)鹽對顆粒污泥組分的彩響強(qiáng)物理吸附作用結(jié)合的水,它的揮發(fā)溫度在40吸收峰的出現(xiàn)是物質(zhì)的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化或分解110℃;三是通過化學(xué)吸附作用結(jié)合的水,它的揮發(fā)的結(jié)果.從表3可以看出,3個反應(yīng)器的吸收峰峰值溫度在200~400℃;四是通過化學(xué)鍵結(jié)合的束縛溫度R1>R2>R3.這表明,R1反應(yīng)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.同時差熱DTA曲線也顯示,2004).本研究中,所使用的顆粒樣品經(jīng)過80℃烘R1中的顆粒污泥在多處出現(xiàn)吸收峰表明其組成較干,可認(rèn)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,隨著含鹽量的增此,熱重數(shù)據(jù)中105℃之前的失重可以認(rèn)為是強(qiáng)物加微生物代謝產(chǎn)物的復(fù)雜程度減少.代謝產(chǎn)物復(fù)理結(jié)合的水.如表2所示,105℃之前來自R1、R2和雜程度的減少是顆粒污泥在高含鹽條件下長期選R3的顆粒污泥的失重分別為4.48%、3.72%、擇的結(jié)果,即一些不適應(yīng)含鹽環(huán)境的微生物無法生3.25%,即R>R2>R3.由此可以得出,強(qiáng)吸物存或其代謝活動受到抑制理結(jié)合水隨含鹽量增加而減少造成這種現(xiàn)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(jié)論( Conclusions)在相同沉淀時間的情況下,對好氧顆粒污泥的選擇1)熱重實驗結(jié)果表明,含鹽量對好氧顆粒污泥作用實際上隨著含鹽量的提高而加強(qiáng)換言之,高的通過含鹽量的體系可以在系統(tǒng)中保留更為密實的顆粒其含量rV“中國煤化有很大的影響污泥CNMHG分?jǐn)?shù)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.同時熱重分析結(jié)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曲線最為復(fù)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(yīng)器含鹽量的增加,顆粒污泥的組ommunity within aerobie granular sludge and activated sludge to分復(fù)雜程度減小3)本研究結(jié)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(jié)合水、密實度、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(zé)任作者簡介: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(xiàn):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(xì)菌種群saline wastewater: A literature review [ J]. Water Res, 40結(jié)構(gòu)對五氰酚污染的響應(yīng)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