污泥低溫馴化及其對(duì)農(nóng)村生活污水處理效果的研究

黃秋婷，薛天福**，楊 梅*，金朝輝

(1.吉林化工學(xué)院 生物與食品工程學(xué)院，吉林 吉林 132022；2.吉林化工學(xué)院 研究生學(xué)院，吉林 吉林 132022)

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，農(nóng)村生活條件的不斷改善，農(nóng)村用水量也在逐年上升.但是，在我國(guó)農(nóng)村，污水處理體系并未普及，隨意排放的生活污水使江河湖泊水質(zhì)嚴(yán)重下降[1]，對(duì)農(nóng)村的水環(huán)境產(chǎn)生了嚴(yán)重影響，給農(nóng)村居民的用水安全和身體健康帶來(lái)威脅[2-3]，農(nóng)村生活污水治理迫在眉睫.

目前，基于序批式活性污泥法(SBR)工藝的一體化污水處理設(shè)備是農(nóng)村污水處理的研究熱點(diǎn)，該設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用低、可操作性強(qiáng)、常溫下處理效果好，且占地面積小，比較適合農(nóng)村人口密度小、污水排放不連續(xù)等情況[4-5].但我國(guó)北方地區(qū)冬季溫度較低，活性污泥作為多種微生物共生的一個(gè)群體，會(huì)隨著溫度的降低活性逐漸下降，對(duì)有機(jī)物的降解速度也隨之下降，導(dǎo)致冬季污水處理效率低[6-8].因此，寒冷地區(qū)的城市污水廠通常會(huì)采用加熱保溫、增大污泥回流量和污水停留時(shí)間等措施來(lái)保證出水達(dá)標(biāo)，這樣不僅增加了工藝難度與能耗，而且增加了工程投資和運(yùn)行費(fèi)用[9].

為此，相關(guān)領(lǐng)域研究人員利用生物強(qiáng)化技術(shù)[10]馴化活性污泥，從而提高污泥的耐低溫特性.例如，王長(zhǎng)生等人[11]采用流態(tài)連續(xù)形方法，在水溫為11～13 ℃的反應(yīng)器中對(duì)污泥進(jìn)行馴化，馴化后污泥對(duì)初始COD(化學(xué)需氧量)為450 mg·L-1的污水去除率最高為86.3%；伍海全等人[12]對(duì)污泥進(jìn)行階段性耐低溫馴化，10 d在5 ℃條件下對(duì)初始COD為610 mg·L-1左右的污水去除率可達(dá)95%以上；也有研究表明，通過(guò)外加磁場(chǎng)的方法也能對(duì)污泥進(jìn)行馴化，增強(qiáng)污泥活性和耐寒性，Chuan Niu等人[13]在低溫條件下對(duì)污泥給予適當(dāng)靜磁場(chǎng)，馴化階段對(duì)初始COD為400 mg·L-1的污水去除率可達(dá)91.65%.因此，對(duì)污泥進(jìn)行耐低溫馴化，為解決北方地區(qū)冬季農(nóng)村生活污水難處理問(wèn)題提供了解決辦法.

擬將生物強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)村污水處理當(dāng)中，運(yùn)用逐級(jí)降溫的方法馴化活性污泥，使污泥在低溫條件下仍能降解水中有機(jī)物，并考察污泥對(duì)人工污水及實(shí)際農(nóng)村生活污水的處理情況，以及在污水處理過(guò)程中的最適接種量，出水COD達(dá)到農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(GB 5084-2005)中水作物的標(biāo)準(zhǔn)值[14]，實(shí)現(xiàn)水資源的循環(huán)利用.這不但為寒冷地區(qū)污水處理提供了解決辦法，也將為新農(nóng)村環(huán)境治理與建設(shè)做出貢獻(xiàn).

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料來(lái)源

污泥：吉林市某污水廠污泥.

培養(yǎng)基：LB培養(yǎng)基.

生活污水：吉林市周邊農(nóng)村三戶化糞池污水，標(biāo)記為生活污水A、B、C.

