鹽度階段性提升馴化耐鹽活性污泥技術(shù)研究

侯 哲

（沈陽(yáng)建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168）

高鹽廢水指的是鹽度在1%以上的廢水，隨著我國(guó)工業(yè)的不斷發(fā)展，高鹽廢水的排放量也逐漸增長(zhǎng)，其所含的污染物濃度也越來(lái)越高，成分也更加復(fù)雜，高鹽廢水排放所帶來(lái)的環(huán)境壓力和危害也會(huì)越來(lái)越大，食品加工、石油天然氣加工等工業(yè)排放是高鹽廢水的主要來(lái)源［1］。此類廢水若未經(jīng)處理直接排放，極容易造成水體富營(yíng)養(yǎng)化、水體生物死亡、土壤植物和生物脫水死亡等問(wèn)題。高鹽廢水的處理方法主要有物理法、化學(xué)法、生物法等，物理法和化學(xué)法不僅成本昂貴，并且容易造成二次污染［2］，生物法憑借其經(jīng)濟(jì)、高效等優(yōu)點(diǎn)被廣泛用于污水處理領(lǐng)域。適當(dāng)?shù)柠}度可以促進(jìn)酶的反應(yīng)、平衡細(xì)胞內(nèi)外滲透壓，但當(dāng)細(xì)胞外鹽度過(guò)高時(shí)，會(huì)造成細(xì)胞外滲透壓過(guò)大，導(dǎo)致細(xì)胞過(guò)度脫水、發(fā)生質(zhì)壁分離現(xiàn)象，從而造成細(xì)胞死亡［3］。所以傳統(tǒng)的生物法對(duì)高鹽廢水的去除效果并不理想。將微生物在含鹽的環(huán)境中馴化一段時(shí)間后，可以適應(yīng)含鹽的環(huán)境，對(duì)污染物的去除能力也有一定的提升。楊?。?］人等采用序批式活性污泥法（SBR）處理高含鹽石油發(fā)酵工業(yè)廢水，廢水的 TDS為50000mg/L，CODCr為3000～6000mg/L。研究發(fā)現(xiàn)，高含鹽量對(duì)馴化后的耐鹽活性污泥沒(méi)有明顯的抑制作用。CODCr有機(jī)負(fù)荷達(dá)到1.0kg/kgVSS·d，CODCr去除率穩(wěn)定在90%以上，BOD5去除率穩(wěn)定在95%以上。

本研究采用未經(jīng)馴化的活性污泥通過(guò)對(duì)進(jìn)出水水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，考察馴化過(guò)程中鹽度階段性提升對(duì)污染物去除的影響。

1 方法

1.1 活性污泥來(lái)源及試驗(yàn)用水水質(zhì)

試驗(yàn)所用活性污泥取自沈陽(yáng)市北部污水處理廠的二沉池，試驗(yàn)用水為人工模擬高鹽廢水，成分為：MgSO43.248g/L；MgCl22.26g/L；CaCl21.153g/L； NaHCO30.198g/L； KCl 0.721g/L；K2HPO4·3H2O 1g/L；NH4Cl 0.357g/L；CH3COONa 5.13g/L；FeSO4·7H2O 0.05g/L；

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用兩個(gè)完全相同的圓柱形SBR反應(yīng)器1#和2#，兩者均由有機(jī)玻璃制成，直徑為250mm，高為500mm，反應(yīng)器有效容積為8L。反應(yīng)器底端設(shè)置排泥口進(jìn)行手動(dòng)排泥，反應(yīng)器兩側(cè)均設(shè)置多個(gè)取樣口，試驗(yàn)出水由排水取樣口排出，進(jìn)水采用手動(dòng)方式。由空氣壓縮泵供氧，通過(guò)轉(zhuǎn)子流量計(jì)調(diào)節(jié)曝氣量；反應(yīng)器上方設(shè)有電動(dòng)攪拌器，內(nèi)部的攪拌槳對(duì)反應(yīng)器內(nèi)的活性污泥進(jìn)行攪拌，使其混合均勻；通過(guò)時(shí)控開關(guān)自動(dòng)控制曝氣與攪拌時(shí)間。反應(yīng)器外壁設(shè)有水浴套筒，由溫控裝置控制水浴溫度在30±1℃，試驗(yàn)裝置如圖1所示（1.有機(jī)玻璃反應(yīng)器；2.機(jī)械攪拌裝置；3.機(jī)械攪拌控制器；4.攪拌器開關(guān)；5.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)鈕；6.時(shí)控開關(guān)；7.出水閥門；8.攪拌葉片；9.曝氣頭；10.轉(zhuǎn)子流量計(jì)；11.空氣壓縮泵；12.電源；13.電源線；14.曝氣管；15.支撐架）。

