李喬 歐陽(yáng)彤 柏林 侯君霞 張文藝
摘要:針對(duì)冬春季分散式農(nóng)村生活污水處理設(shè)施脫氮除磷效果差、普遍超標(biāo)的難題,構(gòu)建生物填料型多級(jí)A/O試驗(yàn)裝置和48 t/d的示范工程處理設(shè)備,形成生物膜/活性污泥混合凈化系統(tǒng),以投加反硝化聚磷菌(B8)為強(qiáng)化手段,考察B8菌對(duì)多級(jí)A/O系統(tǒng)去除氨氮、總氮和總磷的強(qiáng)化效果,同時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)示范工程的應(yīng)用效果。結(jié)果表明,投加B8菌劑可以一定程度上強(qiáng)化低溫條件下(9~13 ℃)多級(jí)A/O工藝的脫氮除磷效果,與未投菌裝置的氨氮、總氮和總磷的出水濃度4.13、16.29、和0.67 mg/L相比,投菌裝置的出水濃度分別為2.31、10.11和0.48 mg/L,達(dá)到一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。更低溫度條件下(3~7 ℃)時(shí),投菌、未投菌裝置對(duì)氨氮、總氮、總磷的去除效果未見(jiàn)明顯差異,分別維持在35%、30%和43%左右。經(jīng)過(guò)B8菌劑強(qiáng)化后的農(nóng)村污水處理設(shè)施(48 t/d)出水水質(zhì)有所改善,氨氮平均去除率由86.4%增至92.6%,總氮平均去除率由45.9%增至57.3%,總磷平均去除率由67.8%增至76.1%,但CODcr的平均去除率為72.8%,較未投菌的74.5%相差不大。氨氮出水達(dá)到一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn),CODcr、總氮、總磷出水達(dá)到一級(jí)B排放標(biāo)準(zhǔn)。
關(guān)鍵詞:農(nóng)村污水;多級(jí)A/O;低溫條件;脫氮除磷;反硝化菌
中圖分類號(hào):X703? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
文章編號(hào):0439-8114(2019)20-0063-05
DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.20.013? ? ? ? ? ?開(kāi)放科學(xué)(資源服務(wù))標(biāo)識(shí)碼(OSID):
Enhancing nitrogen and phosphorus removal efficiency of multi-stage A/O
process with bacteria for low temperature rural sewage treatment
LI Qiao,OUYANG Tong,BO Lin,HOU Jun-xia,ZHANG Wen-yi
(School of Environmental & Safety Engineering,Changzhou University,Changzhou 213164,Jiangsu,China)
Abstract: Aimed at the problem of poor nitrogen and phosphorus removal in winter and spring for rural domestic sewage treatment facilities which was decentralized, and even exceeding the standard widespreadly, a bio-filled multi-stage A/O device and demonstration engineering treatment equipment(48 t/d) were constructed to treat sewage, where it would form a biofilm/activated sludge mixture, and added the denitrification bacteria(B8) into the facilities. The enhancement effect of the removal of NH4+-N, TN and TP in multi-stage A/O system with the B8 bacteria was investigated,and track the application effect in the demonstration equipment. The results showed that the effect of nitrogen and phosphorus removal by multi-stage A/O process under low temperature conditions(9~13 ℃) can be strengthened to a certain extent by adding bacteria(B8). Compared with the effluent of NH4+-N, TN and TP 4.13,16.29,0.67 mg/L, respectively, for the device without B8, the effluent of the device with B8 was 2.31,10.11 and 0.48 mg/L,respectively, reaching the first-class A emission standard. At lower temperature(3~7 ℃), compared with the removal effect of NH4+-N, TN and TP for the device without B8, there was no significant difference in the device with B8, and the removal effect was generally maintained at 35%, 30% and 43%,respectively. The effluent quality of the rural sewage treatment facilities(48 t/d) was improved due to adding the B8 microbial agent. The average removal rate of NH4+-N increased from 86.4% to 92.6%, the average removal rate of TN increased from 45.9% to 57.3%, and the average removal rate of TP increased from 67.8% to 76.1%, but the average removal rate of CODcr was 72.8%, which was not significantly different from the 74.5% of the device without B8. The effluent of NH4+-N reached the first-class A emission standard, and the effluent of CODcr,TN and TP reached the first-class B emission standard.
