低溫條件下活性污泥反應(yīng)器處理啤酒廢水啟動過程研究*

李春暉，雒江菡，鄭昌江，閻力君*

（哈爾濱商業(yè)大學(xué)a.細(xì)胞與分子生物學(xué)研究所；b.生命科學(xué)與環(huán)境科學(xué)研究中心；c.旅游烹飪學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001）

低溫條件下活性污泥反應(yīng)器處理啤酒廢水啟動過程研究*

李春暉a,b，雒江菡a，鄭昌江c，閻力君a*

（哈爾濱商業(yè)大學(xué)a.細(xì)胞與分子生物學(xué)研究所；b.生命科學(xué)與環(huán)境科學(xué)研究中心；c.旅游烹飪學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001）

為加強(qiáng)我國北方利用好氧活性污泥工藝處理啤酒廢水的有效應(yīng)用，本文對低溫條件下活性污泥理化性質(zhì)隨培養(yǎng)時間的變化進(jìn)行了監(jiān)測，綜合分析了低溫條件下好氧活性污泥的啟動時間，進(jìn)一步優(yōu)化了低溫條件下好氧活性污泥工藝。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，低溫好氧活性污泥對啤酒廢水的處理具有較好的效果，在18d污泥沉降性能最好，沉降比為23.3%，CODMn去除率最高為84.2%；在第19d，NH4-N去除率達(dá)到最高，為73.6%，不同培養(yǎng)時間活性污泥的形態(tài)及生物種群差異較大。經(jīng)過綜合指標(biāo)判斷，18d為低溫條件下啤酒廢水好氧活性污泥系統(tǒng)的最佳啟動時間，18～20d為系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定期。

活性污泥；低溫；啤酒廢水；去除率

隨著人類生活水平的提高，對啤酒的需求量不斷增加，以致啤酒廠的生產(chǎn)規(guī)模不斷壯大。啤酒生產(chǎn)是耗水量巨大的行業(yè)，在我國每生產(chǎn)1t啤酒耗水量高達(dá)15t左右，所產(chǎn)生的廢水大約在10～30t，我國啤酒行業(yè)排放的廢水量每年高達(dá)4.0億m3，啤酒生產(chǎn)過程中廢水的排放量接近于耗水量的90%。啤酒廢水本身并無毒性，但因其含豐富的糖類、蛋白質(zhì)、淀粉、果膠、礦物鹽、纖維素、醇酸類和多種維生素，是一種中等濃度的有機(jī)工業(yè)廢水。若直接排入水體，就會消耗水中大量的溶解氧，造成水體缺氧，導(dǎo)致水生植物、魚類死亡；另外廢水中含有一定量的N、P等無機(jī)鹽，會導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化，使水質(zhì)惡化，對水環(huán)境造成污染。如果將啤酒廢水直接排入城鎮(zhèn)污水處理廠，廢水中高濃度污染物得不到理想的處理，還會對污水處理設(shè)施帶來嚴(yán)重的沖擊［2］。

活性污泥處理法是中、低濃度啤酒廢水處理中使用最多，運(yùn)行最可靠的方法［3,4］。我國的珠江啤酒廠、廣州啤酒廠、安徽圣泉啤酒廠、大田縣啤酒廠、揚(yáng)州啤酒廠和長春啤酒廠等廠家均采用此法處理啤酒廢水。據(jù)報道，進(jìn)水CODMn為1200～1500mg·L-1，CODMn出水濃度可降為50～100mg·L-1，去除率高達(dá)92%～96%［5］。此類活性污泥處理啤酒廢水的工藝通常用于常溫條件，處理效果較好，但在我國北方，由于冰封期較長、天氣寒冷，使得污水處理廠內(nèi)污水溫度僅有10～12℃左右，較低的溫度會降低污泥中微生物活性和代謝能力，從而導(dǎo)致污水處理效能降低，污水處理系統(tǒng)運(yùn)行及操作難度增加［6-8］。因此，優(yōu)化一套適用于北方低溫地區(qū)能有效、穩(wěn)定處理啤酒廢水的工藝已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。目前，大量的研究都集中在污泥系統(tǒng)運(yùn)行過程各參數(shù)的監(jiān)測以及剩余污泥的產(chǎn)量控制及處理等方面的研究，例如，有報道稱［9，10］，將反應(yīng)周期由1.5h延長至8h時，污泥比生長速率會下降88%，相對應(yīng)污泥產(chǎn)率由0.316gVSS/g COD下降至0.063g VSS/g COD。本文擬系統(tǒng)考察低溫條件下活性污泥培養(yǎng)過程污泥特性及其對污染物的處理效能，綜合評價好氧活性污泥系統(tǒng)最佳啟動時間，緩解低溫污水處理效率低、運(yùn)行費(fèi)用較高所帶來的一系列問題，為今后活性污泥法在北方地區(qū)廢水處理工程中的應(yīng)用提供工藝參數(shù)支持和進(jìn)一步的機(jī)制探討基礎(chǔ)。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)裝置采用實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的活性污泥反應(yīng)器，反應(yīng)器裝置工藝流程見圖1。

