夏季高溫下污水處理廠生物處理系統(tǒng)強(qiáng)化方法
中國(guó)污水處理工程網(wǎng) 時(shí)間：2019-2-6 9:46:57
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硝化菌適宜的生長(zhǎng)溫度范圍為15~35℃, 當(dāng)水溫高于35℃時(shí), 污水生物處理系統(tǒng)的硝化效果開(kāi)始變差.例如, Shore等的研究發(fā)現(xiàn), 水溫30℃時(shí)氨氮去除率高達(dá)95%, 而水溫超過(guò)42℃后, 氨氮去除率降至35%.在中國(guó)南方地區(qū), 夏季高溫常會(huì)使污水生物處理系統(tǒng)的硝化功能降低[3].針對(duì)夏季高溫的污水生物處理的硝化強(qiáng)化技術(shù)有廣泛而迫切的需求.
Shore等通過(guò)投加一定量的30℃馴化硝化污泥, 能快速恢復(fù)受42℃沖擊下的生物系統(tǒng)的硝化效果, 氨氮去除率從35%提升至60%, 且強(qiáng)化效果可維持較長(zhǎng)時(shí)間, 因此中溫硝化污泥能夠恢復(fù)高溫下崩潰的硝化系統(tǒng).但其他研究者提出, 中溫環(huán)境下培養(yǎng)的硝化菌經(jīng)高溫馴化后, 其對(duì)夏季高溫沖擊后的污水生物處理系統(tǒng)的硝化強(qiáng)化效果更好.例如, Lopezvazquez等選取水溫為34℃的油廠活性污泥作為接種泥, 在35~55℃之間培養(yǎng)獲得耐45℃的高溫硝化菌, 相比于在34℃富集的硝化菌, 所獲得的耐45℃高溫硝化菌對(duì)40℃下崩潰的生物處理系統(tǒng)硝化強(qiáng)化效果更顯著. Courtens等從35℃的堆肥設(shè)備中篩選出的硝化菌, 經(jīng)高溫培養(yǎng), 獲得耐50℃的硝化污泥, 將其投加受42℃沖擊的生物處理系統(tǒng)中, 其硝化強(qiáng)化效果持續(xù)到試驗(yàn)結(jié)束, 而投加35℃富集的硝化污泥的僅維持了2 d.
為探究城市污水處理廠夏季受高溫沖擊后的活性污泥的硝化性能及恢復(fù)方法, 本文以江蘇省宜興市新建污水處理廠為例, 研究了好氧池活性污泥在30~45℃之間的硝化效果及微生物群落變化, 同時(shí)比對(duì)中溫富集硝化污泥高溫馴化前后對(duì)受高溫沖擊的生物處理系統(tǒng)的硝化強(qiáng)化效果, 探究污水處理廠應(yīng)對(duì)夏季高溫的硝化強(qiáng)化方法, 以期為工程應(yīng)用提供技術(shù)參考.
1 材料與方法1.1 好氧池活性污泥的溫度影響試驗(yàn)1.1.1 試驗(yàn)裝置及運(yùn)行條件
為考察溫度對(duì)宜興市新建污水處理廠好氧池活性污泥的硝化活性的影響, 采用序批式反應(yīng)器(圖 1), 共運(yùn)行50 d, 按水溫將試驗(yàn)分為五階段:第一階段(1~15 d), 水溫30℃; 第二階段(16~22 d), 水溫35℃; 第三階段(23~29 d), 水溫40℃; 第四階段(30~33 d), 水溫45℃; 由于反應(yīng)器內(nèi)硝化效率大幅降低, 為防止不可逆轉(zhuǎn)性硝化功能崩潰, 第五階段(34~50 d)重新把反應(yīng)器內(nèi)水溫降低至40℃.
圖 1
序批式反應(yīng)器有效容積2 L, 水力停留時(shí)間(hydraulic retention time, HRT)為24 h.運(yùn)行模式:每天運(yùn)行4個(gè)周期, 每個(gè)周期6 h, 其中進(jìn)水20 min、曝氣260 min、沉降60 min、出水20 min.裝置通過(guò)水浴加熱, 使水溫維持在設(shè)定溫度.
接種污泥取自宜興市新建污水處理廠的好氧池, 該污泥的混合液懸浮固體濃度(mixed liquor suspended solid, MLSS)、混合液揮發(fā)性懸浮固體濃度(mixed liquor volatile suspended solid, MLVSS)和硝化活性分別為3.7 g ·L-1、2.2 g ·L-1、(3.5±0.5) mg ·(L ·h)-1.接種后初始污泥濃度(MLSS)為4 g ·L-1左右.
