基于短程硝化顆粒污泥對高氨氮廢水的處理效果研究

李愷翔

（延安職業(yè)技術(shù)學院，陜西 延安 716000）

化肥、焦化、石化、制藥、食品、垃圾填埋場等生產(chǎn)環(huán)境均可能產(chǎn)生高NH3-N 廢水，即可認為高NH3-N 廢水是輕重工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中較為普遍的廢水排放形式，所以，研究高NH3-N 廢水的處理方案[1-3]，是當前廢水處理環(huán)保工程中的主線研究課題。

硝化顆粒污泥是利用廢水處理池中的微生物，進行實驗室物種優(yōu)選、基因強化、重點繁育培養(yǎng)的一種生化產(chǎn)品，由于這種微生物可以耐受高NH3-N 廢水的生存環(huán)境，且在其新陳代謝循環(huán)中，將水中的NH3-N 離子作為重要代謝養(yǎng)料進行吸收分解[4-7]，因此，培養(yǎng)代謝周期短、代謝效率高的硝化細菌菌群，加工消化顆粒以促進高NH3-N 廢水池底層污泥生態(tài)環(huán)境的發(fā)育，使高NH3-N 廢水在初期沉淀過程中即可利用廢水池中的消化顆粒實現(xiàn)大部分NH3-N污染物的降解，可以最大限度降低高NH3-N 廢水的處理成本，縮短處理周期，實現(xiàn)更高效率和更高效益的高NH3-N 廢水處理效率[8-10]。

本文重點研究不同外部條件下的短程消化顆粒對高NH3-N 廢水池中NH3-N 污染物的作用機理，以總結(jié)其生化學特征。

1 實驗部分

1.1 試驗水樣

采用實驗室制成法獲得高NH3-N 廢水水樣，NH3-N 含量、重金屬含量、pH 值分別按照表1 參數(shù)進行調(diào)制。

表1 廢水水樣制成方案Tab.1 Wastewater sample preparation scheme

表1 中，并非指出5 個合成水樣的制成配比，而是將上述3 個條件分別進行組合，即在NH3-N 含量達到35mg·L-1的條件下，重金屬含量可以按照A～E共5 個配置方案進行配置，pH 值也可以根據(jù)A～E共5 個方案進行配置，即通過該表中的合成水樣制成方案，共可形成125 種不同配置的合成水樣，以供更深入的數(shù)據(jù)分析。

1.2 硝化顆粒制成方案

從高NH3-N 廢水消化污泥沉淀池中提取底層污泥，電鏡下分析消化污泥菌群并通過硅藻法分離微生物整體群落。從AAA 型污水開始，根據(jù)誘導(dǎo)變異法，對其進行適應(yīng)性培養(yǎng)，逐漸構(gòu)成AAA 型～EEE型污水共125 種適應(yīng)性硝化污泥。培養(yǎng)過程中，培養(yǎng)基采用經(jīng)過硅藻過濾處理后的污泥固形物，培養(yǎng)液采用AAA 型～EEE 型合成污水水樣，且高濃度水樣的被培養(yǎng)微生物群落，來自低濃度水樣的微生物穩(wěn)定培養(yǎng)微生物群落。整體培養(yǎng)策略見圖1。

圖1 消化顆粒制備及應(yīng)用策略圖Fig.1 Preparation and application strategy of digestive granules

圖1中，通過制備125 種不同適應(yīng)性的硝化顆粒，以供后續(xù)試驗中的電鏡報告和廢水降解報告。其中，重金屬離子污染物提取自原始污泥采樣樣本，包含鉛、汞、砷等污染離子。

1.3 電鏡報告編制方案

靜態(tài)報告使用750、1500、2500 倍電鏡對污泥培養(yǎng)結(jié)果進行觀察，在對應(yīng)染色機制下，記錄不同類型硝化細菌的單位面積計數(shù)。動態(tài)報告使用該觀察方式記錄菌落的分裂增殖能力。報告統(tǒng)計中，分別就不同NH3-N 含量、重金屬含量、pH 值條件進行統(tǒng)計。

