低溫下高鹽廢水氨氮處理效率研究

李 梅，于德爽

(1.河南科技大學(xué)化工與制藥學(xué)院，河南洛陽(yáng)471003;2.青島大學(xué)化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，山東青島266071)

0 前言

隨著淡水資源的日益缺乏，中國(guó)許多沿海城市非常重視海水資源的利用，目前主要應(yīng)用在海水沖廁，工業(yè)冷卻水，水產(chǎn)品解凍加工等領(lǐng)域［1－3］。利用海水產(chǎn)生的高鹽度廢水直接引入城市污水處理系統(tǒng)后，勢(shì)必對(duì)其中的生物群落帶來(lái)較大沖擊，特別是低溫條件下污水處理效果的變化更是一個(gè)非常具有現(xiàn)實(shí)意義的研究課題［4－6］。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于鹽度引入對(duì)生物處理系統(tǒng)影響利弊的研究結(jié)論還很不統(tǒng)一。文獻(xiàn)［7］在處理含海水城市污水系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn):高鹽度下生物系統(tǒng)受到明顯影響，生物活性受到抑制，有機(jī)物，氮和磷的去除率出現(xiàn)顯著降低。文獻(xiàn)［8］研究表明:高鹽環(huán)境下微生物生長(zhǎng)沒(méi)有受到抑制，相反生物活性和有機(jī)物去除率均有所提高。以往的研究多針對(duì)常溫條件下高鹽廢水中有機(jī)物去除效果，關(guān)于低溫下高鹽廢水氨氮處理效果，特別是低溫下污泥中生物相變化的研究很少見報(bào)道。本文主要通過(guò)快速降溫和緩慢降溫兩種方式考察低溫對(duì)MBR和A/O工藝氨氮去除效果的影響，并對(duì)低溫狀態(tài)下處理系統(tǒng)中的微生物種群進(jìn)行了生物學(xué)分析，從而為以后的工程實(shí)踐提供一定的理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 A/O裝置

A/O反應(yīng)器工作容積為70 L，分為6個(gè)格室(前2個(gè)格室占反應(yīng)器總體積的1/4，后4個(gè)體積相同)。反應(yīng)器前2個(gè)格室缺氧運(yùn)行，后4個(gè)格室好氧運(yùn)行。運(yùn)行條件:pH為7.5～8.5;DO為2～3 mg/L;污泥濃度為3 000～4 000 mg/L;HRT控制在8 h。

1.2 MBR裝置

MBR反應(yīng)器有效容積為257 L，內(nèi)置8組KMS聚乙烯中空纖維膜組件。單個(gè)膜組件的尺寸為30 cm×20 cm，膜孔徑為0.4μm，總膜面積為2.57 m2。運(yùn)行條件:pH為7.5～8.5;DO為2～3 mg/L;污泥濃度為5 000～7 000 mg/L;HRT控制在8 h。

1.3 污泥接種與馴化

試驗(yàn)接種污泥取自青島市萊西污水處理廠二沉池中的回流污泥。試驗(yàn)采用連續(xù)流方式，對(duì)接種污泥進(jìn)行培養(yǎng)馴化。馴化期間進(jìn)水條件為:COD濃度為600 mg/L左右，NH+4－N濃度為90 mg/L左右，pH為7.0～8.0，水溫控制在20～25℃。經(jīng)過(guò)1個(gè)月左右的時(shí)間，反應(yīng)器中的污泥由黑色逐漸變?yōu)榛液稚?，沉降性能逐漸變好，反應(yīng)器運(yùn)行穩(wěn)定，出水氨氮及有機(jī)物去除率分別為85%和95%左右，污泥馴化進(jìn)入成熟階段，污泥馴化結(jié)束，進(jìn)入試驗(yàn)階段。

