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不同填料负载水蚯蚓的污泥减量研究 艾翠玲1何新宇1雷英杰2 1. 福州大学土木工程学院， 福州 350108; 2. 天津理工大学化学 化工学院， 天津 300384 摘要 为了研究水蚯蚓污泥捕食减量化， 在两种填料上负载水蚯蚓进行污泥减量效果对比试验研究。研究结果表明 水蚯蚓可在组合填料的生物膜上大量繁殖生长并摄食污泥， 利用组合填料负载水蚯蚓降低剩余污泥产率效果非常明 显， 投加和未投加水蚯蚓反应器的平均剩余污泥产率分别为 0. 0115， 0. 2353 g/g; 而弹性填料负载水蚯蚓的反应器污 泥减量效果不明显， 投加和未投加水蚯蚓反应器的平均剩余污泥产率分别为 0. 1556， 0. 1831 g/g。弹性填料不适于负 载水蚯蚓。由于水蚯蚓的捕食作用使反应器中污泥的沉降性能得到改善和提高， 污泥中有机物所占比率下降。 关键词 填料; 水蚯蚓; 活性污泥; 减量化 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201408023 THE ACTIVATED SLUDGE ＲEDUCTION THＲOUGH PＲEDATION OF TUBIFEX IN DIFFEＲENT FILLEＲS Ai Cuiling1He Xinyu1Lei Yingjie2 1. College of Civil Engineering，Fuzhou University，Fuzhou 350108，China; 2. School of Chemistry ＆ Chemical Engineering，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China AbstractIn order to investigate the effect of activated sludge reduction through predation of tubifex，two different loading fillers were researched． The results indicated that in the case of biofilm with combined filler，tubifex could obviously decrease sludge yield． The reactor’ s average residual yield was 0. 0115，0. 2353 g/g in the control and worm reactor respectively． While in the case of the elastic filler，the reactor’ s average residual yield was 0. 1556，0. 1831 g/g in the control and worm reactor． It can be concluded that elastic filler is unfit for the loading of tubifex on sludge reduction． Anyway，the settleability of sludge could be improved and the proportion of the organics be decreased in excess sludge due to predation of tubifex． Keywordsloading filler;tubifex;activated sludge;reduction 收稿日期 2013 －09 －05 0引言 利用生物捕食原理来减少污泥产量， 被认为是一 种经济有效的方法 ［1- 11 ］。利用寡毛类蠕虫摄食污泥 来进行污泥减量， 近年来成为众多学者研究的热 点 ［ 3、 11- 17 ］。附着型寡毛类蠕虫 水蚯蚓受环境影响 小， 生长稳定， 在无污染和严重污染水体中均能存活， 因而在生物捕食污泥减量方面可能比其他原后生动 物更具污泥减量潜力［18- 19 ］。 水蚯蚓以泥土中的细菌、 有机碎屑及底栖藻类为 食， 有时也会摄食泥土中的一些微型动物， 最适生长 温度为 25 ～28 ℃， 喜阴。