1.4 降解報告編制方案

按照污水水樣置入硝化顆粒并充分攪拌混合的時間線，分析不同時間點的NH3-N 濃度變化，重金屬濃度變化，pH 值變化，考察不同的硝化顆粒加入量和不同環(huán)境溫度等因素影響，繪制變化曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 電鏡報告結(jié)果

進行電鏡報告分析過程中，針對每一種特定條件，分析該條件下所有其他對應(yīng)情況，比如在特定NH3-N 濃度條件下，分析其他25 種重金屬離子濃度、pH 值條件形成的對應(yīng)菌落分布情況，每種特定情況進行不少于50 個采樣的菌落電鏡觀察分析，結(jié)果見表2。

表2 不同NH3-N 濃度下的菌落構(gòu)成對比表（×106cm-3）Tab.2 Comparison of colony composition under different ammonia nitrogen concentrations（106cm-3）

2.1.1 不同NH3-N 濃度下的菌落構(gòu)成結(jié)果分析

由表2 可知，從標準差觀察相應(yīng)指標的條件依從度，發(fā)現(xiàn)除硝酸菌和亞硝酸菌之外的其他菌落標準差達到均值的七成以上，標志著其他菌落的分布情況與NH3-N 濃度無統(tǒng)計學關(guān)聯(lián)性，而此模式下，發(fā)現(xiàn)硝酸菌與亞硝酸菌的分布情況沿NH3-N 濃度增長趨勢表現(xiàn)出不同的增長率，其中硝酸菌呈指數(shù)型增長，亞硝酸菌呈線性增長，見圖2。

圖2 不同NH3-N 濃度配置方案下的硝酸菌與亞硝酸菌占比變化示意圖Fig.2 Change of the proportion of nitrate bacteria and nitrite bacteria under different ammonia nitrogen concentration configuration schemes

2.1.2 不同NH3-N 濃度占比結(jié)構(gòu)分析

由圖2 可知，隨著NH3-N 濃度增加，適應(yīng)性硝化顆粒中，亞硝酸菌濃度持續(xù)降低，而硝酸菌濃度持續(xù)升高。亞硝酸菌濃度與NH3-N 濃度呈現(xiàn)逆相關(guān)，硝酸菌濃度與NH3-N 濃度呈現(xiàn)正相關(guān)。

根據(jù)表1 中重金屬離子濃度配置方案，同樣每種重金屬離子濃度配置方案下有25 種子方案，涉及到不同NH3-N 濃度和不同pH 值控制方案，每種重金屬離子濃度方案電鏡下觀察50 個不同視野，結(jié)果見表3。

表3 不同重金屬濃度下的菌落構(gòu)成對比表（×106cm-3）Tab.3 Comparison of colony composition under different heavy metal concentrations（106cm-3）

2.1.3 不同重金屬濃度下的菌落構(gòu)成對比結(jié)果分析

由表3 可知，硝酸菌濃度呈現(xiàn)指數(shù)增長關(guān)系，亞硝酸菌濃度呈現(xiàn)線性增長關(guān)系，而其他菌落濃度因為標準差較大，不存在統(tǒng)計學意義。但硝酸菌濃度和亞硝酸菌濃度的標準差遠大于不同NH3-N 濃度的統(tǒng)計結(jié)果，標志著不同重金屬濃度下的統(tǒng)計結(jié)果與不同NH3-N 濃度下的統(tǒng)計結(jié)果相比，其數(shù)據(jù)依從性略低。

根據(jù)表1 中pH 值控制方案的配置策略，同樣每種pH 值控制方案下有25 種子方案，涉及到不同NH3-N 濃度和不同重金屬離子濃度，每種pH 值控制方案電鏡下觀察50 個不同視野，結(jié)果見表4。

