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四种微型动物对污泥减量的比较_图文

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四种微型动物对污泥减量的比较
梁鹏,黄霞*,钱易
(清华大学 环境科学与工程系环境模拟与污染控制国家重点实验室,北京 100084)
摘要:根据食物链中 C 元素形态的改变,通过测量特定系统中非固态 C(气态和液态)的增 加速率来确定微型动物对污泥的减量速率。利用污水处理过程中可能出现的四种微型动物(红 斑顠体虫、蚤状溞、颤蚓和卷贝)摄食污泥,通过非固态 C 增加速率试验得到四种微型动物 对污泥的减量速率分别为 0.8、0.18、0.54、0.1 mg-sludge/(mg- Microfauna?d)。对于体型较大 的微型动物(颤蚓和卷贝),该方法所得结果与直接称量法的结果吻合,对于体型较小的微型 动物(红斑顠体虫),该方法所得结果与连续反应器中表观减量速率一致,均说明该方法结果 可信。 关键词: 污泥减量速率,微型动物,摄食
1 前言 利用微型动物对生物污泥进行减量,虽然减量程度有限、稳定性有待加强,但由于能耗
低、不产生二次污染,作为一种生态工程技术受到关注[1-3]。 目前有关利用微型动物对污泥进行减量的研究存在两个争论:一个是微型动物在城市污
水处理中对污泥减量效果是否明显[4-7],另一个是具体哪些微型动物对污泥具有显著的减量效 果[8-10]。这两个争论均源于缺乏微型动物对污泥的摄食速率这一关键数据。而测量微型动物 对污泥减量速率的困难在于体型较小的微型动物摄食量微小,实验室常用的万分之一天平不 能达到精确称量的要求,同时微型动物和污泥分离困难,而利用放射性元素进行示踪试验比 较复杂, 因此,需要建立一种简单准确的微型动物对污泥减量速率的测量方法。本文从微型 动物对污泥减量的原理出发,提出非固态 C 产生速率法并用目前相关研究中采用的直接测量 法和间接测量法进行佐证。
2 试验原理与试验方法 2.1 试验原理
所谓污泥减量,从物质形态来看,是将系统中的固态物质转化为气体和液体,从物质形 态上达到减量目的。考察污泥中所占比例最大的 C 元素(50%)形态的转变,如图 1,作为 固态的活性污泥被微型动物摄食后,一部分转化为微型动物自身(固态的 C),另一部分则由
基金项目:高等学校博士学科点专项科研基金项目
1

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于微型动物排泄、呼吸作用,形成溶解在水中的液态 C 和气态 C,从而达到污泥减量的效果。 在相对封闭系统中微型动物摄食灭菌污泥(防止活菌代谢产生非固态 C 干扰),导致污
泥中固态 C 向非固态 C 的转化,通过测量非固体 C 转化速率得到微型动物对污泥减量速率。 预备试验验证,红斑顠体虫等微型动物对活菌并没有选择性摄食。

污泥 中固 体C

摄食

气体中的 C (CO2) 呼吸
微型动物体内固体 C 排泄

无机 C 平衡

液体中的 C – (无机或有机 C)

图 1 各种形态的 C 在食物链中转化
2.2 试验方法 试验流程如图 2,从活性污泥曝气池中分离并经过消毒(包括 0.4%NaCl 催吐、0.005%
NaOCl 和 0.1%青霉素和链霉素消毒)的不同数量的微型动物置于已经消毒的安瓿瓶中(装置 见图 3),其中约 1/3 是灭菌污泥,其余是气体(如图 3 中左图)。
通过气相色谱(TC-14, SHIMADZU, 中国)测定安瓿瓶中的 CO2;VOC 分析仪(VOC detector, PGM7240, RAE System, Sunnyvale, 美国)测定气体中 VOC (由于 VOC 测定仪是在 线检测,所以在测定 VOC 时使用的装置如图 3 中右图,其中瓶体积为 500ml,远远大于连接 管路的体积,忽略由于连接管路体积带来的误差,干燥剂可以防止水分对 VOC 测定的影响), 同时用 TOC 仪(TOC-5000A, SHIMADZU, KYOTO, 日本)测定水中 TOC。

2

从污泥中分离微型动物

对微型动物消毒

用灭菌污泥培养微型动物 选取大小相同的微型动物

安瓿瓶和 污泥灭菌

微型动物接种在已灭菌的安瓿瓶中

测量各种形态的 C(CO2 /DOC/VOC) 图 2 试验流程

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干燥剂

VOC 在线



检测仪

微型动物 +污泥
图 3 试验装置

2.3 污泥减量计算方法

微型动物对污泥减量速率 RS 计算如等式(1),

RS = RNS-C / 0.5 = (RIC + ROC) / 0.5 = (RIC-G + RIC-S + ROC-G + ROC-S) / 0.5,

(1)

