高寒地區(qū)城市生活污水處理技術(shù)

1、高寒地區(qū)城市生活污水處理技術(shù)目前，活性污泥法是大多數(shù)城市污水處理廠所普遍使用的技術(shù)，在常溫下處理效果較好。然而在我國北方地區(qū)和西部高寒地區(qū)，污水處理效果受到環(huán)境溫度的影響較大，隨著水溫的降低,活性污泥的活性逐漸下降、 沉淀性變差，有機(jī)物去除、硝化和反硝化作用受到極大沖擊。 當(dāng)溫度低于15 C時(shí)，常溫微生物的活性將急劇下降 ，硝化效果明顯降低；在10 C左右，部 分微生物處于休眠狀態(tài)；當(dāng)溫度在4 °C范圍內(nèi)，大部分微生物進(jìn)入休眠期甚至死亡，污水處理系統(tǒng)的硝化作用幾乎停止。此外低溫也為小胸蟲提供了適宜的生長條件，其過度生長將導(dǎo)致污泥膨脹，進(jìn)而影響出水水質(zhì)。因此，寒冷地區(qū)的污水廠運(yùn)行不得不

2、采取加熱、保溫、增大污泥回流量、增長污水停留 時(shí)間等措施來提高出水水質(zhì)，但增大污泥回流量和增長污水停留時(shí)間又會(huì)降低污水水溫，尤其是污水停留時(shí)間的增長，會(huì)導(dǎo)致污水水溫隨時(shí)間線性下降。而加熱和保溫措施又會(huì)增加工 程的投資和運(yùn)行費(fèi)用，還可能帶來污泥膨脹等一系列問題。對(duì)此，國內(nèi)外研究表明通過人工篩選、培育和馴化耐低溫優(yōu)勢(shì)菌株可作為解決上述問題 的最佳途徑，耐冷菌是一類可以在最低溫度為-5 0 C及最高溫度高于20 C的條件下生長繁殖的微生物，該溫度范圍能較好的適應(yīng)高寒地區(qū)的氣候特征，例如，國內(nèi)的一項(xiàng)研究篩選出了耐低溫的酵母菌就可在低溫下有效去除COD然而，國內(nèi)針對(duì)低溫微生物的研究開發(fā)較少，國外對(duì)低溫微

3、生物處理污水技術(shù)的研究起步較早，主要通過篩選低溫微生物去除污水中的油烴類、氯酚類、表面活性劑、氮和磷等達(dá)到凈化水質(zhì)的目的。生物強(qiáng)化技術(shù)在污水處理中的應(yīng)用為解決低溫污水難處理的問題提供了最直接有效的解決方案，生物強(qiáng)化處理工藝是指向生化處理系統(tǒng)中投加高效菌種或載體，以提高系統(tǒng)中的微生物活性或濃度、強(qiáng)化生化處理效果的一種有效手段。冬季向系統(tǒng)投加在篩選馴化的耐冷菌或經(jīng)固定化處理的耐冷菌等，通過高效菌種的直接作用或共代謝作用可實(shí)現(xiàn)對(duì)低溫污水的 強(qiáng)化處理。投菌活性污泥法是近十幾年國外發(fā)展起來的一種生物強(qiáng)化技術(shù)，它不僅增加了曝氣池內(nèi)缺少的細(xì)菌，在流入污水水質(zhì)不變的條件下增加微生物的氧化作用，且當(dāng)污水水質(zhì)改變

