AAO耦合生物濾池法處理抗生素類(lèi)生產(chǎn)廢水機(jī)理探討

陳建發(fā)（漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院食品與生物工程系，福建 漳州363000；農(nóng)產(chǎn)品深加工及安全福建省高校應(yīng)用技術(shù)工程中心，福建 漳州363000）

廢水中氮、磷的去除涉及硝化、反硝化及釋磷和放磷等多個(gè)復(fù)雜的生化過(guò)程。上述每一個(gè)生化過(guò)程對(duì)微生物組成、基質(zhì)類(lèi)型和環(huán)境條件的要求也互不相同［l］。AAO工藝是目前污水處理領(lǐng)域常見(jiàn)的脫氮除磷工藝［2］，是我國(guó)污水處理的主流工藝之一。至2013年，全國(guó)共建設(shè)AAO工藝污水廠1071座，占全國(guó)污水廠總數(shù)4136座的25.89%；但AAO的研究與工程應(yīng)用多以生活污水為處理對(duì)象，而AAO直接處理工業(yè)廢水的報(bào)道很少，特別是以抗生素類(lèi)制藥為主的混合工業(yè)廢水的處理少見(jiàn)報(bào)道。抗生素生產(chǎn)企業(yè)排放的廢水是一類(lèi)成分復(fù)雜、色度高、生物毒性大、含多種生物抑制物質(zhì)的高濃度難降解有機(jī)廢水，是目前污水處理業(yè)界的難點(diǎn)和熱點(diǎn)?？股厣a(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生的廢水極難處理，經(jīng)企業(yè)污水處理站預(yù)處理后排入工業(yè)區(qū)污水管網(wǎng)的廢水更難處理。在國(guó)內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上［3～6］，筆者采用“AAO＋生物濾池＋絮凝沉淀”耦合技術(shù)處理以抗生素類(lèi)制藥為主的混合工業(yè)廢水，取得了很好的處理效果，其處理效果大大優(yōu)于某工業(yè)污水廠“水解酸化＋MSBR＋絮凝沉淀”工藝［7］。但試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)AAO去除污染物的機(jī)理與傳統(tǒng)的脫氮除磷機(jī)理不相完全吻合，有些甚至矛盾，其脫氮除磷機(jī)理尚不十分明確。為此，采用該耦合技術(shù)以實(shí)際混合工業(yè)廢水為試驗(yàn)水質(zhì)，比較分析該耦合工藝一體化協(xié)同處理新技術(shù)對(duì)以抗生素類(lèi)制藥為主的混合工業(yè)廢水的生物去除效率，探討其生物去除機(jī)理，以期為該耦合技術(shù)的工程設(shè)計(jì)和優(yōu)化運(yùn)行提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)工藝流程

試驗(yàn)工藝流程如圖1所示，反應(yīng)器采用的是自制有機(jī)玻璃池體。除進(jìn)水、污泥回流、硝化液回流及絮凝加藥均采用統(tǒng)一型號(hào)蠕動(dòng)泵泵送，其余各個(gè)反應(yīng)器之間水力連通采用重力流，其中內(nèi)回流比為100% （進(jìn)水流量Q＝30.0L／h）。厭氧池和缺氧池均安裝可調(diào)速攪拌器，控制轉(zhuǎn)速以嚴(yán)格控制好溶解氧分別在0.20mg／L以下和0.20～0.50mg／L；好氧池也安裝可調(diào)速攪拌器，再加上微孔曝氣膜曝氣，以更好控制溶解氧在2.0～3.0mg／L，好氧池泥水分離區(qū)安裝穿孔管以便排泥，更好控制污泥濃度。水力停留時(shí)間 （HRT）是AAO工藝運(yùn)行的關(guān)鍵因素。為便于研究“AAO法＋生物濾池＋絮凝沉淀”耦合工藝對(duì)實(shí)際混合工業(yè)廢水的處理效果，試驗(yàn)中各處理單元的HRT參考某污水廠相應(yīng)單元的HRT，總HRT與污水廠基本一致。

圖1 污水處理工藝流程圖

1.2 接種污泥

試驗(yàn)所用接種污泥取自試驗(yàn)污水廠二沉池的回流污泥。間歇培養(yǎng)過(guò)程20d后，當(dāng)污泥絮體很大、沉降性能很好、出水清澈沒(méi)有懸浮物時(shí)，即把活性污泥投入相應(yīng)反應(yīng)器進(jìn)行試驗(yàn)，控制污泥濃度MLSS＝3600mg／L左右。