其中,RS 单位:mg-VSS/(mg-microfauna?d),RNS-C 为系统中非固态 C 增加速率,单位

mg-C/(mg-microfauna?d),RNS-C 分为非固态无机 C 增加速率 RIC 和非固态有机 C 增加速率 ROC, 其中 RIC 和 ROC 又各分别包括气体和液体中 C 的增加速率:RIC-G、RIC-S、ROC-G、ROC-S。

2.3.1 系统中 RIC 的确定 系统内气体中无机 C(即 CO2)和污泥中无机 C(包括 H2CO3、HCO3-和 CO32-)满足 Henry

3

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定律,如图 4,虽然当 CO2 在浓度较低时在水中和污泥溶液中有一些差异,但在浓度较高 (>5000ppm)呈线性关系,且相对斜率非常接近,这主要是由于 CO2 浓度较低时,污泥溶液类 似于缓冲溶液,可以通过污泥絮体过量吸附 CO2,而当这类吸附达到饱和以后 CO2 和液体中 的无机 C 就满足 Henry 定律。这样就可以只测量气体中 CO2 的增加速率,而后通过 Henry 常 数得到无机 C 增加速率,即 RIC = RIC-G / 0.555。

0.003 0.002

污泥溶液 纯水

液体中无机C浓度(mmol/L)

0.001

0
0 5000 10000 15000 20000 25000 CO2 浓度 (ppm)

图 4 污泥中无机 C 平衡

2.3.2 系统中 ROC 的确定 系统中气体有机 C 的增加即是 VOC 的增加,如图 3 中右图装置,在线测量系统中 CO2
浓度的同时测量其中 VOC 的浓度,当 CO2 的浓度从 1000 增加到 20000ppm 时,VOC 的浓度 仅从 400 增加到 700ppb,其浓度以及增加速率均不及 CO2 的 0.1%,完全可以忽略系统中由 于微型动物摄食导致 VOC 增加部分,即 ROC ≈ ROC-S,ROC-S 可以通过测量污泥溶液中 TOC 得 到。

这样,微型动物对污泥减量速率可以如下公式计算:

RS = (RIC-G / 0.56 + ROC-S) / 0.5

(2)

3 试验结果与讨论 3.1 通过 CO2 测定确定微型动物代谢产生无机 C 速率
以颤蚓为例,每隔一段时间(12h)测定含有不同数量(1-12ind)颤蚓瓶中气体的 CO2 浓度。

4

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80000 60000

0

1

2

4

6

8

10

12

CO2浓度(ppm)

40000

20000

0 0 10 20 30 40 50 60 70 时间(h)
图 5 CO2 随时间和颤蚓数量而改变
如图 5,随着时间和颤蚓数量的增加,气体中 CO2 浓度随之增加。由图 5 数据可以计算 得到 CO2 的增加速率 R CO2 =275.87ppm/(ind-Tubifex?h)
RIC = R CO2 / 1000000 / 24.5 × 18 × 12 × 24 / 0.5 / 0.555 RIC 的单位是 mg-C/(mg-Tubifex?d). 上式中,24.5 是 25?C 时的理想气体常数,18 为安瓿 瓶体积(ml), 12 为 C 原子量, 24 表示每天 24 小时,0.5 表示每条颤蚓干重为 0.5mg(为了便于 比较不同微型动物,单位统一为干重,mg)。得到颤蚓对无机 C 增加速率 RIC = 0.23mg-C / (mg-Tubifex?d)。 同样试验还做过 4 次,当颤蚓条数增加到 20 条时,试验用瓶的体积为 35ml。计算得到 RIC 的范围是 0.2286-0.2522 mg-C / (mg-Tubifex?d),标准偏差为 0.0095 mg-C / (mg-Tubifex?d).