圖1 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)裝置

1.3 檢測(cè)方法

氨氮測(cè)定采用納氏試劑比色法 ，硝氮測(cè)定采用紫外分光光度法，亞硝氮測(cè)定采用N一（1一萘基 ）一乙二胺光度法，所用儀器為752紫外可見分光光度計(jì)（上海光譜儀器有限公司）；pH測(cè)定用 $20數(shù)顯 pH計(jì)；COD采用滴定法。

2 結(jié)果與討論

2.1 鹽度階段性提升對(duì)氨氮去除的影響

圖2 1#系統(tǒng)馴化過(guò)程中NH4+-N去除效果圖

圖3 2#系統(tǒng)馴化過(guò)程中NH4+-N去除效果圖

本研究以2d為一個(gè)周期對(duì)NH4+-N的進(jìn)出水濃度進(jìn)行檢測(cè)。由圖2和圖3可以看出，在馴化初期，兩反應(yīng)器NH4+-N的出水濃度維持在40mg/L左右，去除率僅有30%。這是因?yàn)榻到釴H4+-N的亞硝化菌屬于自養(yǎng)菌，由于進(jìn)水的有機(jī)物濃度較為充足，使得異養(yǎng)菌在與自養(yǎng)菌的競(jìng)爭(zhēng)中更占優(yōu)勢(shì)［5］，導(dǎo)致亞硝化菌數(shù)量較少，生長(zhǎng)緩慢。第9周期以后，NH4+-N的去除效果逐漸好轉(zhuǎn)，這是因?yàn)榛钚晕勰嘀衼喯趸臄?shù)量逐漸增多。兩系統(tǒng)在第14周期已基本達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行，1#反應(yīng)器NH4+-N的濃度由54.9mg/L降至5.39mg/L，去除率達(dá)為90.2%。2#反應(yīng)器NH4+-N的濃度由50.85mg/L降至4.78mg/L，去除率為90.6%。在第15周期將系統(tǒng)的鹽度提升至1%，1#和2#反應(yīng)器的去除率都有一定程度的下降，分別為55.08%和63.14%，運(yùn)行至20周期時(shí)，兩系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行，1#反應(yīng)器NH4+-N的濃度由48.56mg/L降至5.49mg/L，去除率為88.96%。2#反應(yīng)器NH4+-N的濃度由48.86mg/L降至3.06mg/L，去除率為93.74%。運(yùn)行至第21周期將系統(tǒng)的鹽度提升至2%，1#和2#系統(tǒng)對(duì)NH4+-N的去除率分別為62.03%和90.03%，運(yùn)行至第28周期，兩系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行，1#反應(yīng)器NH4+-N的濃度由47.35mg/L降至1.2mg/L，去除率為97.47%，2#反應(yīng)器NH4+-N的濃度由48.86mg/L降至0.64mg/L，去除率為98.69%。在第29周期將鹽度提升至3%，對(duì)兩系統(tǒng)去除率影響較小，1#和2#反應(yīng)器對(duì)NH4+-N的去除率分別為98.63%和98.48%，之后系統(tǒng)持續(xù)保持穩(wěn)定運(yùn)行。