4、、環(huán)境變異時(shí)，微生物仍能保持活性，提高耐沖擊負(fù)荷和處理效果，改善出水水質(zhì)。投菌活 性污泥法結(jié)合固定化細(xì)胞技術(shù)克服了投菌導(dǎo)致的菌體流失，避免了投加技術(shù)的缺點(diǎn)。此外，活性污泥和生物膜復(fù)合工藝作為一種新型的污水處理工藝，在提高現(xiàn)有污水處理系統(tǒng)的效能、改善污泥沉降性能、降低污泥產(chǎn)率、增強(qiáng)運(yùn)行穩(wěn)定性和節(jié)約占地等方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)。 近年來也有研究表明，適當(dāng)?shù)撵o磁場(chǎng)在低溫下可以增強(qiáng)活性污泥的活性，強(qiáng)化活性污泥的耐寒性，這將為我們改善污水處理提供新的思路。本實(shí)驗(yàn)旨在利用生物強(qiáng)化技術(shù)解決我國北方或高寒地區(qū)冬季城市生活污水處理困難的問題，通過培育、篩選和馴化出能高效處理低溫污水的耐冷微生物菌群，進(jìn)而增強(qiáng)活性污泥

5、的耐低溫性能，提高污水處理效果，改善出水水質(zhì)，使出水水質(zhì)達(dá)到城鎮(zhèn)污水排放一級(jí)A類標(biāo)準(zhǔn)。在實(shí)際應(yīng)用中，再結(jié)合投菌活性污泥法、固定化細(xì)胞技術(shù)和生物膜復(fù)合工藝等，將會(huì)進(jìn)一 步強(qiáng)化活性污泥的去污能力，鞏固污水的處理效果。1材料與方法1. 1 材料來源2014年11月上旬，從四川省阿壩州馬爾康市的市政下水道、河流湖泊中采樣，當(dāng)時(shí)的采樣溫度為5 C左右。隨后，將采集來的污泥用于耐冷微生物的篩選與馴化，微生物生長的培養(yǎng)基采用LB培養(yǎng)基，后期培養(yǎng)活性污泥的污泥來源是成都市龍泉驛區(qū)的平安污水處理 廠。實(shí)驗(yàn)用的人工污水配方如表1和表2所示。町搟性淀粉蛋白雜牛骨膏斜植二氫萍170, 001AU. 00233.51)

6、25. 5015 乩 00402K 4070. IX)Ml LX)表1人工污水1配方物質(zhì)名務(wù)盼( 711,(CiCL -233. 507t>. 4015 . U0IL 301. 44Q. 10表2人工污水2配方銜1小試裝置示意圖1.2實(shí)驗(yàn)主要設(shè)備及裝置主要設(shè)備：無菌操作臺(tái)、生化培養(yǎng)箱、顯微鏡、全恒溫振蕩培養(yǎng)箱、紫外可見分光光度 計(jì)、回流裝置和氨氮蒸餾裝置等。耐冷活性污泥污水處理能力評(píng)價(jià)自制小試裝置如圖1所示，包括1個(gè)空氣泵，3個(gè)蠕動(dòng)泵，體積均為4 L的廢水池（裝人工污水）、反應(yīng)池（裝活性污泥并進(jìn)行曝氣）和沉淀池（裝處 理后的污水并可回流污泥 ）各1個(gè)。1. 3 實(shí)驗(yàn)方法1. 3. 1耐冷

7、菌的富集培養(yǎng)與分離將采集的泥樣用LB培養(yǎng)基于15 C搖床150 r min - 1富集培養(yǎng)7 d，再用平板稀釋 法和平板劃線法進(jìn)行菌種分離純化，將多次純化后的單菌株移入斜面?zhèn)溆谩?. 3. 2 耐冷菌的篩選將各菌株分別于5 C條件下活化培養(yǎng)至對(duì)數(shù)生長期，菌懸液4 000 r min - 1 離心10 min,棄掉上清液,將沉淀物用磷酸緩沖溶液清洗,再用無菌蒸餾水稀釋至原來OD值,以10%的接種量接種于250 mL人工污水2中,并置于搖床中5 C培養(yǎng)12 h,每隔12 h取樣 以4 000 r min - 1 離心,取上清液，測(cè)定COD值和氨氮值，然后計(jì)算兩者的去除率，挑選 COD去除率較高和氨