Key words: rural sewage;multi-stage A/O;low temperature conditions;nitrogen and phosphorus removal;denitrification bacteria
在冬季,由于農(nóng)村分散式處理設(shè)施沒(méi)有相關(guān)的保溫措施,所以與城市污水相比,其污水溫度要遠(yuǎn)低于城市污水水溫。并且農(nóng)村污水流量小、水質(zhì)波動(dòng)大、運(yùn)營(yíng)維護(hù)不當(dāng),所以分散式處理設(shè)施常常處理效率低,出水氨氮、總氮難以達(dá)標(biāo)[1]。多級(jí)A/O工藝是近年來(lái)農(nóng)村分散式污水處理設(shè)施常用的工藝,具有脫氮效率高,耐沖擊負(fù)荷、節(jié)省內(nèi)回流、污泥濃度高和運(yùn)行成本少等特點(diǎn)[2,3]。但作為活性污泥法的一種,該工藝在低溫條件下也存在脫氮效果不理想的現(xiàn)象。
針對(duì)低溫條件下脫氮除磷效果不佳的現(xiàn)象,目前常采用的解決辦法包括延長(zhǎng)水力停留時(shí)間、控制溶解氧濃度、延長(zhǎng)污泥齡等工藝調(diào)控方式[4-6],也可以投加生物菌劑、填料等外部措施強(qiáng)化去除效率[7,8]。雖然通過(guò)調(diào)節(jié)工藝可以在一定程度上提高去除效果,但出水仍然無(wú)法穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放,這時(shí)就需采用外加措施來(lái)保證污水達(dá)標(biāo)排放。通過(guò)外加具有特定功能的生物菌劑,不僅可以強(qiáng)化特定污染物的去除效果,還可以減少污泥產(chǎn)生量,同時(shí)增強(qiáng)系統(tǒng)的抗沖擊能力。宋云龍等[9]向A/O工藝中的厭氧池投加生物菌劑,不僅強(qiáng)化了對(duì)CODcr、氨氮、總氮的去除效果,還減少了近28%的剩余污泥的產(chǎn)生。馬放等[10]通過(guò)構(gòu)建生物強(qiáng)化工程菌強(qiáng)化了低溫條件下對(duì)石化廢水中的難降解有機(jī)物(苯系物、鹵代烴等)的去除。郭靜波等[11]通過(guò)投加微生物菌劑成功實(shí)現(xiàn)了污水處理廠在低溫條件下的啟動(dòng),系統(tǒng)對(duì)難降解有機(jī)污染物的去除效果和抵抗沖擊負(fù)荷的能力都大大增強(qiáng)。
本研究以提高多級(jí)A/O系統(tǒng)在冬春季低溫條件下的運(yùn)行效能為目標(biāo),構(gòu)建生物填料型多級(jí)A/O試驗(yàn)裝置和48 t/d的示范工程處理設(shè)備,形成生物膜/活性污泥混合凈化系統(tǒng),并以投加反硝化聚磷菌劑(B8)為強(qiáng)化手段,考察B8菌對(duì)多級(jí)A/O系統(tǒng)去除氨氮、總氮和總磷的強(qiáng)化效果,同時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)示范工程的應(yīng)用效果,為投菌技術(shù)應(yīng)用于低溫條件下的分散式農(nóng)村生活污水處理提供應(yīng)用技術(shù)參考和理論設(shè)計(jì)參數(shù)。
1? 材料與方法
1.1? 污水來(lái)源及水質(zhì)
試驗(yàn)用水為常州市武進(jìn)區(qū)某地生活污水,污水中漂浮物及大粒徑懸浮物經(jīng)篩網(wǎng)過(guò)濾去除。水質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。
1.2? 水質(zhì)測(cè)定方法
水質(zhì)測(cè)定參見(jiàn)《水和廢水檢測(cè)分析方法》(第4版)[12]。
1.3? 反硝化聚磷菌B8的制備