1.3 試驗(yàn)水質(zhì)及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)進(jìn)水為試驗(yàn)污水處理廠調(diào)節(jié)池隨機(jī)時(shí)段的出水，其主要污染物COD、氨氮和TP的日平均質(zhì)量濃度分別為223～691、24.7～75.8mg／L和4.52～28.1mg／L。

設(shè)計(jì)處理水量30L／h，試驗(yàn)經(jīng)過(guò)3周調(diào)試成功、連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行10d后，于11月23日至27日連續(xù)5d取樣監(jiān)測(cè)，探討該耦合工藝各生物處理段 （包括厭氧池、缺氧池、好氧池和生物濾池）對(duì)COD、氨氮和TP的去除效率比較與去除機(jī)理分析。

1.4 檢測(cè)項(xiàng)目及分析方法

水質(zhì)指標(biāo)分析項(xiàng)目及檢測(cè)方法如表2所示。

2 結(jié)果與分析

表2 水質(zhì)指標(biāo)分析項(xiàng)目及方法

2.1 各單元COD的生物去除效率與機(jī)理分析

COD生物去除效果對(duì)比如圖2所示。由圖2可見(jiàn)，試驗(yàn)生物處理段厭氧池、缺氧池、好氧池和生物濾池對(duì)COD的平均去除效率分別為34.4%、6.8%、47.0%和18.1%，COD平均總生物去除率73.2%。顯然，AAO中各單元處理效率呈現(xiàn)好氧池＞厭氧池＞缺氧池，這是因?yàn)樵摽股貜U水中大分子、難降解有機(jī)物含量高，在厭氧單元主要是發(fā)生水解酸化、開(kāi)環(huán)和斷鏈，將大分子、難降解的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為小分子、易降解的有機(jī)物，為后續(xù)好氧池的高效生物降解提供條件。當(dāng)然，該抗生素廢水中小分子、易降解的有機(jī)物在厭氧單元也首先得到部分生物降解。在缺氧池，對(duì)COD的平均去除效率僅6.8%，這是因?yàn)槿毖醭刂饕欠聪趸饔?，并少量生物降解該抗生素廢水中小分子、易降解的有機(jī)物。而好氧池對(duì)COD的平均去除效率最高，為47.0%，這是由于有機(jī)物的降解主要依靠好氧微生物的生物代謝作用。曝氣生物濾池對(duì)COD的平均去除效率18.1%，這是因?yàn)槠貧馍餅V池對(duì)有機(jī)物的去除主要是依靠物理攔截、化學(xué)氧化和生物代謝共同作用。

2.2 氨氮的生物去除效率與機(jī)理分析

氨氮生物去除效果對(duì)比如圖3所示。由圖3可見(jiàn)，試驗(yàn)生物處理段厭氧池、缺氧池、好氧池和生物濾池對(duì)氨氮的平均去除效率分別為9.8%、18.4%、66.3% 和19.9%，氨氮平均總生物去除率80.1%。試驗(yàn)中厭氧單元主要發(fā)生水解酸化，但對(duì)氨氮的平均去除效率為9.8%，按經(jīng)典的脫氮理論無(wú)法解釋。但很多實(shí)際污水處理廠卻發(fā)現(xiàn)厭氧條件下能脫硝［8］。經(jīng)典脫氮理論認(rèn)為硝化作用只發(fā)生在好氧條件下，而反硝化只能在厭氧或缺氧的條件下進(jìn)行。但厭氧氨氧化 （anaerobic ammonia oxidation，Anammox）理論突破了長(zhǎng)期以來(lái)氨氧化必須有氧參與的觀念，它提出一種以氨為電子供體、以亞硝酸鹽為電子受體的生物反應(yīng)，反應(yīng)物為氮?dú)?，其反?yīng)式為：NH＋4＋NO－2→N2＋2H2O［9，10］，它突破了經(jīng)典的硝化－反硝化理論，開(kāi)創(chuàng)了嶄新的生物脫氮工藝。另外，20世紀(jì)80年代科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了好氧反硝化菌，且在許多實(shí)際運(yùn)營(yíng)中的好氧硝化池中也常常發(fā)現(xiàn)有30%的總氮損失［11，12］。好氧反硝化菌的發(fā)現(xiàn)使硝化／反硝化反應(yīng)在同一個(gè)反應(yīng)器即好氧池中進(jìn)行成為現(xiàn)實(shí)，并證明了自然界中好氧反硝化菌的生物多樣性，且在處理過(guò)程中好氧反硝化細(xì)菌更容易控制，這表明好氧反硝化菌理論對(duì)廢水生物脫氮又有了全新的貢獻(xiàn)［13］。因此，新的脫氮理論－厭氧氨氧化理論能很好解釋這點(diǎn)。因?yàn)镹H＋4在厭氧條件下以NO－2為電子受體直接被氧化為N2。傳統(tǒng)的生物脫氮包括氨化、硝化和反硝化3個(gè)生化過(guò)程。但是隨著對(duì)生物脫氮機(jī)理、實(shí)際工藝運(yùn)行及其環(huán)境微生物學(xué)研究的深入，不少學(xué)者發(fā)現(xiàn)在自然界及污水處理廠中存在著多種不同的氮轉(zhuǎn)化途徑，如：①短程硝化反硝化，將硝化過(guò)程控制在NO－2階段，再直接進(jìn)行反硝化；②厭氧氨氧化，NH＋4在厭氧條件下以NO－2為電子受體然后直接被氧化為N2；且同時(shí)硝化反硝化、缺氧反硝化、好氧的硝化和好氧的BOD氧化并行同時(shí)發(fā)生。此外，發(fā)現(xiàn)處理水質(zhì)對(duì)氨氧化菌AOB及細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)有明顯影響，處理規(guī)模對(duì)AOB和細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)也有一定影響［14］。而本試驗(yàn)確實(shí)發(fā)生厭氧氨氧化，是因?yàn)樵摶钚晕勰嘀斜获Z化出厭氧氨氧化菌。