8、氮去除率較高的菌株。1. 3. 3混合耐冷菌低溫馴化及污水處理能力測(cè)定由實(shí)驗(yàn)確定各單菌株的最優(yōu)混合比例，然后將最優(yōu)混合比的混合菌低溫培養(yǎng)，逐漸加入 滅菌的人工污水1（每3 d 一次）直至培養(yǎng)液全部替換為人工污水。然后將其與采集來的適量活性污泥混合注入到小型污水處理裝置的反應(yīng)池中，加入人工污水1至污泥質(zhì)量濃度為 2000 mg L - 1 左右,人工污水1的碳源極易被微生物利用，使微生物迅速增殖。在廢水池 中加入人工污水2,人工污水2的用途是模擬城市生活污水。設(shè)定系統(tǒng)初始溫度為15 C ,流量0. 15 L h - 1 ,控制曝氣量使 OD值保持在2. 5 3. 0之間。每天將沉淀池中的污泥10

9、0%回流到反應(yīng)池，直到出水COD值穩(wěn)定之后沉淀池污泥 50%回流?；钚晕勰嗟慕禍伛Z化過程分為3個(gè)階段，馴化溫度先后從15 C降到10 C ,再從10 C降到5 C ,每一階段都定時(shí)測(cè)定活性污泥的污水處理效果。第1階段從活性污泥的培養(yǎng)開始，當(dāng)反應(yīng)池中出現(xiàn)原生動(dòng)物且曝氣呈茶褐色時(shí)開始計(jì)時(shí)，此時(shí)的實(shí)驗(yàn)條件為流量 0.30 L h - 1 ,溫度15 C ,并始終維持反應(yīng)池污水體積為4 L,污泥的質(zhì)量濃度大約在 2 500 4 000 mg L - 1之間；第2和第3階段僅改變溫度條件對(duì)活性污泥進(jìn)行降溫馴化。每天 定時(shí)測(cè)定進(jìn)出污水的 COD和氨氮值,直到出水COD和氨氮達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)為止。在第3階段測(cè)定

10、5 C條件下耐冷菌污水處理效果的同時(shí)，以成都市龍泉驛區(qū)的平安污水處理廠非耐冷 菌為對(duì)照在同樣條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，比較兩者在低溫下的污水處理能力是否有顯著差異。1.4 測(cè)定與分析方法COD的測(cè)定采用重鉻酸鉀法，氨氮的測(cè)定采用蒸餾-中和滴定法，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS23. 0和origin 8. 5進(jìn)行分析作圖。2結(jié)果與分析2. 1 單株耐冷菌的篩選結(jié)果將分離出的14種單菌株通過測(cè)定其 5 C條件下的COD和氨氮去除率來篩選目標(biāo)菌株 表3為處理5d后的COD和氨氮測(cè)定結(jié)果，綜合各菌株的COD和氨氮的去除率可篩選出 6 種優(yōu)勢(shì)菌株，即3號(hào)、6號(hào)、7號(hào)、9號(hào)、10號(hào)和12號(hào)菌株。COD繭科占號(hào)世水n惓*&q

11、uot;）出水門6總* .）?；陳峯/曉逍水/t m甘* L1 )岀水Eg亠L(fēng)"1 去除家/呵61H. 25496,2219,7412. 8fi1Z 175.40ftlH. 2559S S411412. R6II JR11.5161S. 25525,5«U.如12, 866.22W. 41461S. 255&1.985.12. 86II. 2112. B35618.25461. 6R23. 5212. B610. 1421. 1566JS.25136. 5477.92)2.5. 5627. 22761S.25101 Ofi83. W12. 864. IS6?. 50

12、*61257. 99)2. 86肚062?. 92g亦乩25乩妁利一 4i12. 86血1121. 251U6U. 25142. 7476.91)2. 86工5272.和L Lbin. 25547. 5BL). 4312. S69. 2730. J3U61B. 2591 Jy眩2212. K62. 767S.541361B. 2545S. 3625. M12. 8tj11.5b10.0914618,25447,0027.70J 2,斛10. 561X92表3耐冷菌株的篩選2. 2 耐冷菌混合比例的確定將篩選出來的6種優(yōu)勢(shì)菌株按照表 4所列的6種比例混合，測(cè)定其5 C條件下的COD 和氨氮去除率