反硝化聚磷菌(被命名為B8)由常州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院張文藝?yán)蠋熣n題組從安徽省天長(zhǎng)市污水處理廠氧化溝外溝中的活性污泥中篩選所得,經(jīng)16S rDNA測(cè)序及同源性鑒定,為惡臭假單胞菌屬(Pseudomonas putida sp),已保存在中國(guó)微生物菌種保藏管理委員會(huì)普通微生物中心(登記入冊(cè)編號(hào)為CGMCC9168)[13]。將B8接種于pH為6.5的液體PAM培養(yǎng)基[14]中,培養(yǎng)溫度為30 ℃、轉(zhuǎn)速為120 r/min條件下培育20 h,即制得反硝化聚磷菌B8菌液(活菌數(shù)為6.25×107~8.55×107 CFU/mL)。
1.4? 多級(jí)A/O的構(gòu)建及啟動(dòng)
制作了2套相同的試驗(yàn)裝置流程(圖1),擬定其中裝置A不投加菌劑,裝置B投加菌劑。多級(jí)A/O反應(yīng)器有效容積依次為2.6、3.9、2.6、3.9 L,缺氧區(qū)和好氧區(qū)的容積比約為2∶3,采用下端進(jìn)水,上端出水,高低落差自流式的處理方式。好氧區(qū)采用黏砂曝氣頭曝氣,曝氣量通過(guò)氣體流量計(jì)控制。試驗(yàn)進(jìn)水、污泥回流采用蠕動(dòng)泵進(jìn)行控制。接種污泥取自常州市某污水處理廠二沉池,將其接種至各個(gè)處理單元,并向處理單元加入生物填料(絲狀和球狀填料),填充率為45%。
裝置搭建完成后,將生活污水引入裝置??刂坪醚鯀^(qū)溶解氧在3 mg/L左右,缺氧區(qū)溶解氧控制在0.3~0.5 mg/L,對(duì)缺氧區(qū)定期進(jìn)行攪拌,污泥回流比在65%左右,整個(gè)試驗(yàn)期間不對(duì)硝化液進(jìn)行內(nèi)回流。初期在低流量下運(yùn)行20 d,混合液污泥濃度為2 800~3 500 mg/L,測(cè)定多級(jí)A/O裝置進(jìn)出水CODcr、氨氮指標(biāo),去除率達(dá)到70%,即裝置掛膜成功;然后提高進(jìn)水流量,使裝置A和裝置B在水力停留時(shí)間為9.5 h左右下穩(wěn)定運(yùn)行。
48 t/d的示范工程位于江蘇省常州市洛陽(yáng)鎮(zhèn)東尖村,該村有120戶、居民500人,其調(diào)試及運(yùn)行方式與實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)裝置基本相同,裝備長(zhǎng)、寬、深度為7 500 mm×2 250 mm×3 000 mm,全自動(dòng)PLC控制,并通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)監(jiān)控運(yùn)行工況。
1.5? 多級(jí)A/O系統(tǒng)的菌液投加及運(yùn)行
中國(guó)蘇南地區(qū)全年農(nóng)村生活污水水溫大致分為常溫(20~32 ℃)、次低溫(9~13 ℃)和更低溫(3~7 ℃)3個(gè)溫度梯度。在常溫條件下的運(yùn)行指標(biāo)見(jiàn)表2。在進(jìn)入冬季低溫期后,保持2套裝置的運(yùn)行條件不變,多級(jí)A/O裝置B開(kāi)始投菌,即將反硝化細(xì)菌菌液和生活污水按照2%的比例混合均勻后,使其進(jìn)入裝置B,投菌12 d后停止,同時(shí)運(yùn)行不投菌的裝置A作對(duì)比。為排除外界降雨干擾,水樣采集均選自無(wú)降雨條件下,且在6 h內(nèi)完成水樣測(cè)定。
2? 結(jié)果與分析
2.1? 菌劑強(qiáng)化對(duì)NH4+-N的去除效果
由表2及圖2可知,裝置在常溫(20~32 ℃)下運(yùn)行時(shí),氨氮出水濃度在0.5~1.8 mg/L,而在投菌試驗(yàn)期間(3~13 ℃),氨氮出水濃度增至3.2~18.5 mg/L,說(shuō)明溫度的降低會(huì)抑制硝化細(xì)菌酶活性,削減硝化作用。向裝置B投加反硝化細(xì)菌B8能夠強(qiáng)化多級(jí)AO對(duì)氨氮的去除能力,在投菌后9 d時(shí),裝置B的出水氨氮濃度同比未投加菌劑的裝置A下降了2.98 mg/L,此后氨氮的出水濃度穩(wěn)定在0.9~2.8 mg/L。