生物增效技術(shù)處理制革廢水的試驗

蘇 強(qiáng)，鄒曉鳳,*，祁 振，馬 坤，趙 偉，王建國

(1. 山東省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究設(shè)計院有限公司，山東濟(jì)南 250100；2. 山東省環(huán)科院環(huán)境工程有限公司，山東濟(jì)南 250100)

制革廢水的水質(zhì)具有成分復(fù)雜、水質(zhì)波動大[1-2]、重金屬鉻含量高[3-4]、色度深、懸浮物高、易生化等特點。廢水中主要污染物為蛋白質(zhì)類和油脂類物質(zhì)，且加工過程中投加了很多銨鹽[5]，導(dǎo)致制革廢水處理工藝普遍存在氨氮較高、污泥負(fù)荷重、耗氧量高、生化系統(tǒng)臭味較重等問題[5-7]。目前，研究者們多采用直接投加菌制劑或酶制劑的方式提高廢水生化系統(tǒng)的處理效率[8-10]，但菌制劑本身對環(huán)境的適應(yīng)能力問題限制了菌制劑的大規(guī)模使用。制革廢水污泥減量主要通過改良工藝、投加臭氧或解偶聯(lián)劑等方式[11-13]，對于一般污水廠而言，工藝改造相對困難，如何在原有工藝條件下達(dá)到污泥減量是目前污泥減量研究的熱點。本研究針對河北辛集某制革廢水污染物濃度高、生化處理系統(tǒng)生化能力差、產(chǎn)泥量高的問題，根據(jù)微生物學(xué)原理，利用山東省環(huán)科院環(huán)境工程有限公司的生物增效技術(shù)對生化系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場生物增效中試試驗。通過采用現(xiàn)場好氧池出水加部分營養(yǎng)活化COD增效去除菌種和具有產(chǎn)溶菌酶的焦瑞身氏溶桿菌(Lysobacterruishenii)污泥減量菌種，活化后分別投加至好氧系統(tǒng)和污泥消解池中，輔以投加微生物營養(yǎng)劑，最終達(dá)到提高生化系統(tǒng)對污染物去除效率和減少制革廢水污泥產(chǎn)量的目的。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗用水與接種污泥

試驗所用廢水取自河北辛集某制革企業(yè)調(diào)節(jié)池，所用接種活性污泥取自該廢水處理系統(tǒng)的生化段曝氣池，中試污泥質(zhì)量濃度為9 000 mg/L，SV30為75%。中試水質(zhì)如表1所示。

表1 中試進(jìn)出水水質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Influent and Effluent Index for Pilot-Scale Test

1.2 試驗材料

試驗所用菌制劑和營養(yǎng)劑均由山東省環(huán)科院環(huán)境工程有限公司提供，其中，1#菌制劑為高效污染物降解菌的枯草芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌和假單胞菌的混合固體菌種，菌株含量為5.0×109CFU/g，具有提高廢水中難降解污染物降解速率的功效；2#菌制劑為焦瑞身氏溶桿菌單一固體菌種，菌株含量為1.0×109CFU/g，該菌株經(jīng)實驗室分離鑒定，具有產(chǎn)溶菌酶的功效，可有效消解污泥。中試所用營養(yǎng)劑為公司自研產(chǎn)品，富含多種碳、氮、磷等有機(jī)元素和微量元素，可促進(jìn)微生物快速增殖。

1.3 試驗工藝

中試工藝對照組與現(xiàn)場廢水處理工藝一致，工藝流程如圖1所示。

圖1 中試工藝路線Fig.1 Process Flow of Pilot-Scale Test

1.4 試驗方法

本試驗所投加菌種為現(xiàn)場活化后的菌液，活化方法為1%菌粉+98.5%好氧出水+0.5%糖蜜，曝氣活化24 h后作為菌液投加使用。

本試驗兩個AO系統(tǒng)同步進(jìn)行，工藝流程與污水處理廠流程保持一致。試驗為期2個月，處理量為1 m3/h。系統(tǒng)穩(wěn)定運行兩周后向試驗組O1池投加1#菌制劑和營養(yǎng)劑，按照進(jìn)水量,1#菌制劑每日投加量為20 mg/L，營養(yǎng)劑每日投加量為10 mg/L。向污泥消解池投加2#菌制劑，每日投加量為50 mg/L，同種營養(yǎng)劑每日投加量為25 mg/L，菌制劑和營養(yǎng)劑均為一次性投加，且所投加的1#和2#菌制劑均為現(xiàn)場活化后投加，對照組不投加任何制劑。系統(tǒng)運行穩(wěn)定兩周后記錄清水池出水?dāng)?shù)據(jù)及污泥排放量，并對兩個系統(tǒng)好氧池污泥進(jìn)行取樣，高通量測序后分析兩個系統(tǒng)的微生物菌群變化情況。整個試驗階段對照組除不投加菌制劑，其他所有工藝參數(shù)均與試驗組保持一致(表2)。