3.2 通过测定 TOC 确定微型动物导致水中溶解性有机 C 增加速率

TOC增加速度(mg/d)

0.4

0.3

0.2

0.1

y = 0.0157x + 0.141

0 0 2 4 6 8 10 12 颤蚓数量 (ind)
图 6 TOC 随时间和颤蚓数量而改变

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测量试验前后上清液(经过 0.45?m 过滤)中 TOC 浓度的变化如图 6 所示,图中 TOC 浓 度的增加和颤蚓数量成正比(时间是试验整个试验过程),由图 6 中直线拟合计算得到的斜率 0.0157mg-DOC/(ind-Tubifex?d)换算得到 ROC = 0.0157/0.5 = 0.0314 mg-DOC/(mg-Tubifex?d)。
将以上两种速率相加,可以得到由于颤蚓的摄食,经过自身对 C 的代谢导致非固态 C 增 加的速率,进而可以确定出微型动物对污泥减量的速率 RS = (RIC-G / 0.555 + ROC-S) / 0.5 = (0.23 + 0.0314) / 0.5 = 0.5228 mg-sludge / (mg-Tubifex?d)。
3.3 直接测量颤蚓减量速率 由于颤蚓体型较大,相对容易与污泥分离,所以通过测量不同数量颤蚓摄食以后污泥干
重来确定颤蚓对污泥减量的比例。
30

污泥干重(mg)

20

10 y = -0.3171x + 22.235

0

0

5 10 15 20 25

颤蚓数量 (ind)

图 7 直接测量颤蚓对污泥的减量比例

直接减量结果如图 7 所示,每组不同数量的颤蚓做 7 组平行试验,取其平均值,计算得 到的标准偏差作为误差限。图中部分标准偏差较大,而且 16 条颤蚓对污泥的减量速率反而高 于 20 条颤蚓的结果,说明即便颤蚓体型较大,和污泥分离相对容易,但直接秤量还是存在较 大误差。
试验持续一天,通过直线拟合得到斜率为-0.32mg-sludge/(ind-Tubifex?d),换算得到颤蚓的 直接污泥减量速率为 0.64mg-sludge/(mg-Tubifex?d)。前面通过计算非固态 C 增加速率得到的污 泥减量速率是 0.52 mg-sludge /(mg-Tubifex?d)。这表明利用食物链中 C 形态变化计算得到的污 泥减量速率的方法和直接测量的结果相同。在卷贝试验中也又类似结论(见表 1)。

6

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3.4 间接测量红斑顠体虫对污泥的减量速率 前面提到,在确定微型动物对污泥减量中使用的间接表观减量,其计算过程如下:首先
计算得到系统产率系数 Y(如等式 3)。对于红斑顠体虫和在不同条件下连续运行的 CAS 反 应器中表观产率系数间的关系见图 8

Y

V =

dX dt

+ Qw X w

+ Qe X e

(3)

Qi (Ci ? Ce )

V:反应器体积(L);X :反应器中污泥浓度(mg-VSS/L);Q:流速 (L/d);C:COD 浓度(mg/L)。

下标 i, e,和 w 分别代表进水、出水、排泥。

Y (mg-VSS/mg-COD)

1.5

1.1

F/M=0.19

F/M=0.30

0.7

0.3

-0.1

-0.5 0

50

100

150

红斑顠体虫密度 (ind./mg-VSS)

(a) 在不同 F/M 比条件下

Y (mg-VSS/mg-COD)

1.2

SRT=34d

0.8

SRT=24d

0.4

SRT=15d

0

-0.4

-0.8 0

50

100

150

红斑顠体虫密度 (ind./mg-VSS)

(b) 在不同 SRTs 条件下
图 8 不同条件下红斑顠体虫对污泥的减量效果

图 8 可以看出无论是去除负荷还是污泥龄的改变,污泥产率系数 Y 都和红斑顠体虫密度 呈负相关。尽管 Y 可以受到其他因素的影响,可以粗略地将 Y 和红斑顠体虫密度进行线性拟

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合,得到的斜率为 ?Y。表观减量速率 RS 可以通过等式(4)计算得到,结果列在表 2 中。

RS = ?Y ×?F/M / 0.0005

(4)

?F/M:去除负荷(mg-COD/mg-VSS? d); RS :表观减量速率(mg-VSS / (mg-A. hemprichi. ? d)),单条红斑顠体虫干重为 0.0005mg。

表 2 由红斑顠体虫摄食导致在 CAS 反应器中对污泥的减量速率的计算结果

SRT (d)

?F/M

(mg-COD/(mg-VSS?d))

?Y ((mg-VSS/mg-COD)
/(ind./mg-VSS))

RS (mg-VSS/(mg-A.
hemprichi?d))

34

0.18

-0.0024

-1.09

24

0.16

-0.0012

-0.53

15

0.21

-0.0112

-6.32

24

0.30

-0.0028

-1.26

24

0.19

-0.003

-2.41

由表 2 可以得到,RS 的范围在 0.53-6.32 mg-VSS / (mg-A. hemprichi? d),该值受到影响的

因素较多,而通过食物链中 C 形态变化得到的红斑顠体虫减量速率为 0.8 mg-VSS/(mg-A.

