牛奶清洗廢水作為潛在碳源的納管準入評估

李 美,王 燕,支 堯,王小飛,鄭凱凱

(1.無錫市照明和排水管理中心,江蘇無錫 214001;2.無錫普匯環保科技有限公司,江蘇無錫 214028;3.江蘇至善匯智慧科技有限公司,江蘇無錫 214121;4.無錫匯恒水務有限公司,江蘇無錫 214028)

無錫某牛奶制品有限公司的經營范圍包括乳制品、液體乳(巴氏殺菌乳、調制乳、發酵乳)加工等,2021年年產消毒牛奶共4 303.9 t、酸奶共1 406 t、含乳飲料共12 t。該公司排放的廢水主要為清洗牛奶加工生產線的機器、管道、儲奶罐等產生的廢水(以下簡稱“牛奶清洗廢水”),水量約為60 m3/d。排污許可證中允許該廢水直接排入下水道,執行《污水排入城鎮下水道水質標準》(GB/T 31962—2015)。如表1所示,該廢水CODCr濃度較高,TN、TP等指標相對較低,其中CODCr平均質量濃度約為595mg/L,最小值為302mg/L,最大值為1 510mg/L,超過500mg/L的比例為27.3%。TN、氨氮、TP、SS、pH指標均能滿足《污水排入城鎮下水道水質標準》(GB/T 31962—2015),CODCr存在超標現象。此外,我國城鎮污水處理廠進水普遍存在低碳氮比的特征,需要投加大量的商業碳源進行強化脫氮除磷[1-2]。因此,該廢水可能具備作為碳源、實現污水處理碳減排的潛力[3]。

表1 牛奶清洗廢水水質檢測結果

《國家水污染物排放標準制訂技術導則》(HJ 945.2—2018)規定,“對于可生化性較好的農副食品加工工業等廢水,可執行協商限值”。為切實執行國家相關文件的規定,發揮廢棄物的資源化利用,為污水處理節能減排添磚加瓦[4],助力社會層面“雙碳”目標的實現,開展了該廢水對于下游污水處理廠的影響研究,為該廢水能否直接接管提供依據。

1 試驗原理與方法

1.1 耗氧呼吸速率

耗氧呼吸速率也稱為耗氧速率,是指單位時間內單位體積混合液中的微生物所消耗的氧量,對應的比耗氧呼吸速率則是指耗氧呼吸速率與污泥濃度的比值。當活性污泥系統加入具有毒性或抑制性的廢水,微生物活性就會受抑制或中毒,表現為耗氧呼吸速率的降低。在活性污泥中加入不同的進水,測定其耗氧呼吸速率就可以判斷不同進水對活性污泥的抑制作用[5]。

本研究設置兩組對比試驗。Ⅰ組:下游污水處理廠污泥+下游污水處理廠進水。Ⅱ組:下游污水處理廠污泥+牛奶清洗廢水。污泥與進水以3∶1的比例混合,曝氣至DO飽和后停止曝氣,保持攪拌的狀態,每隔1 min測定DO,記錄DO逐漸下降的過程。

1.2 硝化速率

本研究分別取2組下游污水處理廠活性污泥,試驗組中加入牛奶清洗廢水,對照組中加入下游污水處理廠的進水,分別曝氣進行硝化速率測定試驗。

1.3 反硝化速率

1.4 檢測方法

本研究中涉及到的污染物檢測項目及方法如表2所示。

表2 檢測項目及方法

2 結果與討論

2.1 直排對下游污水處理廠水質及水量的影響分析

牛奶清洗廢水直排后對下游污水處理廠進水水質影響的核算如表3所示,CODCr平均增加質量濃度為0.024mg/L,最大增加濃度(按照歷史最高CODCr質量濃度為1 510mg/L核算)也僅為0.346mg/L,負荷提升率均小于0.01%;牛奶清洗廢水的TN、氨氮、TP、SS平均濃度均遠低于下游污水處理廠的進水濃度,接入后污水處理廠這些指標均有所下降,降低質量濃度在0.001～0.015mg/L。可知,接入牛奶清洗廢水后對下游污水處理廠水質的影響較小。

表3 牛奶清洗廢水接入對污水處理廠進水水質的影響

下游污水處理廠設計水量為250 000 m3/d,目前水量負荷在67.4%左右。牛奶清洗廢水水量為60 m3/d,只有下游污水處理廠設計值的0.024%,對污水處理廠水量負荷的影響較小。

下游污水處理廠設計有機負荷為0.062 kg BOD5/(kg MLSS·d),根據2021年的實際運行數據核算,2021年實際有機負荷為0.046 kg BOD5/(kg MLSS·d),負荷率為74.2%。即使按照歷史數據中牛奶清洗廢水的最高CODCr質量濃度(1 510mg/L)核算,所增加的負荷率也小于0.001 kg BOD5/(kg MLSS·d),因此,下游污水處理廠有充足有機負荷余量來接納和處理該廢水。

綜上,無論是從水質水量角度,還是從有機負荷方面分析,即使按照目前已測的最高牛奶清洗廢水CODCr質量濃度(1 510mg/L)核算,其污染物總量對下游污水處理廠的影響也較小,下游污水處理廠完全有能力處理這部分廢水。