圖1　反應(yīng)器裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of a reactor

1.2實(shí)驗(yàn)污泥

實(shí)驗(yàn)污泥取自哈爾濱市文昌污水處理廠。

1.3原水水質(zhì)

實(shí)驗(yàn)原水來自商大酒店內(nèi)的啤酒廢水，根據(jù)污水處理廠的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，在低溫條件下4℃左右進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)期間原水水質(zhì)見表1。

表1　原水水質(zhì)Tab.1 Raw water quality

1.4檢測指標(biāo)與方法

水質(zhì)指標(biāo)參考《水和廢水監(jiān)測分析方法（第四版）》檢測。試驗(yàn)中主要的分析方法包括：濁度、沉降比、CODMn、TN、NH-N等［12］。具體采用的分析方法和檢測設(shè)備見表2。

表2　水質(zhì)分析方法及檢測設(shè)備Tab.2 Analyticalmethod and testing equipment ofwater quality

2　結(jié)果與討論

2.1培養(yǎng)時間對活性污泥沉降比的影響

由于污泥沉降比測定簡單，能反映曝氣池正常運(yùn)行時的污泥體積，還可用于控制剩余污泥的排放，因此，它是評定活性污泥特性的重要指標(biāo)之一。

本試驗(yàn)污泥沉降比的測定取曝氣池混合液在1000mL量筒中，靜置沉降30min后，沉降污泥與混合液的體積比。結(jié)果見圖2。

圖2　培養(yǎng)時間對污泥沉降比的影響Fig.2 Effectof different time on sludge settling ratio

進(jìn)水污泥沉降比為14.3%，經(jīng)過一天培養(yǎng)，沉降比有所升高，為18.4%，形態(tài)呈絮狀，顏色呈灰黑，直到第4d，污泥沉降比與投加時的相當(dāng)，這一階段沉降比的變化由于此時活性污泥中微生物還未適應(yīng)此時污水中的營養(yǎng)成分，處于休眠狀態(tài)，反應(yīng)系統(tǒng)不斷曝氣，污泥松散呈絮狀，菌膠團(tuán)較少或沒有，不易沉降，所以沉降比高于投加時；隨著活性污泥培養(yǎng)時間的延長，沉降比逐漸下降，沉降速度較快，在7d時，沉降比最低，為9.3%，這主要是由于活性污泥系統(tǒng)的主體是微生物，在此期間逐漸適應(yīng)培養(yǎng)環(huán)境，通過生長過程分泌菌膠團(tuán)等，使污泥易于沉降；隨著培養(yǎng)時間的進(jìn)一步延長，污泥中的微生物生長繁殖，生物量逐漸增加，污泥沉降比上升，但此時污泥沉降速度較快，這說明內(nèi)微生物生長由適應(yīng)期進(jìn)入到對數(shù)生長期，生長代謝能力逐漸由弱變強(qiáng)適應(yīng)，并產(chǎn)生了次級代謝產(chǎn)物菌膠團(tuán)，其形成促進(jìn)污泥顆粒物的形成，沉降速度較快，容易產(chǎn)生絮凝沉淀和層狀沉淀［12］；從第17d到第20d，污泥沉降比均保持在22%左右，說明此時為污泥系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定期；從21d開始，沉降比突然增加并一直保持較高的沉降比，這或許由于培養(yǎng)時間較長，污泥出現(xiàn)老化現(xiàn)象，微生物代謝能力較弱，菌膠團(tuán)和菌絲的生成量較低，活性污泥絮體松散，不易沉降。王碩等［14］在10℃條件下進(jìn)行配水實(shí)驗(yàn)，考察低溫好氧顆粒污泥形成過程，進(jìn)水CODMn1200mg·L-1，NH4-N 120mg· L-1，PO34-P 16mg·L-1，結(jié)果表明：SV30經(jīng)過35天培養(yǎng)，7%逐漸升高到17%［13］，進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，這比我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果長15d。