可以看出，鹽度階段性提升初期對(duì)NH4+-N的去除有一定的抑制作用，但運(yùn)行一段時(shí)間后，系統(tǒng)會(huì)適應(yīng)當(dāng)前鹽度，依然會(huì)有較高的去除率。分析認(rèn)為，亞硝化菌的耐鹽性較強(qiáng)，并且系統(tǒng)中充足的溶解氧有助于其保持活性。

2.2 鹽度階段性提升對(duì)COD去除的影響

圖4 1#系統(tǒng)馴化過(guò)程中COD去除效果圖

圖5 2#系統(tǒng)馴化過(guò)程中COD去除效果圖

COD是水質(zhì)檢測(cè)的重要指標(biāo)之一，本研究在馴化過(guò)程中以兩天為一個(gè)周期，同時(shí)對(duì)1#、2#反應(yīng)器COD的進(jìn)出水含量進(jìn)行長(zhǎng)期檢測(cè)。圖4及圖5可以反映出在馴化過(guò)程中COD的去除效果。在鹽度為0%的階段，兩反應(yīng)器COD的出水濃度穩(wěn)定在60mg/L左右，COD的去除率高達(dá)90%以上。此時(shí)系統(tǒng)內(nèi)并未添加氯化鈉，所以COD的去除率較高。運(yùn)行至第15周期時(shí)，將系統(tǒng)的鹽度提升至1%，1#和2#反應(yīng)器COD的去除率分別下降至86.97%和87.50%。雖然有一定程度的抑制，但兩系統(tǒng)依然對(duì)COD保持較高的去除率。運(yùn)行一段時(shí)間后，兩系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，COD的去除率都達(dá)到了90%以上。在第21周期將系統(tǒng)的鹽度提升至2%，此時(shí)系統(tǒng)出現(xiàn)一定的波動(dòng)，1#反應(yīng)器COD的去除率由95.69%降至87.35%，2#反應(yīng)器COD的去除率由94.38%降至86.40%，這是因?yàn)樵邴}度較高的環(huán)境下，細(xì)胞外部的滲透壓過(guò)大，導(dǎo)致細(xì)胞過(guò)度失水，從而使細(xì)胞發(fā)生質(zhì)壁分離，使細(xì)胞因過(guò)度失水而死亡。運(yùn)行4d后，微生物已適應(yīng)高鹽環(huán)境，對(duì)COD的去除率依然維持在90%以上。運(yùn)行至第30周期將系統(tǒng)的鹽度提升至3%，此時(shí)的活性污泥已適應(yīng)高鹽度，鹽度的階段性提升并未影響到COD的去除率，兩系統(tǒng)對(duì)COD的去除率始終維持在90%以上。綜上所述，鹽度的階段性提升對(duì)COD的去除影響較小，說(shuō)明系統(tǒng)中微生物對(duì)鹽度的耐受力較強(qiáng)。

2.3 鹽度階段性提升對(duì)亞硝態(tài)氮去除的影響

圖6 1#系統(tǒng)馴化過(guò)程中NO2--N積累效果圖

圖7 2#系統(tǒng)馴化過(guò)程中NO2--N積累效果圖

本研究在馴化過(guò)程中以4d為一個(gè)周期，對(duì)1#和2#反應(yīng)器NO2--N的進(jìn)出水濃度進(jìn)行檢測(cè)。在馴化初期，兩反應(yīng)器NO2--N的出水濃度較高，維持在20mg/L左右。在系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行后，NO2--N的出水濃度穩(wěn)定在10mg/L以下，這是因?yàn)橄趸鷮儆谧责B(yǎng)菌，在馴化初期系統(tǒng)中自養(yǎng)菌較少，且在與異養(yǎng)菌的競(jìng)爭(zhēng)中處于劣勢(shì)，需要一定的時(shí)間來(lái)進(jìn)行培養(yǎng)。將鹽度提升至1%以后，兩系統(tǒng)NO2--N的出水濃度開始提升，在第10周期達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行，1#和2#反應(yīng)器NO2--N的出水濃度分別為18.47mg/L和17.83mg/L。分析認(rèn)為，當(dāng)系統(tǒng)中鹽度過(guò)高時(shí)，絲狀菌以及原生動(dòng)物消失殆盡，而菌膠團(tuán)的結(jié)構(gòu)變得更加細(xì)小密實(shí)，異常緊密。污染物的去除是大量微生物共同的作用下完成的，過(guò)高的鹽度使污泥中生物數(shù)量減少，破壞了污泥的結(jié)構(gòu)，從而影響污染物的去除。在第11周期將鹽度提升至2%并達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行后，兩系統(tǒng)NO2--N的出水濃度已達(dá)到30mg/L以上。在第15周期將鹽度提升至3%，運(yùn)行至第17周期時(shí)兩系統(tǒng)已達(dá)到穩(wěn)定，此時(shí)1#和2#反應(yīng)器NO2--N的出水濃度分別為49.27mg/L和50.09mg/L。