13、，表中列出了 5 d后各混合菌處理人工污水的 COD和氨氮去除率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯 示混合比例3和混合比例5可同時(shí)保證COD和氨氮的去除率都相對(duì)較高,本實(shí)驗(yàn)最終依據(jù) 混合比例3進(jìn)行菌株混合，然后將混合菌轉(zhuǎn)入人工污水培養(yǎng)以便后續(xù)實(shí)驗(yàn)。曲榷編號(hào)3號(hào)&號(hào)7號(hào)9號(hào)10號(hào)12號(hào)COD去除事0混合比側(cè)1111111畝56砒L4合 ttW21185.M 51餐合比倒311323392. 45躋94ia合比倒411J33s?t». IS7.k弘置含比擁5114448K. 41NI.渡含比例611442494. 2571 16表4耐冷菌的混合比例2. 3低溫馴化過程中耐冷菌污水處理能力的比較混合耐冷

14、菌群低溫馴化過程中，3個(gè)階段的污水處理效果對(duì)比如圖2和表5所示，通過對(duì)這3個(gè)階段的比較，可以看出溫度變化對(duì)活性污泥處理污水的能力有著顯著的影響。正仃時(shí)|叩'dS5 O7 5; ?/-ef rBjtf- p ”COD去除率 駅徹去除率Qr第1階段 ； (15©i和此）第、階股（代）*i r-.1 b 1 d L J j.丄1： 1 j h J l丄i山丄1.丄運(yùn)祁時(shí)間丄圖2芥階段出水COD.®氮及兩者去除率隨時(shí)間的變化illl線cod世.水/（口甲 L-1)出水珥n申-L-1 ）逍水/呼*）1出歡/f m烹* L -1 )去除率/雀擁1階段bl 2. 15 ±

15、;14. J8 ±0. 71197.±0. 1212.06 ±0. 24L5Q :版 76 ±4 3第2階段bll.M ±1. 1014. 1120SI7.小 ±U. Q312.39153一 53 ± IL 0471. 99第3階段bl 3. 08 土1.55"一 46 ±4. 2K仍一 Z ± (). 7()B. 13 ±0.旳l.7t> ±U 02Kb. Ml t Ik表5各階段達(dá)到穩(wěn)定后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果平均值從圖2中曲線的變化來看，每個(gè)階段的出水COD和氨氮值均隨著運(yùn)行

16、時(shí)間的延長而逐 漸減小，直至最后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，同時(shí)兩者的去除率則相應(yīng)增大并達(dá)到穩(wěn)定。第1階段是活性污泥形成階段，該階段前4 d,COD和氨氮的去除率都不高，尤其是氨氮的去除率呈負(fù)值。 這是由于在第1階段開始時(shí)活性污泥沒有完全形成，微生物量還不夠多，硝化和亞硝化作用較弱，使得人工污水2中的大量牛肉膏和蛋白胨被分解成氨氮且未被及時(shí)降解去除，從而增加了出水氨氮含量，造成第1階段前4 d的氨氮去除率為負(fù)，但在第4天以后，亞硝化和 硝化作用增強(qiáng)，有機(jī)氮分解產(chǎn)生的氨氮被大量去除 ，出水氨氮去除率變?yōu)檎?，氨氮量逐漸減少 直至穩(wěn)定。第2階段的降溫對(duì)COD的去除效果影響較大，即從第1階段過渡到第2階段時(shí)COD的

17、 去除率大幅度減小，而降溫對(duì)氨氮去除效果的影響除了過渡期的強(qiáng)烈波動(dòng)外，還表現(xiàn)在穩(wěn)定期氨氮去除率較第1階段降低了許多。第3階段溫度從10 C降到5 C，此次降溫對(duì)活性 污泥污水凈化效果的影響相對(duì)較小，僅造成了小幅波動(dòng)，說明該污水處理系統(tǒng)逐漸趨于穩(wěn)定 ，抗干擾能力得到了增強(qiáng)，但值得注意的是，穩(wěn)定時(shí)期的COD和氨氮的去除率比15 C時(shí)有所降低，說明降溫確實(shí)降低了微生物的生物活性并影響了其代謝速率，最終導(dǎo)致活性污泥的污水凈化效率有所降低。由表5可知，達(dá)到穩(wěn)定時(shí)1至2階段的COD去除率都維持在 97%左右，第3階段維持 在95%左右；而氨氮的去除率除了在第 2階段時(shí)只有72%左右以外,第1和第3階段都達(dá)