1.1.2 試驗(yàn)用水
進(jìn)水組成參照課題組前期研究, 含硫酸銨、碳酸氫鈉、磷酸鹽緩沖溶液.其中, 硫酸銨提供氮源, 進(jìn)水氨氮濃度為50~150 mg ·L-1; 碳酸氫鈉提供堿度, 氨氮和碳酸氫鈉質(zhì)量比為9 :1;磷酸鹽緩沖溶液(磷酸氫二鉀和磷酸二氫鉀)0.05 mol ·L-1, 用于提供磷源并調(diào)節(jié)pH.
混合液pH保持在7.0~7.5, DO保持在2~4 mg ·L-1, 試驗(yàn)期間除采樣外不排泥.進(jìn)水氨氮濃度1~4 d為50 mg ·L-1[氨氮容積負(fù)荷0.05 kg ·(m3 ·d)-1], 5~19 d提高至100 mg ·L-1[氨氮容積負(fù)荷0.10 kg ·(m3 ·d)-1], 20 d后提高至150 mg ·L-1[氨氮容積負(fù)荷0.15 kg ·(m3 ·d)-1].
1.2 中溫富集硝化污泥的高溫馴化試驗(yàn)
高溫馴化試驗(yàn)共運(yùn)行94 d, 主要是考察在溫度較高條件下硝化污泥的硝化活性變化.馴化裝置同圖 1, 有效容積擴(kuò)大至10 L; 進(jìn)水成分與1.1節(jié)相同, 但為了提高硝化污泥的氨氮去除能力, 大幅提高進(jìn)水氨氮濃度至750 mg ·L-1, 并且投加有機(jī)碳源提供100 mg ·L-1 COD, 以減緩污泥絮體在高溫下的解體.
接種污泥取自前期試驗(yàn)的中溫硝化污泥, 該污泥的MLSS、MLVSS和硝化活性分別為12.05 g ·L-1、7.48 g ·L-1、(62.5±5) mg ·(L ·h)-1.經(jīng)過(guò)稀釋, 初始接種MLSS為4.5 g ·L-1左右, 反應(yīng)器內(nèi)pH在7.0~8.0, DO在2~4 mg ·L-1, 全程除采樣外不排泥.反應(yīng)器內(nèi)水溫變化分5個(gè)階段逐步提高:第一階段(1~15 d), 水溫30℃; 第二階段(16~22 d), 水溫35℃; 第三階段(23~29 d), 水溫40℃; 第四階段(30~41 d), 水溫45℃; 第五階段(42~94 d), 水溫為40℃.由于硝化系統(tǒng)未見(jiàn)好轉(zhuǎn), 第52 d投加10%(體積分?jǐn)?shù))的原接種泥進(jìn)行恢復(fù).
1.3 模擬夏季溫度沖擊下的硝化強(qiáng)化試驗(yàn)
為考察經(jīng)40℃馴化前后的中溫富集硝化污泥強(qiáng)化受高溫沖擊生物處理系統(tǒng)的效果差異, 平行運(yùn)行A、B兩個(gè)反應(yīng)器.試驗(yàn)裝置、運(yùn)行模式、試驗(yàn)用水同1.1節(jié), 接種污泥為宜興市新建污水處理廠的好氧池活性污泥, 初始MLSS為4 g ·L-1.反應(yīng)器共運(yùn)行40 d, 混合液pH保持在7.0~7.5, 水溫為40℃, DO保持在2~4 mg ·L-1, 全程除采樣外不排泥.
在40℃水溫下, 首先通過(guò)階梯式提高進(jìn)水氨氮濃度, 給生物處理系統(tǒng)制造高氨氮沖擊. 1~15 d, 進(jìn)水氨氮濃度為30~400 mg ·L-1, 第16 d起提高進(jìn)水氨氮至(550±10) mg ·L-1.反應(yīng)器A使用1.2節(jié)40℃馴化硝化污泥進(jìn)行強(qiáng)化, 硝化活性(60±5) mg ·(L ·h)-1, MLSS為(3±0.5) g ·L-1; 反應(yīng)器B使用本課題組同期研究中的中溫富集硝化污泥, 硝化活性和MLSS都與反應(yīng)器A類似, 分別為(62.5±5) mg ·(L ·h)-1、(3.5±0.6) g ·L-1.在運(yùn)行的第24 d、30 d和35 d分別投加為1%(體積分?jǐn)?shù))、5%(體積分?jǐn)?shù))和10%(體積分?jǐn)?shù))的馴化前后的中溫硝化污泥.