這說(shuō)明在低溫條件下(9~13 ℃),投加反硝化聚磷細(xì)菌可增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)多級(jí)A/O去除氨氮的效果,裝置B對(duì)氨氮去除能力的強(qiáng)化一方面可能是外加菌劑B8攝取氮源用于自身生長(zhǎng),另一方面投加的B8菌同時(shí)也具有異氧硝化功能和促進(jìn)多級(jí)A/O系統(tǒng)本源菌群的硝化功能。在投菌27~31 d時(shí),此時(shí)溫度為3~7 ℃,裝置A和裝置B的去除效果都較差,去除率僅有37%左右。有研究表明溫度低于(7±2) ℃時(shí),大多數(shù)微生物代謝基本停止[15],本研究投加的B8菌屬于惡臭假單胞菌屬,其在4 ℃左右可能停止代謝生長(zhǎng),故在此溫度階段下不能起到強(qiáng)化作用。
2.2? 菌劑強(qiáng)化對(duì)TN 的去除效果
投加B8菌劑對(duì)多級(jí)A/O工藝去除總氮的影響如圖3所示,可以看出,在運(yùn)行溫度為9~13 ℃時(shí),引入反硝化細(xì)菌的裝置B和裝置A相比,其反硝化能力得到加強(qiáng)。在投菌運(yùn)行開(kāi)始7 d時(shí),B裝置的總氮去除率由原來(lái)的54.7%提高到69.3%,而同階段的A裝置總氮去除率僅為54.3%,此后B裝置的去除效果一直優(yōu)于A裝置,總氮出水濃度平均值達(dá)到10.11 mg/L,去除率為69.73%。當(dāng)投菌27~31 d時(shí),此時(shí)運(yùn)行溫度為3~7 ℃,裝置A和裝置B的去除效果一般,去除率僅維持在30%左右。溫度從兩個(gè)方面影響脫氮效率[16,17],一是溫度的降低會(huì)減弱硝化作用,氨氮無(wú)法有效轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮,進(jìn)而無(wú)法為反硝化作用提供充足的氮源,導(dǎo)致TN去除效果不佳。二是低溫條件也會(huì)直接抑制反硝化作用,當(dāng)溫度過(guò)低時(shí),其硝化反硝化作用明顯受到抑制。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,當(dāng)運(yùn)行溫度為9~13 ℃時(shí),投加的反硝化菌能同時(shí)加強(qiáng)硝化和反硝化作用,但菌群投加活性污泥和生物膜系統(tǒng)中后并不能馬上起作用,而是需要一定的適應(yīng)期,本試驗(yàn)所投加的球狀多孔結(jié)構(gòu)填料也為菌群的附著提供了條件[18],有利于B8菌劑的生長(zhǎng),進(jìn)而增強(qiáng)脫氮效果。
2.3? 菌劑強(qiáng)化對(duì)TP的去除效果
由表2和圖4可知,常溫條件下(20~32 ℃)與低溫條件下(9~13 ℃)系統(tǒng)對(duì)TP的去除效果未見(jiàn)明顯變化,出水濃度均在0.6~0.9 mg/L。隨著B8菌劑的投加,裝置B的TP出水濃度逐漸降低,在9 d時(shí),總磷出水濃度為0.48 mg/L,達(dá)到一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn),此后基本保持穩(wěn)定,而同階段裝置A的總磷出水濃度為0.7 mg/L。在投菌27~31 d時(shí),運(yùn)行溫度降至3~7 ℃,未投菌的裝置A和投菌的裝置B出水濃度均在1.3~1.8 mg/L,投菌并無(wú)強(qiáng)化效果。在一定的低溫(9~13 ℃)條件下,反硝化除磷可以利用硝酸鹽替代碳源作為電子受體來(lái)進(jìn)行脫氮除磷,進(jìn)而可以高效的節(jié)省碳源,同時(shí)增加脫氮除磷效率[19,20]。本研究使用的B8菌株是一種反硝化聚磷微生物,從活性污泥中篩選出來(lái),具有良好的環(huán)境適應(yīng)能力[13],而多級(jí)A/O系統(tǒng)中的生物填料又為B8菌劑生長(zhǎng)提供有利的條件,從而能夠在缺氧-好氧的操作下強(qiáng)化裝置B對(duì)生活污水中磷的去除,而且增加了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。
2.4? 投加B8菌劑強(qiáng)化處理的效果