人工污水[12]：葡萄糖，0.170 g；可溶性淀粉，0.160 g；乙酸鈉，0.233 g；氯化銨，0.025 g；蛋白胨，0.158 g；牛肉膏，0.040 g；硫酸銨，0.028 g；磷酸二氫鉀，0.070 g；碳酸鈉，0.060 g；自來(lái)水，1 L.將上述成分滅菌后備用.以上試劑均為分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠生產(chǎn).

1.2 實(shí)驗(yàn)主要設(shè)備

生化培養(yǎng)箱(上海一恒LRH-800F)、全恒溫振蕩培養(yǎng)箱(上海一恒HZQ-X300C)、多參數(shù)消解儀(北京連華LH-25A)、多參數(shù)水質(zhì)測(cè)定儀(北京連華5B-3B)、潔凈工作臺(tái)(上海昕?jī)xSW-CJ-2FD)等，均在室溫下使用和測(cè)定.

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 污泥的耐低溫馴化

將采集的污泥用LB液體培養(yǎng)基于25 ℃生化培養(yǎng)箱內(nèi)活化3 d，然后取活化的濕污泥5 g(含水量為83%)，加入到裝有200 mL人工污水的三角瓶?jī)?nèi)，20 ℃條件下恒溫培養(yǎng)7 d，定時(shí)搖勻，靜置澄清后檢測(cè)上層液COD.用蒸餾水沖洗沉降污泥，再依次進(jìn)行15、12、10、8 ℃的馴化實(shí)驗(yàn)，每個(gè)溫度重復(fù)馴化3次.

1.3.2 不同馴化污泥量對(duì)人工污水的處理效果

取8 ℃馴化后的活性污泥，反復(fù)用蒸餾水沖洗、沉降數(shù)次，抽濾棄去水份，分別稱取濕重為1、2、3、4、5 g的污泥加至200 mL滅菌的人工污水中，放置生化培養(yǎng)箱內(nèi)8 ℃培養(yǎng)7 d，定時(shí)搖勻，靜置澄清后檢測(cè)上層液COD.以不加污泥的人工污水作為對(duì)照.

1.3.3 馴化污泥對(duì)生活污水處理能力的測(cè)定

取最適接種量的已馴化污泥，分別加至裝有200 mL實(shí)際生活污水A、B、C的三角瓶?jī)?nèi)，8 ℃條件下恒溫培養(yǎng)，定時(shí)搖勻，靜置澄清后檢測(cè)上層液COD，直至COD降至150 mg·L-1以下或無(wú)明顯變化，計(jì)算COD去除率.

1.3.4 污泥馴化與非馴化對(duì)生活污水處理能力的比較

取最適接種量非馴化污泥，加入裝有200 mL實(shí)際生活污水C的三角瓶?jī)?nèi)，8 ℃條件下恒溫培養(yǎng)，定時(shí)搖勻，靜置澄清后檢測(cè)上層液COD，處理時(shí)間與馴化污泥對(duì)實(shí)際生活污水C的處理時(shí)間相同，比較兩種污泥在低溫條件下對(duì)污水的處理能力是否有顯著差異.

1.4 測(cè)定與分析方法

COD使用消解儀和多參數(shù)水質(zhì)分析儀測(cè)定，檢測(cè)方法依據(jù)國(guó)家法規(guī)《快速消解分光光度法(HJ/T399-2007)》[15].

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用origin8.5進(jìn)行分析作圖.

COD去除率：

最適污泥濃度公式：

2 結(jié)果與討論

2.1 污泥的耐低溫馴化

我國(guó)北方農(nóng)村的農(nóng)民土地使用面積占比較高，以農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)作為處理標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)處理后的水用于灌溉，可以利用土壤系統(tǒng)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)污染物的分解及N、P元素在農(nóng)村生態(tài)系統(tǒng)的循環(huán)，降低污水處理的難度、成本及能耗.將從污水處理廠取回的活性污泥，按照20、15、12、10、8 ℃5個(gè)溫度梯度進(jìn)行逐級(jí)降溫馴化實(shí)驗(yàn)，最后一次馴化期間活性污泥對(duì)人工污水的處理結(jié)果如圖1所示.