1.4 分析測(cè)定項(xiàng)目
氨氮(P276)、亞硝態(tài)氮(P268)、硝態(tài)氮(P258), MLSS(P105)、MLVSS(P106)的測(cè)定參照標(biāo)準(zhǔn)方法.溫度、pH的測(cè)定采用日本東亞電波株式會(huì)社的便攜式pH計(jì)(DKK-TOA HM-30P); DO測(cè)定使用日本東亞電波株式會(huì)社的便攜式溶解氧儀(DKK-TOA HM-31P).
微生物生物相委托生工生物工程(上海)股份有限公司進(jìn)行宏基因組測(cè)序, 分別于第19 d(35℃)、23 d(40℃)、32 d(45℃)平行采集3個(gè)1 mL的1.1節(jié)活性污泥, 保存于-70℃[9], 用于測(cè)序分析.每個(gè)樣本讀取指定的條碼, 然后通過(guò)0.20.4版本的PRINSEQ(http://prinseq.sourceforge.net)進(jìn)行質(zhì)量分析控制; 使用1.2.3版本的FLASH(http://sourceforge.net/projects/flashpage)讀取合并后的原始DNA片段; 利用UCHIME 4.1版本(http://www.drive5.com/uchime/uchime_download.html)開(kāi)展鏈?zhǔn)椒磻?yīng), 獲得的序列根據(jù)核糖體數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行校準(zhǔn), 依據(jù)伯杰分類系統(tǒng)項(xiàng)目分類.具體聯(lián)系污水寶或參見(jiàn)http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
2 結(jié)果與討論2.1 好氧池活性污泥硝化效率受溫度的影響
溫度對(duì)宜興市新建污水處理廠好氧池活性污泥的氨氮去除率的時(shí)間變化如圖 2所示. 1~15 d, 在30℃和進(jìn)水氨氮濃度為50~100 mg ·L-1的條件下, 氨氮去除率穩(wěn)定達(dá)到99%. 16~22 d, 水溫升高至35℃, 進(jìn)水氨氮提高至150 mg ·L-1, 氨氮去除率達(dá)到100%. 23~29 d, 繼續(xù)升高溫度至40℃, 反應(yīng)器的氨氮去除率下降至90%左右. 30~33 d繼續(xù)把水溫升高至45℃, 氨氮去除率降低至40%.上述反應(yīng)器氨氮去除率隨溫度的變化現(xiàn)象, 與Grunditz等研究發(fā)現(xiàn)的反應(yīng)器在40℃下能夠穩(wěn)定運(yùn)行但45℃硝化效率嚴(yán)重下降的試驗(yàn)結(jié)果一致.此外, Bae也得出了類似的結(jié)論.第34 d將水溫降至40℃, 運(yùn)行5 d后, 反應(yīng)器的氨氮去除率并未恢復(fù), 反而繼續(xù)下降. Sudarno等發(fā)現(xiàn)硝化系統(tǒng)在50℃下被破壞, 通過(guò)降溫至22℃難以恢復(fù)硝化功能, 重新接種污泥反應(yīng)器才能重新運(yùn)行.因此, 第38 d, 重新向反應(yīng)器中投加了10%(體積分?jǐn)?shù))的原接種泥, 9 d后氨氮去除率恢復(fù)到90%以上, 說(shuō)明投泥進(jìn)行強(qiáng)化是一種快速恢復(fù)受高溫沖擊生化系統(tǒng)硝化功能的可行方法.上述結(jié)果表明, 來(lái)源于中溫環(huán)境的活性污泥在40℃以上的環(huán)境中硝化性能將受影響.這與很多研究者的觀點(diǎn)相一致, 很多研究表明硝化菌的酶系統(tǒng)在40℃以上環(huán)境中會(huì)受到破壞, 從而導(dǎo)致硝化功能下降, 因此難以自行修復(fù).進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn), 可能是參與硝化過(guò)程的氨單加氧酶(ammonia monooxygenase, AMO)被破壞, 利用粗酶提取法, 得到40℃時(shí)氨單加氧酶的活性低于30℃.