圖5為分散式設(shè)施7—11月的進(jìn)出水情況以及投菌前后CODcr、氨氮、總氮、總磷的去除情況,由該圖可以看出,在7—11月(25~35 ℃)期間,氨氮出水濃度達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918-2002)一級(jí)A的標(biāo)準(zhǔn),CODcr、總氮的出水濃度接近一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn),TP的出水去除效果一般,在1 mg/L左右,原因可能是與農(nóng)村生活污水的排放波動(dòng)較大有關(guān);在11月底至12月初,由于溫度降低(9~13 ℃),CODcr、氨氮、總氮去除效果均有所下降,氨氮仍達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn),CODcr、總氮的出水濃度在一級(jí)B排放標(biāo)準(zhǔn)左右,總磷去除效率依然保持原來(lái)水平。為使低溫條件下污水處理效果依然保持良好,根據(jù)實(shí)驗(yàn)室取得的參數(shù)及經(jīng)驗(yàn),按照2%的比例投加反硝化細(xì)菌菌液。
由圖5可知,CODcr的進(jìn)水在100~450 mg/L,平均出水濃度為61.48 mg/L,平均去除率為72.8%,與未投菌的74.5%并無(wú)明顯變化;氨氮平均去除率由86.4%提高到92.6%,平均出水濃度由4.2 mg/L降到2.2 mg/L;總氮平均去除率由45.9%提高到57.3%,平均出水濃度由19.6 mg/L降到15.1 mg/L;總磷平均去除率由67.8%提高到76.1%,平均出水濃度由1.00 mg/L降到0.77 mg/L。從檢測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看,B8菌劑投加提高了系統(tǒng)對(duì)氨氮、總氮、總磷的去除率,但強(qiáng)化效果一般,這與設(shè)施本身的處理效果一般和農(nóng)村地區(qū)污水排放有其特定的排放規(guī)律(集中在一天中的早、中、晚3個(gè)時(shí)段)、水質(zhì)波動(dòng)大等因素有關(guān)。氨氮出水濃度達(dá)到一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn),總氮、總磷出水濃度達(dá)到一級(jí)B排放標(biāo)準(zhǔn)。
3? 小結(jié)
1)B8菌劑強(qiáng)化生物膜/活性污泥混合型多級(jí)A/O系統(tǒng)效果的試驗(yàn)研究表明,通過(guò)投加菌劑(B8)可以在一定程度上強(qiáng)化低溫條件下(9~13 ℃)多級(jí)A/O工藝的脫氮除磷效果,與未投菌裝置的氨氮、總氮和總磷出水濃度4.13、16.29和0.67 mg/L相比,投菌裝置的出水濃度分別為2.31、10.11和0.48 mg/L,達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918-2002)一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。而更低溫度(3~7 ℃)條件下,與未投菌裝置對(duì)氨氮、總氮、總磷的去除效果相比,投菌裝置并無(wú)明顯差異,分別維持在35%、30%和43%左右。
2)示范工程跟蹤監(jiān)測(cè)表明,經(jīng)過(guò)B8菌劑強(qiáng)化后的48 t/d分散式農(nóng)村處理設(shè)施出水水質(zhì)無(wú)明顯變化,CODcr的平均去除率為72.8%,與未投菌的去除率(74.5%)相比并無(wú)明顯變化,氨氮平均去除率由86.4%增至92.6%,總氮平均去除率由45.9%增至57.3%,總磷平均去除率由67.8%增至76.1%。氨氮出水濃度達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918-2002)一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn),總氮、總磷出水濃度達(dá)到一級(jí)B排放標(biāo)準(zhǔn)。
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