表2 中試基本工藝參數(shù)Tab.2 Basic Process Parameters of Pilot-Scale Test

1.5 檢測方法

CODCr、氨氮、MLSS等水質(zhì)指標(biāo)均采用國家標(biāo)準(zhǔn)測定方法測定，高通量測序由上海生工檢測。

2 結(jié)果與討論

2.1 COD

A池停留時間為1.25 d、O池停留時間為6.25 d時，一周后系統(tǒng)出水穩(wěn)定，連續(xù)測定清水池出水CODCr，結(jié)果如圖2所示。

圖2 兩套系統(tǒng)對CODCr去除效果的對比Fig.2 Comparison of Removal Efficiency of CODCr between Two Systems

由圖2可知，在進(jìn)水COD一致的情況下，投加菌制劑和營養(yǎng)劑后，試驗組出水?dāng)?shù)值相對平穩(wěn)，平均CODCr為150 mg/L，明顯低于對照組的258 mg/L，試驗組CODCr平均去除率為96.8%，高于對照組的94.6%。該廠排入園區(qū)污水處理廠CODCr的排放標(biāo)準(zhǔn)為≤300 mg/L，增效后中試出水可做到100%穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。Emine等[14]研究表明，制革廢水存在單寧、染料等相對難生物降解物質(zhì)，這部分難降解CODCr為200～300 mg/L。因此，投加菌制劑和營養(yǎng)劑可在一定程度上提高生化系統(tǒng)對制革廢水難降解物質(zhì)的去除效果。

2.2 氨氮

O池溶解氧為2～3 mg/L、停留時間為6.25 d時，系統(tǒng)出水穩(wěn)定后連續(xù)測定清水池出水氨氮，結(jié)果如圖3所示。

圖3 兩套系統(tǒng)對氨氮去除效果的對比Fig.3 Comparison of Removal Efficiency of Ammonia Nitrogen between Two Systems

由圖3可知，在進(jìn)水氨氮平均為323.7 mg/L時，試驗組出水氨氮平均為7.7 mg/L，氨氮平均去除率高達(dá)97.6%。而對照組的出水氨氮平均為13.2 mg/L，已接近排入園區(qū)污水處理廠氨氮≤15 mg/L的排放標(biāo)準(zhǔn)。吳偉等[15]研究表明，水體中加入一定量的枯草芽孢桿菌和水生假絲酵母等菌株的復(fù)合微生態(tài)制劑后，可明顯提高水體中氨化細(xì)菌和亞硝化細(xì)菌的數(shù)量。本研究所加菌劑含枯草芽孢桿菌，且營養(yǎng)劑中含有酵母提取物成分，可能在一定程度上提升了生化系統(tǒng)硝化效果。

2.3 剩余污泥排放

中試期間產(chǎn)生的剩余污泥進(jìn)入污泥消解池，剩余污泥產(chǎn)生量約為14 kg/d。試驗組污泥消解池每日投加菌制劑和營養(yǎng)劑，對照組不投加。兩組污泥消解池流量為0.875 m3/d，污泥質(zhì)量濃度為16 g/L，停留時間為2 d，溶解氧質(zhì)量濃度為0.5～1.0 mg/L。中試運行穩(wěn)定后每日測定消解后剩余污泥排放量，結(jié)果如圖4所示。

圖4 兩套系統(tǒng)運行期間的剩余污泥累積排放量Fig.4 Comparison of Cumulative Discharge of Residual Sludge between Two Systems

由圖4可知，投加2#菌制劑的試驗組最終剩余污泥排放量明顯低于對照組，平均排放剩余污泥量為4 011 g/d，明顯低于對照組的7 651 g/d，在投加具有產(chǎn)溶菌酶的2#菌制劑的作用下，系統(tǒng)剩余污泥減量達(dá) 71.3%。宋勇等[9]采用直接投加水解溶菌酶的方式對SBR 系統(tǒng)中剩余污泥進(jìn)行減量，在恒溫 30 ℃、水解溶菌酶(amresco，活力為20 000 U/mg)投加量為67 mg/L的條件下，污泥減量可達(dá)到76.3%。與本試驗相同，該方法也是基于溶菌酶使細(xì)菌細(xì)胞破裂，細(xì)菌隱性生長起到污泥減量效果，但相較于直接投加溶菌酶，本試驗投加菌制劑費用更低。而對照組主要通過內(nèi)源呼吸作用消耗自身原生質(zhì)，最后使細(xì)菌解體，達(dá)到污泥減量，效果相對較差。