圖 2
MLSS和MLVSS隨運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)而降低, 如圖 3所示.運(yùn)行34 d后, MLSS從4 g ·L-1逐步下降至2.5 g ·L-1, 可能有兩方面原因:一方面, 接種污泥中含有異養(yǎng)菌, 而進(jìn)水基質(zhì)未添加有機(jī)碳源, 導(dǎo)致異養(yǎng)菌沒(méi)有足夠的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行生長(zhǎng); 另一方面, 試驗(yàn)溫度最高為45℃, 有研究表明, 40℃以上會(huì)導(dǎo)致污泥絮體不易成團(tuán), 導(dǎo)致微生物游離, 部分微生物隨出水流失.第38 d重新投加了10%(體積分?jǐn)?shù))接種污泥, MLSS也出現(xiàn)相似的下降情況, 最終MLSS為2 g ·L-1, 但MLSS的降低并未影響氨氮去除率, 推測(cè)MLSS降低的主要原因?yàn)楫愷B(yǎng)菌數(shù)量的減少.
圖 3
2.2 不同溫度下活性污泥微生物相分析
在不同溫度下, 2.1節(jié)的好氧池活性污泥中豐度前10的屬水平的微生物群落結(jié)構(gòu)分布如圖 4所示.微生物的群落組成在中溫和高溫條件下有所不同, 這與文獻(xiàn)中報(bào)道相一致.不同溫度下的活性污泥的優(yōu)勢(shì)菌屬均為假單胞菌屬(Pseudomonadales)和伯克氏菌屬(Burkholderiales), 但其含量差異大. Burkholderiales的含量隨溫度而升高, 35℃、40℃和45℃時(shí), 其含量分別為9%、16%和36%. Burkholderiales是一種好氧菌, 具有較強(qiáng)耐鎘性, 其適應(yīng)的生長(zhǎng)溫度也較高, 有些研究者就分別在50℃和65℃進(jìn)行此類菌的富集培養(yǎng). Pseudomonadales生長(zhǎng)迅速且能分解脂肪和蛋白質(zhì), 其含量在40℃時(shí)降低至28%, 但在45℃下部分細(xì)菌解體后的產(chǎn)物可能作為Pseudomonadales生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì), 使其含量又升高至37%.
圖 4
活性污泥中硝化菌以亞硝化單胞菌屬(Nitrosomonadales)為主, 其在反應(yīng)器中的含量隨溫度呈先上升后下降的趨勢(shì), 在35℃占微生物總量的2.97%, 40℃時(shí)達(dá)到最高值4.55%, 45℃下降至1.97%, 說(shuō)明40℃以下硝化菌是能夠生長(zhǎng)的, 當(dāng)溫度為45℃時(shí)硝化菌生長(zhǎng)被抑制, 甚至部分解體后流失.陳青青分別在20℃和25℃下測(cè)定了硝化污泥中的硝化菌含量, 發(fā)現(xiàn)20℃的硝化菌含量略高于25℃的.周玲玲等在30℃和15℃下研究溫度對(duì)硝化作用的影響, 發(fā)現(xiàn)30℃硝化菌含量是15℃的2~3倍.這些研究結(jié)果均表明溫度會(huì)影響硝化菌的含量, 但其受溫度影響的變化規(guī)律還需進(jìn)一步研究.
上述結(jié)果表明, 好氧池活性污泥以假單胞菌屬(Pseudomonadales)和伯克氏菌屬(Burkholderiales)為主; 當(dāng)溫度大于40℃時(shí), Burkholderiales增加, 亞硝化單胞菌屬(Nitrosomonadales)含量下降, 溫度過(guò)高不適合硝化菌生長(zhǎng).
2.3 中溫富集硝化污泥的高溫馴化效果
中溫富集硝化污泥在40℃下氨氮去除效果如圖 5所示.試驗(yàn)共運(yùn)行94 d, 提高進(jìn)水氨氮濃度至750 mg ·L-1, 運(yùn)行初期, 出水氨氮濃度較高, 運(yùn)行18 d后出水氨氮濃度穩(wěn)定低于0.5 mg ·L-1. 23 d水溫升至40℃, 運(yùn)行7 d后, 出水氨氮濃度再次升高至131 mg ·L-1; 30 d進(jìn)一步提高水溫45℃, 出水氨氮濃度迅速升高至400 mg ·L-1, 氨氮去除效率驟降至45%.氨氮去除率隨溫度變化的趨勢(shì)與2.1節(jié)相同. 42 d采用與2.1節(jié)相同的方法恢復(fù)其硝化功能, 重新把水溫降低至40℃, 運(yùn)行10 d后, 氨氮去除效率仍為20%~30%, 表明降低溫度未取得恢復(fù)效果.因此, 52 d向反應(yīng)器內(nèi)重新接種10%(體積分?jǐn)?shù))的硝化污泥, 硝化功能逐漸恢復(fù), 67 d時(shí), 出水氨氮濃度可穩(wěn)定于20 mg ·L-1以下, 氨氮去除率達(dá)到95%以上.運(yùn)行至第94 d, 獲得了硝化活性為(60±5) mg ·(L ·h)-1、MLSS為(3.5±0.5) g ·L-1的40℃馴化硝化污泥, 馴化后的硝化污泥達(dá)到了未經(jīng)馴化的硝化污泥的硝化活性, 且該硝化污泥高于于濛雨等在40℃下富集得到的硝化活性為50 mg ·(L ·h)-1的硝化污泥, 是普通污水處理廠的10~15倍.