活性好时， 身体呈红色， 对 外界刺激反应敏感; 外部环境恶劣时抱团生长， 死亡 后身体伸长而僵直， 颜色由红变为黄白色。 本文主要研究水蚯蚓附着在不同填料上的生长 状况以及污泥减量效果， 为水蚯蚓应用于污泥减量工 程提供理论基础。 1实验部分 1. 1实验材料 本实验接种污泥取自福州祥坂污水处理厂好氧 池中剩余污泥， 取样后立刻进行实验处理。废水采用 人工配制， 以葡萄糖为碳源， 碳酸氢铵为氮源， 磷酸氢 二钾为磷源， ρ BOD5 ∶ ρ N ∶ ρ P100∶ 5∶ 1， 同时 投加必要的微量元素并采用 NaHCO3调节 pH。各组 成成分每升含 C6H12O6500 ～550 mg; NH4HCO3180 mg; K2HPO435 mg; NaHCO340 mg; MgCl2 6H2O 50 mg; CaCl210 mg; Fe2SO4 7H2O 18 mg; CoCl2 6H2O 2. 5 mg; 69 环境工程 Environmental Engineering ZnCl20. 5 mg; NiCl2 6H2O 0. 5 mg; KI 2. 5 mg; H3BO3 0. 5 mg; 钼酸铵 0. 5 mg; MnCl2 6H2O 2. 5 mg。 1. 2实验方法 本实验所用装置为4 个18L 反应器 污泥混合液 体积为 15L ， 分别为 1 号、 2 号、 3 号和 4 号。1 号、 2 号采用组合填料作为载体， 3 号和 4 号采用立体弹性 填料作为载体。1 号、 3 号中投加水蚯蚓， 2 号、 4 号不 投加水蚯蚓作为对照实验。1 号、 2 号中分别放入 3 组组合填料， 每组 3 片。3 号、 4 号分别放 30 cm 长的 立体弹性填料。填料排布方式如图 1 所示。 图 1填料排布方式 Fig．1Schematic diagram of the filler arrangement 反应器中混合液培养方式类似于 SBＲ， 每天停止 曝气沉淀2 h， 排除上清液10 L， 然后加入等量人工配 制污水， 继续曝气。 每隔 2 d 分别从 4 个反应器中取出一定量污泥 混合液测量 MLSS、 MLVSS、 SV。 1. 3测试方法 样品 COD、 MLSS 和 MLVSS 测定参照文献［ 20］ ; SV 测定参照文献［ 21］ 。 污泥产率根据式 1 进行计算 Y Δρ MLVSS Δρ COD ρ MLVSSni－ ρ MLVSSi n ρ CODin－ ρ CODout 1 式中 Y 为污泥产率， g/g; ρ MLVSSi 为第 i 天污泥浓 度， g/L; ρ MLVSSn i 为第 n i 天污泥浓度， g/L; ρ CODin 、 ρ CODout 分别为进、 出水 COD 浓度， g/L。 2实验结果及分法 2. 1水蚯蚓在不同填料上的生长情况对比 在实验第一阶段， 水蚯蚓投加量 15 g 湿重 ， 培 养16 d， 水蚯蚓在两种填料上负载数量均较少。实验 第二阶段又继续投加 30 g 湿重 水蚯蚓， 发现组合 填料上繁殖出大量水蚯蚓， 由于新长出生物膜的速度 远低于水蚯蚓摄食污泥的速度， 所以在实验后期生物 膜变得很薄， 而弹性填料生物膜上水蚯蚓数量很少， 而且反应器内也只有少许水蚯蚓。 组合填料和弹性填料上水蚯蚓个体如图 2 所示。 图 2弹性填料和组合填料上的水蚯蚓个体 Fig．2The growth condition of tubifex on elastic filler and combined filler 组合填料上有大量图 2b 所示的体型较大处于繁 殖期的水蚯蚓， 所以组合填料反应器内的水蚯蚓数量 一直呈上升趋势。弹性填料由于生物膜较薄， 处于繁 殖期较大的水蚯蚓无法负载在弹性填料上而掉入反 应器中， 所以弹性填料上的水蚯蚓只有图 2a 所示的 小型水蚯蚓， 并且其无法在弹性填料上进行正常繁殖 活动， 所以弹性填料反应器内的水蚯蚓数量一直呈下 降趋势， 充分说明弹性填料不适合负载水蚯蚓。 2. 2水蚯蚓在不同填料上的污泥减量效果分析 实验第一阶段 1 号、 2 号和 3 号、 4 号反应器中的 MLVSS 变化如图 3 所示。 图 3第一阶段反应器 1 号、 2 号和 3 号、 4 号中 MLVSS 变化情况 Fig．