2.2培養(yǎng)時間對CODMn去除效能的影響

CODMn用來描述水中小分子有機(jī)污染物的量，是衡量水污染狀況的重要指標(biāo)，本實(shí)驗(yàn)采用高錳酸鉀指數(shù)法進(jìn)行。結(jié)果見圖3。

圖3培養(yǎng)時間對CODMn去除效能的影響Fig.3 Effectof different time on removal efficiency of CODMn

圖3為CODMn濃度隨培養(yǎng)時間的變化。在培養(yǎng)1～3d時，CODMn的去除率一直較低，平均去除率僅為15.3%，這是由于此時為污泥培養(yǎng)的適應(yīng)期，活性污泥微生物細(xì)胞分裂遲緩，數(shù)量沒有增加，進(jìn)水的CODMn僅僅用來維持細(xì)胞的體積增長，因此，去除率較低，另外，由于培養(yǎng)初期，活性污泥呈絮狀，沉降能力較差，從而對有機(jī)物吸附和降解能力較弱；隨著培養(yǎng)時間的延長，活性污泥微生物進(jìn)入生長期，呼吸代謝能力增強(qiáng)，污泥活性提高，CODMn去除率呈緩慢上升的趨勢，并在18d，達(dá)到最高，去除率為84.2%；培養(yǎng)17～20d之間，出水濃度去除率保持在82%～84%左右，去除率較為平穩(wěn)，這一階段微生物數(shù)量進(jìn)入穩(wěn)定期，繁殖和死亡速度達(dá)到平衡，數(shù)量基本保持不變，CODMn去除率保持穩(wěn)定，當(dāng)培養(yǎng)21d后，CODMn去除率下降，污泥出現(xiàn)膨脹，絮凝能力下降，但能保持在70%以上。

2.3培養(yǎng)時間對氨氮和總氮去除效能的影響

圖4　培養(yǎng)時間對NH4-N去除效能的影響Fig.4 Effectof different time on removal efficiency of NH4-N

圖5　培養(yǎng)時間對總氮去除效能的影響Fig.5 Effect of different time on removal efficiency of TN

NH4-N的去除主要是通過活性污泥中硝化細(xì)菌所推動，低溫條件下，硝化細(xì)菌的增長速率慢，世代周期長［14］，反應(yīng)器在運(yùn)行初期（從第1d到第7d）NH4-N和總TN去除率較低，平均值分別為9.57%和36.67%；隨著培養(yǎng)時間的延長，硝化細(xì)菌逐漸適應(yīng)了低溫環(huán)境，進(jìn)入對數(shù)生長期，對NH4-N利用率不斷增加，當(dāng)?shù)?9d時NH4-N去除率最高，為73.6%，在培養(yǎng)時間為18～20d為污泥系統(tǒng)穩(wěn)定期，NH4-N去除率均在72%～73%之間；當(dāng)超過21d時，NH4-N去除率低于70%，或許反應(yīng)系統(tǒng)發(fā)生污泥膨脹現(xiàn)象。值得指出的是，在整個培養(yǎng)過程中，TN去除率的平均值為52.18%，這個結(jié)果顯示，本活性污泥反應(yīng)系統(tǒng)存在著反硝化細(xì)菌，有研究表明，反硝化細(xì)菌與有氧呼吸系統(tǒng)同時存在，并發(fā)現(xiàn)了一些反應(yīng)系統(tǒng)在有氧條件下仍存在著較高的反硝化細(xì)菌，早在二十世紀(jì)80年代就有報道。因此，由于反應(yīng)器中存在著好氧反硝化細(xì)菌，使得活性污泥對TN的去除效能較為明顯。

2.4培養(yǎng)時間對污泥形態(tài)的影響

如圖6所示，第3d和第5d為活性污泥適應(yīng)期，污泥呈現(xiàn)松散的絮狀，交聯(lián)度較低，污泥沉降性能較差，并以細(xì)菌為主；隨著培養(yǎng)時間的延長，有小型微生物和菌絲的出現(xiàn)；當(dāng)活性污泥進(jìn)入對數(shù)生長期，污泥呈棕黃色。