18、 到了 86%以上。由于我國城鎮(zhèn)污水處理廠的進(jìn)水水質(zhì)受地域、季節(jié)的影響變化較大，一般進(jìn)水COD指標(biāo)范圍在200 1 000 mg L - 1 之間，氨氮在20 40 mg L - 1 之間。而本次實(shí)驗(yàn)的進(jìn)水 COD值在612 mg L - 1 左右,進(jìn)水氨氮值在13 mg L - 1 左右,顯然進(jìn)水氨氮值偏低,這 就客觀上造成了氨氮的去除率較低，即使當(dāng)出水氨氮僅為 1.59 mg L - 1 時(shí),氨氮去除率也只能達(dá)到86. 76%。但根據(jù)我國城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，以上測(cè)定結(jié)果都達(dá)到了城鎮(zhèn)生活污水排放的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，這說明馴化后的活性污泥確實(shí)有較好的污水凈化能力,而且其在低溫下處理污

19、水的效果良好。2. 4 馴化后的耐冷活性污泥與非耐冷活性污泥在低溫下污水處理能力的比較如下圖3為馴化后的耐冷活性泥和污水處理廠采集的普通非耐冷活性污泥在5 C條件下的COD和氨氮隨時(shí)間變化的曲線，表6為兩者穩(wěn)定狀態(tài)下測(cè)定結(jié)果的平均值。14480612lflor20406080$ 2 I806040加x>C11運(yùn)苻時(shí)間閉馴化耐冷活性污泥出/KCOD含ht3馴化耐冷活性帝泥出水妊氮含就運(yùn)行時(shí)阿劃亠非馴化活性污渥出術(shù)COD含麻 -O非馴化活性污泥出水奴氮含皆3耐冷活性污泥與非耐冷活性污泥在5毛下的出水COD點(diǎn)氮及兩肴£除率隨時(shí)間的變化COD進(jìn)水/(I昌 » 1. 1 )出水

20、“啞L *）去瞧章/馮逍水/（啞L1）> L1)刪化耐冷活性汚泥613.08 ±1.5526, 46 ±4,95,69 ±0. 7013. 13 ±0.刈1, 76 ±0.02紙60；非別毗活性污昵617. 82 土 1.23150.6 ± 1. M73.61 ±0. 3412. 77 ±0. 226.93 ±0. 2ftJ5. S6 ；表6馴化耐冷活性污泥與非耐冷活性污泥在5 C下穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果平均值通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，沒有經(jīng)過馴化的非耐冷活性污泥在5 C時(shí)的COD和氨氮去除率均偏低,COD去除率只能達(dá)到75%,氨氮去除率也只有45%左右,其出水水質(zhì)勉強(qiáng)能夠達(dá)到污水排 放一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)的要求。在實(shí)際應(yīng)用中，氣候條件復(fù)雜，進(jìn)水流量較大，進(jìn)水COD和氨氮值變化 不定，此時(shí)若氣溫驟降，則將會(huì)嚴(yán)重影響其污水處理的效果，要使出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)就很困難了，這就是為什么我國北方及西部高寒地區(qū)每年在降溫后要使出水水質(zhì)達(dá)到B類標(biāo)準(zhǔn)常常還比較困難的原因了。研究表明當(dāng)水溫降到 4 C以下時(shí)，大部分微生物進(jìn)入休眠期狀態(tài)或死亡，污水處理系統(tǒng)硝化作用很弱，氨氮去除率變得很低3，COD去除率也只能