t/d圖1 不同溫度馴化污泥出水COD隨時(shí)間變化曲線

由圖1可知，各馴化溫度下，人工污水的COD值隨時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸減小.20 ℃馴化時(shí)，第4 d可將人工污水COD降至150 mg·L-1以下，達(dá)到農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中水作物的灌溉要求(≤150 mg·L-1)，出水COD為131.6 mg·L-1；第6 d，其它馴化溫度下出水COD也都達(dá)到此標(biāo)準(zhǔn)，12 ℃下的出水COD最低，為86.13 mg·L-1，其中10、12、15、20 ℃的馴化結(jié)果同時(shí)達(dá)到加工、烹飪及去皮蔬菜作物灌溉的COD標(biāo)準(zhǔn)(≤100 mg·L-1)；第7 d，8 ℃下馴化的出水COD降至92.85 mg·L-1，去除率為85.65%，這與王長(zhǎng)生等人[11]的研究結(jié)果相近，本研究馴化污泥的溫度更低，處理污水初始COD較高，比較符合我國(guó)北方地區(qū)冬季農(nóng)村污水處理的實(shí)際情況.相比之下，伍海全等人[12]馴化的污泥在低溫條件下的COD去除能力更好，但本研究的處理方式及操作方法較為簡(jiǎn)單，無(wú)需曝氣攪拌，節(jié)約了污水處理過(guò)程當(dāng)中的能源消耗.目前，通過(guò)活性污泥在8 ℃下對(duì)人工污水的COD去除情況來(lái)看，污泥已經(jīng)具備在低溫條件下對(duì)污水的處理能力.

在馴化過(guò)程中，活性污泥對(duì)人工污水的COD去除情況都出現(xiàn)去除率快慢交替的現(xiàn)象，COD變化曲線呈階梯式下降.接種污泥后2 d內(nèi)，12、15、20 ℃下污水COD下降趨勢(shì)較快，去除率最高可達(dá)45.9%，而8 ℃和10 ℃下的污泥還處在延滯期，COD下降緩慢，去除率最高僅為35.7%；第2～3 d，10、12、15 ℃的COD下降趨平，去除率增長(zhǎng)緩慢，平均增長(zhǎng)7.7%，20 ℃也出現(xiàn)了較小的波動(dòng)，只有8 ℃仍維持著穩(wěn)定的下降趨勢(shì)；第3 d以后，10、12、15、20 ℃下的COD開(kāi)始持續(xù)下降，而8 ℃在第4～5 d的COD變化較小，去除率僅增長(zhǎng)5.0%，隨后又迅速下降，這可能與污泥內(nèi)微生物的生長(zhǎng)特性有關(guān).相比之下，20 ℃馴化污泥將污水處理達(dá)標(biāo)時(shí)間最短，4 d即可達(dá)到處理要求，培養(yǎng)至第7 d時(shí)COD已降至52.36 mg·L-1，去除率為91.91%.隨著馴化溫度的降低，污泥的處理時(shí)間增長(zhǎng)，8 ℃下污泥處理污水的達(dá)標(biāo)時(shí)間需要7 d，此時(shí)出水COD為92.85 mg·L-1，去除率為85.66%，雖然8 ℃處理時(shí)間較20 ℃長(zhǎng)，但最終的出水COD相差不多，去除率較20 ℃僅降低了6.26%，說(shuō)明在8 ℃條件下，污泥仍具有良好的降解能力，因此低溫馴化污泥對(duì)寒冷地區(qū)污水處理具一定的應(yīng)用價(jià)值.