表4 不同pH 值下的菌落構(gòu)成對比表（×106cm-3）Tab.4 Comparison of colony composition under different pH values（106cm-3）

2.1.4 不同pH 值下的菌落構(gòu)成對比結(jié)果分析

由表4 可知，硝酸菌濃度和亞硝酸菌的數(shù)據(jù)增長關(guān)系依然分別為指數(shù)關(guān)系和線性關(guān)系，且其標準差遠小于上述兩種統(tǒng)計方案。綜合表2～4 結(jié)果，會發(fā)現(xiàn)隨著污水污染程度增加，硝酸菌表現(xiàn)出更強適應(yīng)性，大于亞硝酸菌的適應(yīng)性，污染程度更重的污水，硝酸菌的生長增殖適應(yīng)性更強。

考察3 種條件下的硝酸菌濃度和亞硝酸菌濃度，可以得到圖3、4。

圖3 硝酸菌濃度在不同污染級別下的表現(xiàn)Fig.3 Performance of nitrate bacteria concentration under different pollution levels

由圖3 可知，在3 種不同污染條件下，硝酸菌濃度均呈現(xiàn)出指數(shù)型增長關(guān)系，其中重金屬污染物條件下的濃度均值增長幅度略慢于其他兩種污染條件。

由圖4 可知，亞硝酸菌在3 種不同污染條件下，均表現(xiàn)出線性增長關(guān)系。與硝酸菌的濃度變化曲線相比，線性增長關(guān)系的增加量在后期會慢于指數(shù)增長關(guān)系，但不代表亞硝酸菌在高濃度廢水中的適應(yīng)性不強。實際的硝化顆粒中，亞硝酸菌也有生態(tài)學表達。

圖4 亞硝酸菌在不同污染級別下的表現(xiàn)Fig.4 Performance of nitrite bacteria in different pollution levels

2.2 降解報告結(jié)果

針對表1 中125 種不同的NH3-N 廢水水樣，分別使用針對性培養(yǎng)的硝化顆粒對其進行處理，記錄其不同時間點下的廢水NH3-N 濃度下降幅度。對比高濃度廢水池中沉淀周期內(nèi)的廢水濃度下降情況。總體評價125 種不同濃度廢水的處理結(jié)果，其濃度下降結(jié)果見圖5。

圖5 所有廢水處理過程的生物質(zhì)及NH3-N 濃度變化情況均值趨勢圖Fig.5 Average trend of biomass and ammonia nitrogen concentration changes in all wastewater treatment processes

2.2.1 廢水處理過程的生物質(zhì)及NH3-N 濃度變化結(jié)果分析

由圖5 可知，對應(yīng)的硝化顆粒加入到對應(yīng)的廢水中后，由于微生物群落對廢水環(huán)境的適應(yīng)性，其生物質(zhì)濃度會在前3d 周期內(nèi)快速上升到初始濃度的2 倍以上，但因此時廢水中的NH3-N 物質(zhì)因為微生物群落的消耗而快速降低，在8d 左右時間達到初始濃度的80%左右，此時硝化顆粒的生物質(zhì)群落對低濃度廢水的適應(yīng)性降低，因此，導(dǎo)致其生物質(zhì)濃度下降至初始濃度的90%左右，且保持持續(xù)下降，所以生物質(zhì)廢水的NH3-N 污染物下降趨勢也開始放緩。將生物質(zhì)濃度下降到初始濃度90%的時間點視為該廢水處理環(huán)節(jié)的適應(yīng)性閾值點，如上述均值考察環(huán)境下，8d 是該閾值，超過8d 的廢水沉淀處理過程，廢水處理效率將顯著降低。此時應(yīng)將廢水轉(zhuǎn)移到低濃度處理池中，更換對應(yīng)的硝化顆粒進行進一步處理。考察不同反應(yīng)溫度對硝化顆粒處理NH3-N 廢水的影響效果，結(jié)果見表5。

表5 反應(yīng)溫度對NH3-N 廢水處理工藝的影響Tab.5 Effect of reaction temperature on ammonia nitrogen wastewater treatment process