圖 5
硝化污泥高溫馴化試驗(yàn)的MLSS與MLVSS的變化如圖 6所示.經(jīng)過(guò)94 d富集, MLSS與MLVSS都呈下降的趨勢(shì), 與2.1試驗(yàn)變化一致, 但由于馴化的過(guò)程中加入了有機(jī)碳源, 額外提供了100 mg ·L-1的COD, 使得富集試驗(yàn)中MLSS與MLVSS的下降慢于2.1節(jié), 說(shuō)明COD是影響MLSS的主要原因之一.
圖 6
2.4 模擬夏季溫度沖擊下的硝化強(qiáng)化試驗(yàn)
高溫馴化前后的硝化污泥對(duì)在40℃下受高氨氮沖擊的生物處理系統(tǒng)的硝化強(qiáng)化效果，如圖 7所示. 1~15 d, 進(jìn)水氨氮濃度為30~400 mg ·L-1, 活性污泥對(duì)氨氮的去除率保持在98%以上.第16 d起提高進(jìn)水氨氮至(550±10) mg ·L-1, 反應(yīng)器A和B的出水氨氮濃度均升高至(50±5) mg ·L-1.第24、30和35 d分別向反應(yīng)器A和反應(yīng)器B同時(shí)投加1%(體積分?jǐn)?shù))、5%(體積分?jǐn)?shù))和10%(體積分?jǐn)?shù))的硝化污泥，反應(yīng)器A經(jīng)投加1%(體積分?jǐn)?shù))和5%(體積分?jǐn)?shù))的馴化后的中溫硝化污泥后, 出水氨氮濃度下降了20 mg ·L-1, 但2 d后出水氨氮濃度重新上升至55 mg ·L-1; 而反應(yīng)器B的出水氨氮濃度幾乎未降低.繼續(xù)投加10%(體積分?jǐn)?shù))的硝化污泥后, 反應(yīng)器A出水氨氮濃度1 d后降至0.5 mg ·L-1, 氨氮去除率上升至99%;反應(yīng)器B的氨氮去除率也于4 d后達(dá)到了99%.上述結(jié)果表明, 無(wú)論是投加中溫富集硝化污泥, 還是投加40℃馴化硝化污泥, 只要?jiǎng)┝孔銐? 對(duì)于高溫沖擊下的硝化強(qiáng)化都是有效果的, 但在相同的投加量下, 馴化后的硝化污泥的效果更明顯.上述結(jié)果與于莉芳等得到的試驗(yàn)結(jié)果一致, 研究發(fā)現(xiàn)30℃富集的硝化污泥投加到水溫為20℃的反應(yīng)器時(shí), 能夠?qū)崿F(xiàn)生物處理系統(tǒng)的完全恢復(fù), 而20℃富集的硝化污泥的強(qiáng)化效果只維持了3 d.
圖 7
(b)反應(yīng)器B, 投加未經(jīng)馴化的中溫硝化污泥圖 7 硝化強(qiáng)化試驗(yàn)
3 結(jié)論
(1) 夏季水溫低于40℃時(shí), 氨氮容積負(fù)荷的波動(dòng)不會(huì)影響宜興新建污水處理廠好氧池活性污泥的硝化功能, 但當(dāng)水溫高于40℃時(shí), 其硝化功能、污泥濃度和硝化菌含量均逐步降低, 并在45℃時(shí)硝化功能基本崩潰, 采取降溫并重新投加活性污泥是恢復(fù)其硝化功能的有效措施.
(2) 中溫富集硝化污泥在40℃下馴化61 d后, 可達(dá)到與馴化前中溫富集硝化污泥的硝化活性, 且其比未經(jīng)馴化的中溫富集硝化污泥能更快地恢復(fù)受沖擊污水處理系統(tǒng)的硝化功能, 但投加量大于10%(體積分?jǐn)?shù))時(shí), 馴化后的硝化污泥的優(yōu)勢(shì)逐漸減弱.(來(lái)源：環(huán)境科學(xué) 作者：宋天偉)