圖2 各生物處理單元不同日期COD處理效果對(duì)比

圖3 各生物處理單元不同日期氨氮處理效果對(duì)比

缺氧池對(duì)氨氮的平均去除效率為18.4%，雖然偏低，按傳統(tǒng)脫氮理論是能夠解釋的。好氧池對(duì)氨氮的平均去除效率最高，高達(dá)66.3%，這是因?yàn)楹醚鯒l件下發(fā)生了硝化反應(yīng)，硝化菌的活性很高，且應(yīng)該發(fā)生好氧反硝化，這才能解釋缺氧池對(duì)氨氮的平均去除效率偏低的現(xiàn)象 （18.4%）。一般認(rèn)為硝化作用只發(fā)生在好氧條件下，而反硝化只能在厭氧或缺氧的條件下進(jìn)行。但20世紀(jì)80年代科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了好氧反硝化菌，而在許多實(shí)際運(yùn)營(yíng)中的好氧硝化池中也常常發(fā)現(xiàn)有30%的總氮損失。人們推測(cè)這些好氧反硝化菌可能廣泛存在于廢水生物處理池和自然環(huán)境中，而且對(duì)廢水生物脫氮有一定的貢獻(xiàn)。諸多學(xué)者分別證實(shí)了這一點(diǎn)［13，15～17］。曝氣生物濾池對(duì)氨氮的平均去除效率19.9%，這是因?yàn)槠貧馍餅V池對(duì)氨氮的去除也是依靠物理攔截、化學(xué)氧化和生物代謝共同作用。

