目前,活性污泥法是大多數城市污水處理廠所普遍使用的技術, 在常溫下處理效果較好。然而在我國北方地區和西部高寒地區,污水處理效果受到環境溫度的影響較大 ,隨著水溫的降低,活性污泥的活性逐漸下降、沉淀性變差,有機物去除、硝化和反硝化作用受到極大沖擊。當溫度低于15 ℃ 時,常溫微生物的活性將急劇下降,硝化效果明顯降低;在10 ℃ 左右,部分微生物處于休眠狀態;當溫度在4 ℃ 范圍內,大部分微生物進入休眠期甚至死亡,污水處理系統的硝化作用幾乎停止。此外低溫也為小胸蟲提供了適宜的生長條件,其過度生長將導致污泥膨脹,進而影響出水水質。

　　因此,寒冷地區的污水廠運行不得不采取加熱、保溫、增大污泥回流量、增長污水停留時間等措施來提高出水水質,但增大污泥回流量和增長污水停留時間又會降低污水水溫,尤其是污水停留時間的增長,會導致污水水溫隨時間線性下降。而加熱和保溫措施又會增加工程的投資和運行費用,還可能帶來污泥膨脹等一系列問題。

　　對此,國內外研究表明通過人工篩選、培育和馴化耐低溫優勢菌株可作為解決上述問題的最佳途徑,耐冷菌是一類可以在最低溫度為- 5 ~ 0 ℃ 及最高溫度高于20 ℃ 的條件下生長繁殖的微生物,該溫度范圍能較好的適應高寒地區的氣候特征 ,例如,國內的一項研究篩選出了耐低溫的酵母菌就可在低溫下有效去除COD。然而,國內針對低溫微生物的研究開發較少 ,國外對低溫微生物處理污水技術的研究起步較早,主要通過篩選低溫微生物去除污水中的油烴類、氯酚類、表面活性劑、氮和磷等達到凈化水質的目的 。

　　生物強化技術在污水處理中的應用為解決低溫污水難處理的問題提供了最直接有效的解決方案,生物強化處理工藝是指向生化處理系統中投加高效菌種或載體,以提高系統中的微生物活性或濃度、強化生化處理效果的一種有效手段。冬季向系統投加在篩選馴化的耐冷菌或經固定化處理的耐冷菌等,通過高效菌種的直接作用或共代謝作用可實現對低溫污水的強化處理。投菌活性污泥法是近十幾年國外發展起來的一種生物強化技術 ,它不僅增加了曝氣池內缺少的細菌,在流入污水水質不變的條件下增加微生物的氧化作用,且當污水水質改變、環境變異時,微生物仍能保持活性,提高耐沖擊負荷和處理效果,改善出水水質。投菌活性污泥法結合固定化細胞技術克服了投菌導致的菌體流失,避免了投加技術的缺點。此外,活性污泥和生物膜復合工藝作為一種新型的污水處理工藝,在提高現有污水處理系統的效能、改善污泥沉降性能、降低污泥產率、增強運行穩定性和節約占地等方面具有顯著的優勢。近年來也有研究表明,適當的靜磁場在低溫下可以增強活性污泥的活性,強化活性污泥的耐寒性,這將為我們改善污水處理提供新的思路。

　　本實驗旨在利用生物強化技術解決我國北方或高寒地區冬季城市生活污水處理困難的問題,通過培育、篩選和馴化出能高效處理低溫污水的耐冷微生物菌群,進而增強活性污泥的耐低溫性能,提高污水處理效果,改善出水水質,使出水水質達到城鎮污水排放一級A 類標準。在實際應用中,再結合投菌活性污泥法、固定化細胞技術和生物膜復合工藝等,將會進一步強化活性污泥的去污能力,鞏固污水的處理效果。

　　1　材料與方法

　　1. 1　材料來源

　　2014 年11 月上旬,從四川省阿壩州馬爾康市的市政下水道、河流湖泊中采樣,當時的采樣溫度為5 ℃左右。隨后,將采集來的污泥用于耐冷微生物的篩選與馴化,微生物生長的培養基采用LB 培養基,后期培養活性污泥的污泥來源是成都市龍泉驛區的平安污水處理廠。實驗用的人工污水配方如表1 和表2所示。

表1　人工污水1 配方

表2　人工污水2 配方

　　1. 2　實驗主要設備及裝置

　　主要設備:無菌操作臺、生化培養箱、顯微鏡、全恒溫振蕩培養箱、紫外可見分光光度計、回流裝置和氨氮蒸餾裝置等。

　　耐冷活性污泥污水處理能力評價自制小試裝置如圖1 所示,包括1 個空氣泵,3 個蠕動泵,體積均為4 L 的廢水池(裝人工污水)、反應池(裝活性污泥并進行曝氣) 和沉淀池(裝處理后的污水并可回流污泥)各1 個。

　　1. 3　實驗方法

　　1. 3. 1　耐冷菌的富集培養與分離

　　將采集的泥樣用LB 培養基于15 ℃ 搖床150 r·min - 1 富集培養7 d,再用平板稀釋法和平板劃線法進行菌種分離純化,將多次純化后的單菌株移入斜面備用。