2.2.2 反應(yīng)溫度對NH3-N 廢水處理工藝的影響結(jié)果分析

由表5 可知，硝化顆粒污泥對高溫環(huán)境表現(xiàn)出較高生物活性，特別是在35℃環(huán)境下，可以實現(xiàn)在最短時間閾值（5d）內(nèi)，將NH3-N 廢水中NH3-N 污染物濃度控制到71%的污水處理效果，且其生物質(zhì)濃度峰值可以達到307%。即在35℃環(huán)境中，硝化顆粒可以達到最強的生物質(zhì)活性。而當溫度超過35℃時，其生物活性會有所下降，但在40℃時，其仍然可以在時間閾值6d 時，達到NH3-N 污染物濃度下降至73%的處理效果。但當溫度下降到20℃以下時，硝化顆粒的生物活性顯著降低，逐漸失去工業(yè)應(yīng)用價值。如溫度達到15℃，生物質(zhì)濃度峰值僅可達到192%，時間閾值延長到9d，最終NH3-N 濃度高達92%；而溫度達到10℃時，時間閾值達到13d，最終NH3-N 反應(yīng)濃度高達96%，此時硝化顆粒已經(jīng)幾乎失去污水處理能力。

另外，35℃反應(yīng)溫度條件下，考察不同硝化顆粒加入濃度配比對硝化顆粒處理NH3-N 廢水的影響效果，結(jié)果見表6。

表6 硝化顆粒加入量對NH3-N 廢水處理工藝的影響（35℃）Tab.6 Effect of nitrifying particle addition on ammonia nitrogen wastewater treatment process（35℃）

2.2.3 硝化顆粒加入量對NH3-N 廢水處理工藝的影響結(jié)果分析

由表6 可知，隨著硝化顆粒加入量增加，達到時間閾值時的最終NH3-N 濃度持續(xù)下降，即加入足量硝化顆粒，可以實現(xiàn)更顯著的NH3-N 處理結(jié)果。當1t NH3-N 廢水加入0.5t 硝化顆粒污泥時，其最終NH3-N 濃度可以達到初始濃度的62%。但是，當加入硝化顆粒的比例為1t 廢水加入0.3t 硝化污泥時，其生物質(zhì)濃度峰值最高，時間閾值也最短，其最終反應(yīng)效率也最高。

綜合降解報告分析結(jié)果，在35℃環(huán)境下，使用對應(yīng)污染物構(gòu)成的硝化顆粒，1t 廢水加入0.3t 硝化顆粒后，其可以在5d 時間閾值周期內(nèi)，實現(xiàn)使NH3-N 廢水中NH3-N 污染物濃度降至71%的污水處理效果。此時應(yīng)當將NH3-N 廢水轉(zhuǎn)移到下一步反應(yīng)容器內(nèi)，更換對應(yīng)該污水成分的硝化顆粒對污水進行處理。即在理論上，第1 級處理結(jié)束后，NH3-N 污染物濃度下降至71%，第2 級處理結(jié)束后，NH3-N 污染物濃度下降至50%，第3 級處理結(jié)束后，NH3-N污染物濃度下降至36%，第4 級處理結(jié)束后，NH3-N污染物濃度下降至25%，依次類推，直至NH3-N 污染物達到排放標準。此時，控制反應(yīng)條件，可以讓每一級處理過程的時間閾值控制在5d 左右，即采用4級處理方案，污水的總處理時間為20d 左右。

3 結(jié)論

從上述的研究結(jié)果可以看出，不同的NH3-N 廢水污染形式對應(yīng)的適應(yīng)性硝化顆粒生化成分有較大差異，對不同成分的NH3-N 廢水需要選擇針對性的硝化顆粒進行廢水處理，同時在廢水成分的變化過程中應(yīng)選擇對應(yīng)的硝化顆粒進行分級廢水處理，這樣才能提升廢水處理效率。