3The change of MLVSS in reactors No．1，No．2， No．3 and No．4 during the first stage 反应器中的 MLVSS 增长速率相差不大。在该阶 段， 1 号、 3 号由于水蚯蚓摄食生物膜上的污泥时不断 蠕动造成有部分生物膜脱落到反应器中， 使 1 号、 3 号 MLVSS 在某些时段略大于 2 号、 4 号。 实验第二阶段1 号、 2 号和3 号、 4 号中的 MLVSS 变化如图 4 所示。 由图 4 可看出 2 号 MLVSS 增长速率一直高于 1 号。在该阶段开始时， 2 个反应器分别排出不同体积 的污泥混合液， 使 2 个反应器中的初始污泥浓度大致 相同， 然后在 1 号加入 30 g 湿重 水蚯蚓。该阶段 为水蚯蚓的爆发阶段， 生物膜上布满水蚯蚓。由于水 79 固废处理与处置 Solid Waste Treatment and Disposal 图 4第二阶段 1 号、 2 号和 3 号、 4 号中 MLVSS 变化情况 Fig．4The change of MLVSS in reactors No． 1，No． 2， No．3 and No． 4 during the second stage 蚯蚓的大量摄食， 生物膜逐渐变薄， 反应器中新长出 的污泥重新附在生物膜上被摄食， 使反应器中的污泥 产率降低。 3 号 MLVSS 增长略低于 4 号。在该阶段开始 时， 采用与 1 号、 2 号同样的操作， 排出一定量污泥和 添加水蚯蚓。3 号内的水蚯蚓并没有像 1 号那样大 量繁殖， 这可能是由于弹性填料上的生物膜较薄， 只 有部分水蚯蚓附着在生物膜上， 大部分掉落到反应器 内， 并且反应器中的水蚯蚓受到曝气扰动影响使其摄 食污泥的速率较低。 实验后期 1 号、 2 号和 3 号、 4 号中的 MLVSS 变 化如图 5 所示。 图 5实验后期 1 号、 2 号和 3 号、 4 号中 MLVSS 变化 Fig．5The change of MLVSS in reactors No． 1，No． 2， No．3 and No． 4 during the later stage 由图 5 可看出 此阶段 1 号 MLVSS 基本没有出 现增长。在该阶段开始时， 2 个反应器分别排出不同 体积的污泥混合液使 2 个反应器中的初始污泥浓度 大致相同， 反应器中不再继续投加水蚯蚓。由于水蚯 蚓大量繁殖， 1 号存在大量水蚯蚓， 摄食生物膜上的 污泥， 使生物膜变薄导致大量水蚯蚓掉落到反应器 中， 新长出的污泥部分附着在生物膜上被摄食， 部分 在反应器中被摄食， 导致剩余污泥产率出现负数。 3 号、 4 号中水蚯蚓的数量不但没有增加反而大 量减少， 主要原因 1 大型水蚯蚓无法附着在弹性填 料的生物膜上进行繁殖活动; 2 大型水蚯蚓掉入反 应器中易受到曝气扰动的影响而死亡。从图 5 还可 看出 该阶段 3 号水蚯蚓反应器并没有出现污泥减量 效果。 综上所述， 组合填料用来负载水蚯蚓具有良好的 污泥减量效果， 而弹性填料不适合用来负载水蚯蚓。 整个实验过程中， 1 号、 2 号和 3 号、 4 号的污泥 产率如图 6 所示。 图 6 1 号、 2 号和 3 号、 4 号在不同阶段的污泥产率 Fig．6Sludge production rate in reactors No．1，No．2， No．3 and No．4 under different stages 由图 6 可看出 实验第一阶段， 2 号污泥产率高 于对照反应器， 其平均污泥产率分别为 0. 1651， 0. 1369 g/g。这可能是由于此时水蚯蚓数量不大， 基 本附着于生物膜上， 摄食污泥时不断蠕动使部分生物 膜脱落， 导致反应器内污泥浓度 MLVSS 升高。第二 阶段， 水蚯蚓大量摄食生物膜上的污泥， 而且新长出 的污泥部分又附着在生物膜上被摄食， 使 1 号平均污 泥产率低于 2 号 20， 分别为 0. 1937， 0. 2580 g/g。 实验后期， 水蚯蚓的摄食速率与剩余污泥的增长速率 基本相当， 1 号、 2 号污泥产率分别为0.0115， 0.2353 g/g， 由此可看出水蚯蚓具有很强的污泥减量能力。 3 号、 4 号 平 均 污 泥 产 率 相 差 不 大， 分 别 为 0. 1975， 0. 