隨著鹽度的逐漸提升，NO2--N的出水濃度所受影響較大。分析認(rèn)為硝化菌的耐鹽性較差，隨著NaCl濃度的繼續(xù)增加，細(xì)胞為維持微生物的活性而將水分保持在細(xì)胞質(zhì)膜內(nèi)，部分原本用于基質(zhì)降解以及細(xì)胞生長(zhǎng)或繁殖的氧氣被用來(lái)維持水分平衡，導(dǎo)致氧氣的需求量增加。并且鹽分的增加影響了氧氣的最大溶解度和直接轉(zhuǎn)化率，導(dǎo)致水中溶解氧量降低，NO2--N的積累現(xiàn)象愈發(fā)嚴(yán)重。亞硝化菌比硝化菌耐壓性更強(qiáng)，是由于其世代周期更短［5］。

2.4 鹽度階段性提升對(duì)硝態(tài)氮去除的影響

圖8 1#系統(tǒng)馴化過(guò)程中NO3--N積累效果圖

圖9 2#系統(tǒng)馴化過(guò)程中NO3--N積累效果圖

本研究以4d為一周期，對(duì)1#和2#反應(yīng)器NO3--N的進(jìn)出水濃度進(jìn)行檢測(cè)。馴化初期兩系統(tǒng)NO3--N的出水濃度在25mg/L左右。這是因?yàn)楸狙芯克梅磻?yīng)器為SBR系統(tǒng)，其硝化與反硝化過(guò)程皆在同一空間內(nèi)進(jìn)行，其反硝化過(guò)程主要在污泥顆粒內(nèi)部所形成的反硝化區(qū)進(jìn)行，而在馴化初始階段污泥顆粒內(nèi)部的反硝化區(qū)的厭氧菌較少，反硝化區(qū)還未成熟。將系統(tǒng)的鹽度提升至1%后，在第10周期達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行，1#和2#反應(yīng)器NO3--N的出水濃度在10mg/L左右。將鹽度提升至2%以后，兩系統(tǒng)NO3--N的出水濃度降低，在第14周期達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行，兩反應(yīng)器NO3--N的出水濃度分別為5.35mg/L和7.62mg/L。運(yùn)行至第15周期將系統(tǒng)的鹽度提升至3%，兩系統(tǒng)NO3--N的出水濃度繼續(xù)下降，穩(wěn)定在4mg/L左右。

NO3--N的出水濃度隨鹽度的提升而降低，主要是因?yàn)橄到y(tǒng)中污泥顆粒的厭氧區(qū)逐漸成熟，以及NO2--N積累量過(guò)多，只有少數(shù)的NO2--N轉(zhuǎn)化為NO3--N。

3 結(jié)語(yǔ)

鹽度的階段性提升對(duì)COD以及NH4+-N的去除率影響較小，當(dāng)鹽度為3%時(shí)，COD以及NH4+-N的去除率都能達(dá)到90%以上。

鹽度的階段性提升對(duì)NO2--N以及NO3--N的出水濃度影響較大，當(dāng)鹽度為3%時(shí)，NO2--N以及NO3--的出水濃度分別為50mg/L和4mg/L左右。