2.2 不同馴化污泥量對(duì)人工污水的處理效果

將不同濕重的污泥接種到人工污水中，8 ℃處理7 d的COD降解情況如圖2所示.由圖2可知，在8 ℃條件下，隨著活性污泥接種量增加，污泥對(duì)污水COD的去除效果也隨之增強(qiáng).1、2、3 g活性污泥在第7 d均將處理的污水達(dá)到農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，出水COD分別為95.63、92.16、88.75 mg·L-1，COD去除率分別為85.22%、85.76%、86.29%；而接種量為4 g和5 g的活性污泥，對(duì)污水的處理達(dá)標(biāo)周期僅為5 d，出水COD分別為110.6 mg·L-1和105.3 mg·L-1；第7 d時(shí)，4 g和5 g接種量處理的污水COD分別降至76.13 mg·L-1和75.64 mg·L-1，且在處理相同時(shí)間內(nèi)COD的去除率較高，分別為88.24%和88.31%，處理效果基本相同.因此，實(shí)驗(yàn)的污泥最佳接種量為4 g，此時(shí)污泥的含水量約為83%，除去污泥當(dāng)中多余的水分，相當(dāng)于污泥濃度(MLSS)為3.4 g·L-1.最適的污泥濃度可以有效保證污水處理過(guò)程中的水力負(fù)荷，在不影響污泥有機(jī)物去除能力的同時(shí)，還能節(jié)省工藝成本，為活性污泥在農(nóng)村污水處理領(lǐng)域中的應(yīng)用提供參考.

t/d圖2 不同接種量污泥出水COD隨時(shí)間變化曲線

2.3 馴化污泥對(duì)生活污水處理能力的測(cè)定

用污泥對(duì)實(shí)際農(nóng)村生活污水A、B、C進(jìn)行處理，初始COD分別為570.9、595.6、722.4 mg·L-1.實(shí)際農(nóng)村生活污水主要包括廁所沖洗水、洗漱排水、廚房排水及其它排水等，處理情況如圖3所示.隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，A、B、C三戶污水的COD含量逐漸下降，與C相比，A、B兩戶污水的初始COD含量較低且相近，處理第8 d時(shí)達(dá)標(biāo)，出水COD相差不大，分別為127.2 mg·L-1和129.5 mg·L-1，COD去除率分別是77.72%、78.26%；第10 d，C戶污水達(dá)標(biāo)，出水COD為145.6 mg·L-1，去除率為84.97%，此時(shí)A、B兩戶污水的COD含量仍在下降，出水COD分別降至92.36 mg·L-1和89.51 mg·L-1，去除率分別為83.82%和84.97%.在對(duì)三戶實(shí)際生活污水的處理過(guò)程中，由于C戶污水的初始COD含量較高，因此所需處理時(shí)間較長(zhǎng).從3條曲線的下降程度看，活性污泥在對(duì)實(shí)際生活污水的低溫處理過(guò)程中能保持較穩(wěn)定的狀態(tài)，各污水COD均平緩下降，且未出現(xiàn)較大波動(dòng)，污泥處理時(shí)間也會(huì)隨著污水初始COD的增加而延長(zhǎng).

t/d圖3 污泥處理不同生活污水COD隨時(shí)間變化曲線

與處理人工污水相比，污泥處理實(shí)際生活污水所需時(shí)間較長(zhǎng).相同溫度下，活性污泥第7 d對(duì)人工污水的COD去除率為85.65%，而處理實(shí)際生活污水要達(dá)到同樣的去除效果則需要10 d，原因是實(shí)際生活污水的成分較人工污水復(fù)雜，日化產(chǎn)品對(duì)污泥內(nèi)微生物的活性造成了一定影響，使得微生物對(duì)污水中有機(jī)物的降解效率降低.在對(duì)污泥進(jìn)行耐低溫馴化階段，污泥對(duì)人工污水的降解呈現(xiàn)階段下降的趨勢(shì)，例如8 ℃馴化的第4～5 d，污泥對(duì)人工污水的去除速率開(kāi)始降低，第5 d后開(kāi)始恢復(fù)，而處理生活污水則呈現(xiàn)平穩(wěn)下降的趨勢(shì)，原因是在馴化時(shí)，為增強(qiáng)污泥的活性，會(huì)在人工污水中添加葡萄糖等容易被利用的物質(zhì)，污泥首先快速分解這些物質(zhì)，然后再利用淀粉等一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的有機(jī)物，所以COD曲線呈階梯式下降.經(jīng)過(guò)不斷的馴化與實(shí)驗(yàn)，污泥開(kāi)始適應(yīng)低溫且復(fù)雜的污水環(huán)境，而實(shí)際農(nóng)村生活污水的成分主要是淀粉、纖維素、脂肪、蛋白質(zhì)等結(jié)構(gòu)復(fù)雜的有機(jī)物，污泥會(huì)直接利用這些物質(zhì)，因此對(duì)實(shí)際生活污水處理比較穩(wěn)定，整個(gè)處理過(guò)程也未產(chǎn)生較大波動(dòng)，說(shuō)明活性污泥對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性逐漸增強(qiáng)，這對(duì)寒冷地區(qū)農(nóng)村生活污水處理具有重要意義.在實(shí)際應(yīng)用中，可適當(dāng)增加污泥接種量來(lái)縮短污水的處理周期.