2122 g/g。这可能是由于弹性填料上负载 的水蚯蚓量比较少， 致使摄食的污泥量较少。第二阶 段， 弹性填料和反应器内都有一定数量的水蚯蚓， 但 水蚯蚓并没有像组合填料上的水蚯蚓那样大量繁殖， 此时 2 个反应器中的平均污泥产率分别为 0. 1556， 0. 1831 g/g。实验后期， 水蚯蚓大量死亡造成弹性填 料水蚯蚓反应器没有任何污泥减量效果， 甚至水蚯蚓 89 环境工程 Environmental Engineering 的尸体被污泥里的微生物分解从而导致了 3 号 MLVSS 增加， 此时 3 号、 4 号的平均污泥产率分别为 0. 1980， 0. 1769 g/g。 2. 3水蚯蚓对反应器中污泥 fv 的影响分析 整个实验过程 1 号、 2 号和 3 号、 4 号污泥的 fv MLVSS/MLSS 值的变化如图 7 所示。 图 7 1 号、 2 号和 3 号、 4 号中污泥 fv 值的变化 Fig．7The changes of fv in reactors No． 1，No． 2，No． 3 and No．4 由图 7 可看出 1 号污泥 fv 值总体呈下降趋势， 而 2 号 fv 值呈上升趋势。在第一阶段 1 号 fv 值维持 在 0. 78 ～0. 80， 而 2 号 fv 值从 0. 77 上升到 0. 88， 然 后趋于稳定。第二阶段 1 号由于水蚯蚓的爆发不断 吞食生物膜上的污泥， 使污泥有了一定程度的矿化， 蚓粪大量掉落到反应器中， 使反应器内的污泥 fv 值 从 0. 78 下降到 0. 75 左右。而 2 号污泥 fv 值维持在 0. 85 左右。实验后期， 1 号污泥 fv 值处于0. 75 左右， 最终达到 0. 76。说明水蚯蚓的摄食和剩余污泥的增 长处于一个相对平衡的状态。2 号污泥 fv 值从 0. 82 上升到 0. 89 后保持平衡状态。 3 号、 4 号污泥 fv 值总体呈上升趋势。第一阶 段 3 号 fv 值从 0. 82 上升到 0. 87 后又下降到 0. 83， 而 2 号 fv 值从 0. 81 振荡上升到 0. 87 后趋于稳定。 第二阶段 由于 3 号中又加入一定量水蚯蚓， 虽然反 应器内的污泥 fv 值从0. 84 振荡上升至0. 87 左右， 但 污泥 fv 值均略低于 4 号， 4 号污泥 fv 值从 0. 85 上升 至 0. 90 左右， 说明该阶段 3 号摄食污泥也有一定的 矿化作用。实验后期， 由于水蚯蚓大量死亡， 3 号污 泥 fv 值从 0. 87 上升至 0. 89 左右并趋于稳定。而 4 号污泥 fv 值一直维持在 0. 89 左右。 2. 4水蚯蚓对反应器中污泥 SVI 的影响分析 实验第一阶段 1 号、 2 号、 3 号和 4 号反应器中污 泥混合液 SVI 值的变化如图 8 所示。 第一阶段， 水蚯蚓对反应器内污泥 SVI 值改变均 图 8第一阶段 1 号、 2 号和 3 号、 4 号污泥混合液 SVI 值的变化 Fig．8The change of SVI in reactors No．1，No．2， No．3 and No．4 during the first stage 不明显。Huang［10 ］等发现， 在反应器中蚯蚓密度小于 3 300 mg/L 时， 反应器内污泥的 SVI 值受到的影响并 不明显。而本阶段水蚯蚓反应器内的水蚯蚓投加量 为 1 g/L， 这可能是造成本阶段 SVI 值改变不明显的 原因。 第二阶段 1 号、 2 号、 3 号和 4 号中污泥混合液 SVI 值的变化如图 9 所示。 图 9第二阶段 1 号、 2 号和 3 号、 4 号污泥混合液 SVI 值的变化 Fig．9The change of SVI in reactors No．1，No．2， No．3 and No．4 during the second stage 在第 21 天时， 水蚯蚓反应器中污泥 SVI 值出现 下降， 而对照反应器中污泥 SVI 继续上升。1 号污泥 SVI 值在第二阶段最终达到 60 mg/L 左右， 2 号最终 达到90 mg/L 左右。其原因为 1 水蚯蚓能捕食分散 的细菌和污泥碎片; 2 水蚯蚓在污泥中蠕动时建立 和打通了污泥颗粒间空隙水向上传播的通道，从而 导致高效的固液分离［22 ］; 3 蚓粪具有较快的沉降速 度， 从而改善污泥的沉降性能。