2.2 耗氧呼吸速率

為分析牛奶清洗廢水對污水處理廠出水水質的影響,通過設計針對性小試模擬試驗,判斷牛奶清洗廢水對污泥的活性是否存在抑制現象。不同進水與下游污水處理廠活性污泥混合后的耗氧速率變化情況如圖1和表4所示。Ⅰ組的耗氧呼吸速率為10.59 mg DO/(h·g VSS),曝氣飽和后DO質量濃度下降到0.06mg/L耗時30 min;Ⅱ組耗氧呼吸速率為10.76 mg DO/(h·g VSS),曝氣飽和后DO下降到0耗時28 min。兩組試驗結果較為接近,且加入牛奶清洗廢水的試驗組的耗氧呼吸速率略高于加入下游污水處理廠進水的對照組,說明牛奶清洗廢水不但沒有對活性污泥產生抑制作用,反而更易被微生物吸附降解[8]。

圖1 耗氧呼吸速率曲線

表4 耗氧呼吸速率結果

2.3 硝化速率

圖2 硝化曲線

表5 硝化速率試驗結果

2.4 反硝化速率

圖3 反硝化曲線

表6 反硝化試驗結果

綜上,牛奶清洗廢水高碳、低氮的特征,可以作為碳源使用,具有很好的脫氮效果,排入下游污水處理廠后能夠在一定程度上減少商用碳源的投加,在降低運行費用的同時,還可以起到減少碳排放的作用[10],符合“雙碳”背景下的污水處理發展方向(充分利用可生化性好的食品廢水作為碳源,減少商用碳源的投加)。按照2021年全國乳制品產量為3 032萬t相應的廢水產生量核算,如果所有企業的廢水均不處理、以碳源的形式排入污水處理廠,可節省下游污水處理廠262.5 t乙酸鈉的投加量,CO2減排量達到280.9 t[11],具有顯著的經濟和環境效益。

2.5 活性污泥鏡檢分析

為從微觀層面分析牛奶清洗廢水對于下游污水處理廠活性污泥系統的影響,在開展上述曝氣試驗和反硝化試驗的前后,均采集了污泥樣品,進行了鏡檢分析,如圖4～圖5所示,所有鏡檢拍照的微生物均為活動的個體。“曝氣試驗開始”和“反硝化試驗開始”的污泥樣品均為下游污水處理廠原始的活性污泥,尚未投加牛奶清洗廢水。從鏡檢結果可以看出,下游污水處理廠活性污泥的菌膠團較為緊密,對照活性污泥的微生物圖譜[12],觀察到了輪蟲、鐘蟲、豆形蟲等原生或后生微生物。其中,輪蟲是一種典型的后生動物,屬于輪蟲動物(Rotifera),其長度為4～4 000 μm,多數在500 μm左右。輪蟲是活性污泥中常見的微生物,它的出現一般標志著污泥系統培養成熟,出水水質良好。此外,鐘蟲是一種原生動物,同樣是活性污泥中常見的微生物。鐘蟲一般固著生長在菌膠團中,屬于固著型纖毛蟲類微生物,鐘蟲的出現同樣標志著活性污泥系統相對成熟,CODCr、氨氮等污染物去除效率高,出水水質良好。草履蟲和豆形蟲均為游泳型原生微生物,旋轉慢速游動,活動在菌膠團周圍,以藻類和細菌為食。這兩種微生物也廣泛存在于活性污泥中,沒有特別明確的指示作用。

圖4 曝氣試驗前后的鏡檢(400倍)

圖5 反硝化試驗前后的鏡檢(400倍)

投加牛奶清洗廢水進行曝氣試驗后,污泥的絮體結構同樣較為緊密,沒有出現分散解體的跡象。除輪蟲、鐘蟲外,還觀察到了跳側滴蟲。跳側滴蟲屬于原生動物中的鞭毛蟲綱,其典型特征是具有一根與體長相當或更長的鞭毛作為運動器官,會捕食細菌,它的出現也是活性污泥系統成熟穩定的標志。利用牛奶清洗廢水作為碳源進行反硝化試驗后,菌膠團較為緊密,觀察到了大量鐘蟲,表明活性污泥性狀保持良好。此外,還觀察到了腎形蟲和楯纖蟲,這兩種微生物均為游泳型原生生物,可以作為水質處理良好的指示生物。

綜上,鏡檢結果表明,無論是攪拌還是曝氣的處理方式,牛奶清洗廢水的加入均沒有改變下游污水處理廠活性污泥的菌膠團結構,沒有影響鐘蟲、輪蟲等指示性原生及后生動物的存活。基于上述鏡檢結果,說明該廢水無明顯生物毒性。

3 結論

(1)牛奶清洗廢水的可生化性較好,廢水中的大部分CODCr能夠被下游污水處理廠的活性污泥降解,不含或含極少量的難生物降解CODCr,且由于水量較少,不會對污水處理廠產生沖擊影響。基于水質、水量和污染物負荷核算可知,下游污水處理廠完全有余量接納并處理該廢水。

(4)本研究所建立的方法體系對于同類型廢水的評估鑒定具有一定的指導意義,開發可生化性好的食品類廢水作為污水處理廠的免費碳源,符合雙碳目標下的污水處理發展方向,具有經濟、環境的雙重效益。