圖6　適應(yīng)期活性污泥形態(tài)Fig.6 Adaptation of the activated sludge

圖7　生長期活性污泥形態(tài)Fig.7 Growth stage of the activated sludge

結(jié)果如圖7，交聯(lián)度逐漸升高，發(fā)現(xiàn)污泥中有大量菌絲和菌膠團(tuán)的出現(xiàn)，原生動物豐度和多樣性增加，有輪蟲和柄纖毛蟲出現(xiàn)，說明水質(zhì)有較大改善，活性污泥性能較好；當(dāng)培養(yǎng)時間超過17d時，污泥生長進(jìn)入穩(wěn)定期。

圖8　穩(wěn)定期活性污泥形態(tài)Fig.8 Stable stage of the activated sludge

如圖8所示，污泥交聯(lián)緊密，并且污泥分布較均勻，原生動物豐度和多樣性增加，出現(xiàn)柄纖毛蟲、游泳型纖毛蟲、輪蟲及漫游蟲等等，說明活性污泥系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定；當(dāng)培養(yǎng)時間超過21d時，污泥生長進(jìn)入衰亡期。

圖9衰亡期活性污泥形態(tài)Fig.9 Decline of the activated sludge

圖9表示，污泥交聯(lián)度下降，形態(tài)比較松散，原生動物種類和數(shù)量降低，線蟲和豆形蟲的出現(xiàn)說明此時有機(jī)物濃度較高，活性污泥活力下降。

由圖6～9的結(jié)果可以說明，不同培養(yǎng)時間活性污泥的形態(tài)及生物群結(jié)構(gòu)差異較大，但在各反應(yīng)階段對CODMn、NH4-N和總氮的去除效率與生物種群的生長狀態(tài)是一致的，因此，通過鏡檢可以監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

3　結(jié)論

啤酒廢水是高濃度的無毒有機(jī)廢水，在氣溫較低的北方仍然適宜用活性污泥法處理啤酒廢水，由于較低的溫度限制了活性污泥中微生物、原生動物和后生動物的生長繁殖，系統(tǒng)啟動時間較長，在18d時，活性污泥系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定期，此時污泥的沉降比穩(wěn)定在22%～24%之間，此時活性污泥吸附和絮凝能力較強(qiáng)；另外活性污泥在此期間對有機(jī)物、氨氮和總氮有較高的去除率，去除率分別為82%～840%、72%～73%和63%～64%。由此證明，低溫條件下，好氧活性污泥系統(tǒng)對啤酒廢水仍然保持較高的去除率，好氧活性污泥系統(tǒng)啟動時間至少為18d，反應(yīng)器能穩(wěn)定運(yùn)行并保持較高的去污染物活性。

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Study on start-up process of beer wastewater by activated sludge reactor disposal under low tem perature*

LIChun-huia，b，LUO Jiang-hana，ZHENGChang-jiangc，YAN Li-juna*
（a.Cell and Molecular Biology Institute；b.Life and Environment Science Research Center；c.Tourist and Cooking College，Harbin University of Commerce，Harbin 150001，China）

To strengthen the application of aerobic activated sludge process to dispose brewery wastewater in north China，the activated sludge with culture time under low temperature was characterized.The start-up time for aerobic activated sludge process under low temperature was analyzed，and the aerobic activated sludge process under low temperature was further optimized.The results showed that aerobic activated sludge treatment of brewery wastewater has a good effect under low temperature.Sludge settling properties preferably in 18 days：Settlement ratio was 23.3%；CODMnremoval ratewas 84.2%.The removal rate of ammonia nitrogen was the highest and 73.6% in 19 days.Culture time affected the form of sludge and organism community in aerobic activated sludge.As a result，the 18th day for the brewery wastewater treatment of aerobic activated sludge system，was designated as an optimal start time and the 18th～20th days for the system were thought as a stable period.

activated sludge；low temperature；brewerywastewater；removal rate

X703

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20160941

2016-06-07

哈爾濱市科技局優(yōu)秀學(xué)科帶頭人項(xiàng)目資助（2013RFXXJ054）

李春暉（1991-），男，漢，在讀碩士研究生，在讀從事環(huán)境監(jiān)測與水處理技術(shù)研究。

閻力君（1963-），女，漢，教授，博士生導(dǎo)師，理學(xué)博士，主要從事生物技術(shù)研究。