Wei 等 ［5- 6 ］和张邵园 等 ［23 ］在研究寡毛类蠕虫污泥减量时同样发现蠕虫具 有显著的集聚污泥和改善污泥沉降性能的能力， 并且 污泥的 SVI 值与蠕虫种群密度高度相关。 3 号污泥 SVI 值在第二阶段最终达到 67 mg/L 99 固废处理与处置 Solid Waste Treatment and Disposal 左右， 4 号最终达到 85 mg/L 左右。 实验后期 1 号、 2 号、 3 号和 4 号中污泥混合液 SVI 值变化如图 10 所示。 图 10实验后期 1 号、 2 号和 3 号、 4 号污泥混合液 SVI 值变化 Fig．10The change of SVI in reactors No． 1，No． 2， No．3 and No． 4 during the later stage 由图 10 可看出 1 号污泥 SVI 值维持在 50 mg/L 左右， 2 号污泥 SVI 值从 70 mg/L 上升到 90 mg/L 左 右。3 号污泥 SVI 值维持在 50 mg/L 左右， 4 号污泥 SVI 值从 65 mg/L 上升到80 mg/L 左右。3 号在实验 后期仅有极少量水蚯蚓存活， 但SVI 却维持在50 mg/L 左右， 可能是由于在第二阶段水蚯蚓在反应器内留下 大量蚓粪， 而蚓粪的沉降速度大于活性污泥， 从而改 善了污泥整体的沉降性能。 3结论 1 水蚯蚓可在组合填料的生物膜上大量繁殖生 长并摄食污泥， 弹性填料不适宜负载水蚯蚓。 2 利用组合填料负载水蚯蚓降低剩余污泥产率效 果非常明显， 投加和未投加水蚯蚓的反应器平均剩余 污泥产率分别为 0. 0115， 0. 2353 g/g; 而弹性填料负载 水蚯蚓的污泥减量效果不明显， 投加和未投加水蚯蚓 反应器的平均剩余污泥产率分别为0.1556， 0.1831 g/g。 3 水蚯蚓的捕食作用可加快污泥沉降速率， 改 善污泥沉降性能， 从而导致污泥 fv 值下降。 参考文献 ［1］Wei Y S， Van Houten Ｒ T， Borger A Ｒ， et al． Minimization of excess sludge production for biological wastewater treatment［J］． Water Ｒesearch， 2003， 37 18 4453- 4467. ［2］Wei Y S ，van Houten Ｒ T， Borger A Ｒ， et al． Comparison perances of membrane bioreactor and conventional activated sludge processesonsludgereductionbyOligochaete ［J］． Environmental Science ＆ Technology， 2003， 37 14 3171- 3180. ［3］魏源送， 樊耀波． 蠕虫污泥减量效果及其影响因素分析［J］． 环 境科学， 2005， 26 1 76- 83. ［4］梁鹏， 黄霞， 钱易． 污泥减量化技术的研究进展［J］． 环境污染 治理技术与设备， 2003， 4 1 44- 52. ［5］Wei Y S，Liu J X． The discharged excess sludge treated by Oligochaeta［J］． Water Science and Technology， 2005， 52 10/ 11 265- 272. ［6］Wei Y S， Liu J X． Sludge reduction with a novel combined worm- reactor［J］． Hydrobiologia， 2006， 564 1 213- 222. ［7］Liang P， Huang X， Qian Y， et al． Determination and comparison of sludge reduction rates caused by microfaunas predation［J］． Bioresource Technology， 2006， 97 6 854- 861. ［8］Ｒatsak C H， Verkuijlen J． Sludge reduction by