hemprichi? d),和 RS 相比较不容忽略,说明由于红斑顠体虫的摄食在活性污泥系统具有污泥

减量的作用。

3.5 四种微型动物对污泥的减量速率

类似颤蚓试验,得到其他三种微型动物对污泥的减量速率,见表 3。

表 3 四种微型动物对污泥的减量速率(表中减量速率单位均为 mg-sludge/mg-microfauna?d)

红斑顠体虫

蚤状溞

颤蚓

卷贝

体型(mm)

0.05×0.05×1 1.5×1.5×0.5 1.5×1.5×40

8×8×8

体重(mg/L)

0.0005

0.021

0.5

20

CO2 计算得到的 0.70-0.79

0.12

0.48

0.06

减量速率

TOC 计算得

0.007

0.064

0.06

0.04-0.15

到的减量速率

总计

0.7-0.8

0.18

0.5

0.1-0.2

直接测量

0.64

0.071

由于四种微型动物中颤蚓和卷贝体型较大,也相对易于与污泥分离,所以有直接测量的 结果。这两种微型动物直接测量结果和通过食物链中 C 形态变化得到的减量速率相近。说明

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通过食物链中 C 形态变化得到的减量速率的试验方法可信,可以尝试对比红斑顠体虫体型更 小的微型动物进行测试。
微型动物对污泥减量速率的大小和微型动物的门或属有关,寡毛纲环节动物要比节肢动 物门甲壳纲和软体动物门腹足纲动物对污泥的减量速率要高。推测可能和微型动物身体形状 有关,寡毛纲环节动物呈线形,在相同体积下,表面积要大于球体,使得其代谢更快。虽然, 在实际试验中卷贝每日摄食量达到其自身体重的数倍,但由于所排遗的粪便量也大,所以其 减量效果有限。不同种属的微型动物,由于摄食导致固态 C 向液态和气态 C 转变的比例也不 完全相同,如卷贝对污泥的减量速率中对液态和气态 C 转变比例相近,而其他三种动物都是 气态 C 要大于液态 C。
在同一种属中也可能由于体型大小不同而导致污泥减量速率不同。红斑顠体虫减量速率 要略高于颤蚓,主要的原因是红斑顠体虫较小,比表面积较颤蚓大,所耗散的能量高,对污 泥的减量速率高。
4 结论 1) 通过测量特定系统非固态 C 增加速率确定微型动物对污泥的减量速率的试验方法和直接
测量(体型较大的颤蚓和卷贝)结果相近,与间接测量(体型较小的红斑顠体虫)结果 一致; 2) 通过该方法确定常见的四种微型动物:红斑顠体虫、蚤状溞、颤蚓和卷贝对污泥的减量 速率分别为 0.8、0.06、0.5 和 0.04mg-sludge/mg-microfauna?d; 3) 不同微型动物对污泥减量的比例与微型动物种类和体型有关,较小体型的微型动物的减 量速率相对较高,同时寡毛纲环节动物的减量速率相对节肢动物和软体动物对污泥的减 量比例要高;
参考文献
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A method of determining sludge reduction rates caused by four micro-faunas’ predation
LIANG Peng, HUANG Xia, QIAN Yi
(ESPC State Key Laboratory, Department of Environmental Science and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084)
ABSTRACT:Using microfauna to reduce excess sludge is a potentially effective ecological technology and scaling the rate of sludge reduction rate is the first step. A method to scale the rate of sludge reduction caused by microfauna was proposed, and comparison of sludge reduction rates induced by four microfaunas was carried out. The principle of this method is based on the change of carbon forms. The rate of sludge reduction was correlated with the rate at which solids were changed into liquid and gas. Four microfaunas, including Aeolosoma hemprichi, Daphnia magna, Tubifex tubifex and Physa acuta, were cultured with sterilized sludge in a covered sterilized bottle and were then isolated from the atmosphere above the liquid phase. The rates of sludge reduction using the four microfaunas were 0.8, 0.18, 0.54 and 0.1 mg-sludge/(mg-Microfauna?d) respectively, changing with the microfaunas’ phylum or class and body size. Based on the change of carbon (C) forms, the proposed method produced accurate results similar to those produced using the direct measuring method.
Key words: Sludge reduction rate, micro-fauna, predator
* 责任作者, 教授, 博士, xhuang@tsinghua.edu.cn
注:本文主要内容在英文文章Determination and comparison of sludge reduction rates caused by microfaunas’ predation (被Bioresource Technology接收)
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