2.4 好氧系統(tǒng)菌群豐度及Alpha多樣性

為了解生物增效后好氧生化系統(tǒng)菌群(operational taxonomic units,OTU)變化情況，取試驗組和對照組好氧池活性污泥進(jìn)行高通量分析，觀察試驗組(PGEG樣本)和對照組(PGCK樣本)的好氧池活性污泥中微生物OTU的豐度信息和Alpha多樣性情況(表3)，OTU的豐度和Alpha多樣性的Chao指數(shù)均可評估物種豐富程度(圖5)。

表3 樣品OTU統(tǒng)計Tab.3 Statistics of OTU of Samples

圖5 Chao1指數(shù)稀釋曲線Fig.5 Curve of Chao1 Index Dilution

2個樣品共產(chǎn)生535個OTU。將多條序列按其序列間的距離對它們進(jìn)行聚類后，對照組PGCK樣本共有480個OTU，而試驗組PGEG樣本共有499個OTU，說明生物增效后菌膠團(tuán)內(nèi)的細(xì)菌種類有所增多。圖5中PGCK樣本的Chao指數(shù)明顯低于PGEG樣本，表明試驗組PGEG樣本的物種豐富程度明顯高于對照組。

2.5 屬水平分布

通過檢測對照組和試驗組兩個樣本屬水平菌群組成及豐度，判斷生物增效后菌群遷移情況。

由圖6可知，制革廢水活性污泥細(xì)菌主要由叢毛單胞菌屬(Comamonas)、未分類菌屬(uncla-ssified)、脫氮噬脂環(huán)物菌(Alicycliphilus)、萊茵海默氏菌(Rheinheimera)、變形桿菌(Proteus)、不動桿菌(Acinetobacter)等幾個主要菌屬構(gòu)成。生物增效后PGEG樣本叢毛單胞菌屬、脫氮噬脂環(huán)物菌和萊茵海默氏菌的豐度明顯高于PGCK樣本，而變形桿菌和不動桿菌相對豐度有所降低。其中，脫氮噬脂環(huán)物菌被報道有降解疏水性有機(jī)污染物的特性[16]，而萊茵海默氏菌被報道有產(chǎn)脂肪酶的特性[17]，生物增效提升了制革廢水生化系統(tǒng)部分有效功能菌的數(shù)量。

圖6 Genus水平各樣本菌群分布Fig.6 Relative Abundance of the Aerobic Sludge Bacterial Flora on Genus Level

3 結(jié)論

在制革廢水運行過程中，廢水成分復(fù)雜、SS高導(dǎo)致出水CODCr和氨氮不穩(wěn)定、污泥產(chǎn)量高。通過采用生物增效技術(shù)，在不改變原生化系統(tǒng)工藝流程和設(shè)施的前提下，不僅提高了制革廢水生化系統(tǒng)的生物活性，使出水CODCr和氨氮穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，還明顯減少了污泥排放量。

(1)采用好氧出水預(yù)活化菌制劑+投加營養(yǎng)劑模式的生物增效能有效提高制革廢水生化系統(tǒng)對CODCr和氨氮的去除率：試驗組每日向好氧池投加經(jīng)現(xiàn)場初級發(fā)酵的1#菌制劑20 mg/L、營養(yǎng)劑10 mg/L后，生化系統(tǒng)的CODCr平均去除率為96.8%，高于對照組的94.6%；氨氮平均去除率高達(dá)97.6%，比對照組高1.7%，且試驗組出水相對穩(wěn)定，達(dá)到下游園區(qū)污水處理廠接收標(biāo)準(zhǔn)。

(2)本試驗通過向污泥消解池中投加制革廢水預(yù)活化后產(chǎn)溶菌酶的焦瑞身氏溶桿菌(Lysobacterruishenii)單一菌種，配合使用營養(yǎng)劑，使菌種在系統(tǒng)中能夠快速適應(yīng)并繁殖，針對性的對污泥進(jìn)行減量。在試驗組投加2#菌制劑50 mg/L、營養(yǎng)劑25 mg/L的條件下，試驗組系統(tǒng)剩余污泥減量可達(dá)71.3%。

(3)生物增效后好氧池提高生化系統(tǒng)菌種數(shù)量明顯增多，菌群豐度較對照組有所提升。脫氮噬脂環(huán)物菌和萊茵海默氏菌等已有報道具有降解難降解污染物功能的細(xì)菌的相對豐度明顯提升，說明生物增效提升了制革廢水生化系統(tǒng)部分有效功能菌的數(shù)量。