1.4 水質(zhì)與測(cè)定方法

試驗(yàn)中高鹽廢水由實(shí)際生活污水與海水混合配制。污水中海水比例為50%，進(jìn)水COD濃度在360 mg/L左右，氨氮濃度為70 mg/L左右。試驗(yàn)中緩慢降溫采取季節(jié)性自然降溫方式:試驗(yàn)期間室內(nèi)暖氣關(guān)閉，并且開窗通風(fēng)，使水溫與室外溫度基本保持一致，隨著自然季節(jié)降溫，保證了低溫的實(shí)現(xiàn)?？焖俳禍厥侵?每一試驗(yàn)溫度以每小時(shí)下降1℃的速率進(jìn)行人工階梯式快速降溫?？焖俳禍仉A梯溫度與緩慢降溫所選試驗(yàn)溫度一致，分別為25℃、20℃、18℃、15℃、13℃、10℃、8℃、5℃。達(dá)到每一溫度后，待系統(tǒng)穩(wěn)定后進(jìn)入污水開始處理。

進(jìn)水氨氮濃度保持變化不大，進(jìn)出水氨氮濃度采用鈉氏比色法。根據(jù)進(jìn)水出水氨氮濃度計(jì)算出去除率，并對(duì)低溫條件下的活性污泥進(jìn)行了生物學(xué)分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 緩慢降溫對(duì)處理效果的影響

緩慢降溫條件下MBR和AO工藝氨氮處理效率影響試驗(yàn)結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1 緩慢降溫下MBR工藝氨氮處理效果

圖2 緩慢降溫下A/O工藝氨氮處理效果

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出:低溫條件對(duì)活性污泥的新陳代謝產(chǎn)生較強(qiáng)的抑制作用，隨著溫度的逐漸降低，出水氨氮濃度逐漸升高，去除率逐漸減小。圖1表明:對(duì)于MBR工藝，當(dāng)溫度在18℃以上時(shí)，去除率的下降趨勢(shì)相對(duì)較緩，保持在70%以上。當(dāng)溫度下降至13℃時(shí)，去除率下降趨勢(shì)明顯加大，特別是達(dá)到10℃時(shí)，去除率出現(xiàn)大幅度下降，從20℃時(shí)的73.3%降至59.6%。當(dāng)溫度降至最低溫度5℃時(shí)，去除率保持在55.5%。

從圖2結(jié)果還可以看出:A/O工藝氨氮處理效率受低溫影響的變化趨勢(shì)與MBR工藝較為相似。但不同的是，相同溫度下A/O工藝的去除率均低于MBR工藝，且在整個(gè)緩慢降溫過(guò)程中受溫度變化的沖擊比MBR工藝更大，去除率下降趨勢(shì)更為顯著，出水氨氮濃度增高趨勢(shì)明顯更強(qiáng)。當(dāng)溫度從20℃下降至10℃時(shí)，去除率從67.5%下降為50.5%;當(dāng)溫度降為最低5℃時(shí)，去除率為46.9%。

綜合以上試驗(yàn)結(jié)果分析可知:氨氮的去除效果受到溫度的變化影響較大。當(dāng)溫度下降至13℃以下時(shí)，微生物的活性明顯降低，去除效率顯著下降。與此同時(shí)，當(dāng)溫度下降為最低5℃時(shí)，無(wú)論是MBR還是A/O工藝系統(tǒng)依然保持一定的處理效率，去除率在50%左右?？梢酝茢嘣诰徛禍貤l件下，微生物受低溫馴化時(shí)間較長(zhǎng)，系統(tǒng)中存在一定數(shù)量的耐冷細(xì)菌，使得活性污泥在低溫條件下仍能維持相當(dāng)?shù)拇x作用［9－10］。

2.2 快速降溫對(duì)處理效果的影響

快速降溫下MRR工藝和A/O工藝對(duì)氨氮的處理效果，分別見圖3和圖4。

從圖3和圖4可以看出:快速降溫條件下的生物系統(tǒng)遭到了巨大的沖擊。兩種工藝的氨氮去除效率都以較大幅度快速下降。當(dāng)溫度降至10℃，去除率只有35%左右。從兩種工藝的氨氮去除效果下降趨勢(shì)還可看出:MBR工藝的抗低溫沖擊能力比A/O工藝要好，最低去除率還保持在25.8%。這與緩慢降溫試驗(yàn)中所得規(guī)律一致。以上試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步說(shuō)明:在經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間微生物馴化后，緩慢降溫系統(tǒng)中確實(shí)存在相當(dāng)數(shù)量的耐冷細(xì)菌，才維持生物處理系統(tǒng)一定的處理效率?？焖俳禍貤l件致使微生物種類和數(shù)量大量減少，并在短時(shí)間內(nèi)難以馴化適應(yīng)，剩余細(xì)菌絕大多數(shù)處于內(nèi)源呼吸階段，處理系統(tǒng)無(wú)法維持常溫下的處理效果，造成氨氮濃度快速升高，去除率劇烈下降［11］。