2.3 TP的生物去除效率與機(jī)理分析

TP生物去除效果對(duì)比如圖4所示。

經(jīng)典污水除磷技術(shù)有化學(xué)除磷和生物除磷2種主要方式，而生物除磷技術(shù)主要含括同化吸收和強(qiáng)化生物除磷2種作用，但僅依靠同化吸收作用，往往不能實(shí)現(xiàn)磷的達(dá)標(biāo)排放。聚磷菌 （PAOs）能夠在厭氧／好氧交替的條件下逆濃度梯度超過(guò)自身生長(zhǎng)需要10多倍的量大量吸收磷酸鹽到體內(nèi)，并以多聚磷酸鹽的形式儲(chǔ)存。強(qiáng)化生物除磷就是利用聚磷菌的這種特性，通過(guò)排除富含多聚磷酸鹽的剩余污泥來(lái)實(shí)現(xiàn)去除污水中磷的目的［17］。這也就是經(jīng)典生物除磷理論——厭氧條件下釋放磷，好氧條件下吸收磷。但是，由圖4可見(jiàn)，試驗(yàn)生物處理段厭氧池、缺氧池、好氧池和生物濾池對(duì)TP的平均去除效率分別為22.8%、25.1%、63.5%和21.5%，TP平均總生物去除率83.4%。厭氧池對(duì)TP的平均去除效率為22.8%，對(duì)此經(jīng)典的除磷理論無(wú)法解釋?zhuān)驗(yàn)榻?jīng)典生物除磷理論認(rèn)為厭氧條件下釋放磷，即厭氧條件下釋放磷、好氧條件下吸收磷達(dá)到污水中除磷的目的，但反硝化除磷理論的提出，為有效解決傳統(tǒng)脫氮除磷工藝中存在的矛盾問(wèn)題提供了新方法。反硝化除磷又稱(chēng)為缺氧吸磷，是指在缺氧／厭氧交替運(yùn)行的情況下，逐漸馴化出一類(lèi)以NO－3－N作為最終電子受體的反硝化聚磷菌的優(yōu)勢(shì)菌屬，該菌屬能以NO－3作為電子受體，利用內(nèi)碳源（PHB），通過(guò)“一碳雙用”方式同時(shí)發(fā)生反硝化脫氮和吸磷作用。因此，反硝化除磷理論打破了傳統(tǒng)脫氮除磷機(jī)理所認(rèn)為的脫氮除磷必須分別由專(zhuān)性反硝化菌和專(zhuān)性聚磷菌來(lái)完成的理念，實(shí)現(xiàn)了反硝化脫氮過(guò)程和除磷可以由同一類(lèi)微生物來(lái)完成，這對(duì)生物脫氮除磷機(jī)理又是一重大理論突破，為生物脫氮除磷工藝的拓展開(kāi)辟了新領(lǐng)域［18，19］。反硝化除磷理論恰好能很好解釋上述現(xiàn)象。因?yàn)樵摴に嘇AO中厭氧池應(yīng)該生長(zhǎng)著大量的反硝化聚磷菌，作為優(yōu)勢(shì)菌屬，能以NO－3作為電子受體，利用內(nèi)碳源（PHB），通過(guò)“一碳兩用”方式同時(shí)實(shí)現(xiàn)反硝化脫氮和吸磷作用，這也佐證了厭氧池對(duì)氨氮的平均去除效率為9.8%的現(xiàn)象。缺氧池對(duì)TP的平均去除效率為25.1%，這是由于缺氧池發(fā)生了明顯的缺氧吸磷作用。好氧池對(duì)TP的平均去除效率為63.5%，除了污泥的吸附外，這與經(jīng)典生物除磷理論——厭氧條件下釋放磷、好氧條件下吸磷相吻合。生物濾池對(duì)TP的平均去除效率21.5%，這同樣是曝氣生物濾池發(fā)生物理攔截、化學(xué)氧化和生物代謝等協(xié)同作用的結(jié)果。

圖4 各生物處理單元不同日期TP處理效果對(duì)比

3 結(jié)論

1）采用“AAO法＋生物濾池＋絮凝沉淀”組合工藝處理難生物降解的抗生素類(lèi)制藥廢水為主的混合工業(yè)廢水，對(duì)COD、氨氮和TP的生物去除效率分別為73.4%、80.1%和83.4%，系統(tǒng)取得了很好的處理效果。

2）厭氧池、缺氧池、好氧池和生物濾池對(duì)COD的平均去除效率分別為34.4%、6.8%、47.0%和18.1%，在厭氧單元主要是發(fā)生水解酸化、開(kāi)環(huán)和斷鏈，有機(jī)物去除主要依靠好氧微生物的生物代謝作用。

3）厭氧池、缺氧池、好氧池和生物濾池對(duì)氨氮的平均去除效率分別為9.8%、18.4%、66.3%和19.9%，試驗(yàn)中厭氧單元由于發(fā)生厭氧氨氧化對(duì)氨氮一定的生物降解作用，缺氧池因缺氧反硝化對(duì)氨氮明顯的生物降解作用，好氧池發(fā)生了好氧硝化反應(yīng)，且發(fā)生好氧反硝化反應(yīng)，對(duì)氨氮的去除起主導(dǎo)作用。

4）厭氧池、缺氧池、好氧池和生物濾池對(duì)TP的平均去除效率分別為22.8%、25.1%、63.5%和21.5%，厭氧池應(yīng)該生長(zhǎng)著大量的反硝化聚磷菌，同時(shí)實(shí)現(xiàn)反硝化脫氮和吸磷作用。缺氧池發(fā)生明顯的缺氧吸磷作用。好氧池因好氧吸磷，對(duì)TP的去除貢獻(xiàn)最大。

5）生物濾池對(duì)COD、氨氮和TP的去除，主要是物理吸附、機(jī)械過(guò)濾和生物降解等協(xié)同作用的結(jié)果。

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