2.4 馴化耐冷污泥與非馴化污泥對(duì)污水處理能力的比較

如圖4為馴化耐冷污泥與非馴化污泥在8 ℃條件下對(duì)C戶生活污水處理的COD隨時(shí)間變化的曲線.對(duì)比發(fā)現(xiàn)，沒(méi)有經(jīng)過(guò)馴化的活性污泥在8 ℃時(shí)COD去除率較低，僅為56.71%，出水COD為312.8 mg·L-1，相同時(shí)間內(nèi)出水COD含量未能達(dá)到農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，整個(gè)處理過(guò)程也存在波動(dòng).開(kāi)始1～4 d，去除效果雖不如馴化的活性污泥，但COD含量也在逐漸下降；第5～7 d的去除率明顯減小，曲線趨于平緩，出水COD變化不大；之后去除率逐漸恢復(fù)，COD含量逐漸降低.這說(shuō)明未經(jīng)馴化的污泥受低溫影響較大，再加上實(shí)際農(nóng)村污水處理過(guò)程中進(jìn)水量和初始COD的不穩(wěn)定，更會(huì)嚴(yán)重影響污水的處理效果，導(dǎo)致出水水質(zhì)不達(dá)標(biāo).而經(jīng)過(guò)馴化的耐冷活性污泥在低溫下仍具有較高的生物活性，COD去除率可達(dá)79.85%，出水COD達(dá)農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，整個(gè)處理過(guò)程COD下降趨勢(shì)穩(wěn)定，無(wú)較大波動(dòng).馴化后的耐冷活性污泥抗干擾能力較強(qiáng)，對(duì)環(huán)境變化適應(yīng)性強(qiáng)，因此比較適合北方地區(qū)農(nóng)村生活污水處理.

t/d圖4 馴化耐冷污泥與非馴化污泥出水COD隨時(shí)間變化曲線

3 結(jié) 論

經(jīng)過(guò)反復(fù)逐級(jí)耐低溫馴化，得到在低溫條件下仍具有活性的污泥，利用農(nóng)村獨(dú)有的土地優(yōu)勢(shì)，以農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為處理指標(biāo)，可以降低低溫處理難度，減少能量消耗.馴化后的污泥處理人工污水，8 ℃條件下的出水COD為92.85 mg·L-1，去除率為85.65%；相同條件下處理實(shí)際農(nóng)村生活污水，出水COD最低為89.51 mg·L-1，去除率最高為84.97%，最短處理周期為8 d；經(jīng)人工污水驗(yàn)證，污泥的最適接種濃度為3.4 g·L-1.而非馴化污泥在相同條件下對(duì)實(shí)際農(nóng)村生活污水的COD去除率僅為56.71%，出水COD第10 d仍未達(dá)標(biāo)，這說(shuō)明經(jīng)過(guò)馴化的活性污泥適合在低溫條件下處理生活污水，若將其應(yīng)用到我國(guó)北方或高寒地區(qū)的農(nóng)村污水處理之中，將會(huì)大大改善這些地區(qū)冬季污水處理效果，提高污水處理效率，為高寒地區(qū)農(nóng)村生活污水處理提供有力支持.