predation activity of aquatic oligochaetes in wastewater treatment plantsscience or fictionA review［J］． Hydrobiologia， 2006， 564 1 197- 211. ［9］Elissen H J H， Hendrickx T L G， Temmink H， et al． A new reactor concept for sludge reduction using aquatic worms［J］． Water Ｒesearch， 2006， 40 20 3713- 3718. ［ 10］Huang X， Liang P， Qian Y． Excess sludge reduction induced by tubifex in a recycled sludge reactor［J］． Journal of Biotechnology， 2007， 127 3 443- 451. ［ 11］Liang P， Huang X， Qian Y． Excess sludge reduction in activated sludge process through predation of Aeolosoma hemprichi［J］． Biochemical Engineering Journal， 2006， 28 2 117- 122. ［ 12］梁鹏， 黄霞， 钱易． 利用红斑顠体虫减少剩余污泥产量的研究 ［J］． 中国给水排水， 2004， 20 1 13- 17. ［ 13］魏源送， 樊耀波． 污泥减量技术的研究及其应用［J］． 中国给水 排水， 2001， 17 7 23- 26. ［ 14］Ghyoot W， Verstraete W． Ｒeduced sludge production in a two- stage membrane- assisted bioreactor［ J］ ． Wat Ｒes， 2000， 34 1 205- 215. ［ 15］魏源送， van H Ｒ T， Borger A Ｒ，等． 蠕虫在膜生物反应器和活 性污泥法中的污泥减量研究［J］． 环境科学学报， 2004， 24 3 405- 412. ［ 16］Hendrickx T L G， Temmink H， Elissen H J H， et al． Design parameters for sludge reduction in an aquatic worm reactor［J］． Wat Ｒes， 2010， 44 3 1017- 1023. ［ 17］杨健， 杨键， 杨居川． 水力负荷对蚯蚓生物滤池污水处理效果的 影响［J］． 环境科学， 2008， 29 7 1890- 1896. ［ 18］Wei Y S， van Houten Ｒ T， Borger A Ｒ， et al． Minimization of excess sludge production for biological wastewater treatment［J］． Water Ｒesearch， 2003， 37 18 4453- 4467. ［ 19］Eikelboom D H． Process Control of Activated Sludge Plants by Microscopic Investigation［M］． UK IWA Publishing， 2000. ［ 20］国家环境保护局． 水和废水监测分析方法［M］． 3 版． 北京 中 国环境科学出版社， 1997. ［ 21］张自杰． 排水工程［ M］ ．4 版． 北京 中国建筑工程出版社， 2000. ［ 22］诸晖，魏源送，杨宇， 等． 颤蚓污泥减容效果及其影响因素分 析［J］． 环境科学学报， 2008， 28 6 1141- 1148. ［ 23］张绍园． 膜分离与生物降解组合工艺处理受污染水研究［D］． 北京 中国科学院生态环境研究中心， 2000 19- 52. 第一作者 艾翠玲 1969 － ， 女， 副教授， 博士， 主要研究方向为水处理 理论与技术。aicuiling163． com 001 环境工程 Environmental Engineering