圖3 快速降溫下MBR工藝氨氮處理效果

圖4 快速降溫下A/O工藝氨氮處理效果

2.3 低溫條件下的生物相變化

為了更好地探討低溫條件對(duì)氨氮去除率影響的生物學(xué)機(jī)制，分別對(duì)常溫和低溫狀態(tài)下的MBR和A/O系統(tǒng)的活性污泥生物相進(jìn)行鏡檢和細(xì)菌學(xué)計(jì)數(shù)。通過(guò)顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn):低溫狀態(tài)下，生物相種類和數(shù)量較常溫狀態(tài)明顯減少。對(duì)MBR處理系統(tǒng)細(xì)菌學(xué)計(jì)數(shù)顯示:25℃條件下，活性污泥混合菌細(xì)菌數(shù)目為6.5×108個(gè)/mL，緩慢降溫5℃條件下細(xì)菌數(shù)目?jī)H為1.6×107個(gè)/mL，快速降溫5℃條件下細(xì)菌數(shù)目?jī)H為5.3×104個(gè)/mL。常溫下觀察到的微生物菌群包括動(dòng)膠桿菌屬、假單胞桿菌屬、棒狀桿菌屬、無(wú)色桿菌屬、微球菌屬、節(jié)細(xì)菌屬、芽孢桿菌屬、黃桿菌屬等;緩慢降溫低溫下有假單胞桿菌屬、棒狀桿菌屬、微球菌屬、節(jié)細(xì)菌屬、動(dòng)性球菌屬;快速降溫低溫下只有絲狀菌、芽孢桿菌屬和黃桿菌屬。此外，在對(duì)低溫狀態(tài)下的MBR和A/O系統(tǒng)生物相對(duì)比觀察中發(fā)現(xiàn):無(wú)論是緩慢降溫還是快速降溫低溫條件下，MBR系統(tǒng)中的生物相活性和數(shù)量都較A/O系統(tǒng)明顯豐富活躍，這也證實(shí)了MBR系統(tǒng)的氨氮處理效率比A/O系統(tǒng)高。

3 結(jié)論

(1)在低溫條件下兩種工藝對(duì)高鹽廢水中氨氮的去除率明顯降低。緩慢降溫過(guò)程中氨氮去除率的下降趨勢(shì)相對(duì)較緩。當(dāng)溫度從25℃下降至10℃時(shí)，MBR工藝對(duì)氨氮的去除率從78%下降到59.6%; A/O工藝的去除率從73%下降至50.5%。當(dāng)達(dá)到最低溫度5℃時(shí)，兩種系統(tǒng)的處理效率能維持在50%左右。

(2)在快速降溫過(guò)程中，氨氮去除率下降趨勢(shì)顯著加劇，當(dāng)溫度從25℃下降至10℃時(shí)，MBR工藝對(duì)氨氮的去除率從78.5%下降到36.1%;A/O工藝的去除率從74.1%下降至34.3%。當(dāng)達(dá)到最低5℃時(shí)，兩種系統(tǒng)的處理效率僅有20%左右。

(3)兩種降溫方式中，相同溫度下MBR系統(tǒng)的處理效率都比A/O系統(tǒng)高，而且抗低溫的沖擊能力也較好。

(4)生物相分析進(jìn)一步證實(shí):低溫條件導(dǎo)致處理系統(tǒng)中微生物種類和數(shù)量明顯的減少;在緩慢降溫條件下由于對(duì)低溫有一定時(shí)期的適應(yīng)，系統(tǒng)中確實(shí)有相當(dāng)數(shù)量的耐冷細(xì)菌菌群存在，從而維持系統(tǒng)一定的處理效率;MBR系統(tǒng)的生物相活性較A/O系統(tǒng)更為豐富，活躍。

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