　　1. 3. 2　耐冷菌的篩選

　　將各菌株分別于5 ℃ 條件下活化培養至對數生長期,菌懸液4 000 r·min - 1 離心10 min,棄掉上清液,將沉淀物用磷酸緩沖溶液清洗,再用無菌蒸餾水稀釋至原來OD 值,以10% 的接種量接種于250 mL 人工污水2 中,并置于搖床中5 ℃ 培養12 h,每隔12 h 取樣以4 000 r·min - 1 離心,取上清液,測定COD 值和氨氮值,然后計算兩者的去除率,挑選COD 去除率較高和氨氮去除率較高的菌株。

　　1. 3. 3　混合耐冷菌低溫馴化及污水處理能力測定

　　由實驗確定各單菌株的最優混合比例,然后將最優混合比的混合菌低溫培養,逐漸加入滅菌的人工污水1( 每3 d 一次) 直至培養液全部替換為人工污水。然后將其與采集來的適量活性污泥混合注入到小型污水處理裝置的反應池中,加入人工污水1 至污泥質量濃度為2 000 mg·L - 1 左右,人工污水1 的碳源極易被微生物利用,使微生物迅速增殖。在廢水池中加入人工污水2,人工污水2 的用途是模擬城市生活污水。設定系統初始溫度為15 ℃ ,流量0. 15 L·h - 1 ,控制曝氣量使OD 值保持在2. 5 ~ 3. 0 之間。每天將沉淀池中的污泥100% 回流到反應池,直到出水COD 值穩定之后沉淀池污泥50% 回流。

　　活性污泥的降溫馴化過程分為3 個階段,馴化溫度先后從15 ℃ 降到10 ℃ ,再從10 ℃ 降到5 ℃ ,每一階段都定時測定活性污泥的污水處理效果。第1 階段從活性污泥的培養開始,當反應池中出現原生動物且曝氣呈茶褐色時開始計時,此時的實驗條件為流量0. 30 L·h - 1 ,溫度15 ℃ ,并始終維持反應池污水體積為4 L,污泥的質量濃度大約在2 500 ~ 4 000 mg·L - 1 之間;第2 和第3 階段僅改變溫度條件對活性污泥進行降溫馴化。每天定時測定進出污水的COD 和氨氮值,直到出水COD 和氨氮達到穩定狀態為止。在第3 階段測定5 ℃ 條件下耐冷菌污水處理效果的同時,以成都市龍泉驛區的平安污水處理廠非耐冷菌為對照在同樣條件下進行實驗,比較兩者在低溫下的污水處理能力是否有顯著差異。

　　1. 4　測定與分析方法

　　COD 的測定采用重鉻酸鉀法,氨氮的測定采用蒸餾-中和滴定法 ,實驗數據采用SPSS 23. 0 和origin 8. 5 進行分析作圖。

　　2　結果與分析

　　2. 1　單株耐冷菌的篩選結果

　　將分離出的14 種單菌株通過測定其5 ℃ 條件下的COD 和氨氮去除率來篩選目標菌株,表3 為處理5d 后的COD 和氨氮測定結果,綜合各菌株的COD 和氨氮的去除率可篩選出6 種優勢菌株,即3 號、6 號、7號、9 號、10 號和12 號菌株。

表3　耐冷菌株的篩選

　　2. 2　耐冷菌混合比例的確定

　　將篩選出來的6 種優勢菌株按照表4 所列的6 種比例混合,測定其5 ℃ 條件下的COD 和氨氮去除率,表中列出了5 d 后各混合菌處理人工污水的COD 和氨氮去除率。實驗結果顯示混合比例3 和混合比例5 可同時保證COD 和氨氮的去除率都相對較高,本實驗最終依據混合比例3 進行菌株混合,然后將混合菌轉入人工污水培養以便后續實驗。

表4　耐冷菌的混合比例

　　2. 3　低溫馴化過程中耐冷菌污水處理能力的比較

　　混合耐冷菌群低溫馴化過程中,3 個階段的污水處理效果對比如圖2 和表5 所示,通過對這3 個階段的比較,可以看出溫度變化對活性污泥處理污水的能力有著顯著的影響。

表5　各階段達到穩定后的實驗結果平均值

　　從圖2 中曲線的變化來看,每個階段的出水COD 和氨氮值均隨著運行時間的延長而逐漸減小,直至最后達到穩定狀態,同時兩者的去除率則相應增大并達到穩定。第1 階段是活性污泥形成階段,該階段前4 d,COD 和氨氮的去除率都不高,尤其是氨氮的去除率呈負值。這是由于在第1 階段開始時活性污泥沒有完全形成,微生物量還不夠多,硝化和亞硝化作用較弱 ,使得人工污水2 中的大量牛肉膏和蛋白胨被分解成氨氮且未被及時降解去除,從而增加了出水氨氮含量,造成第1 階段前4 d 的氨氮去除率為負,但在第4 天以后,亞硝化和硝化作用增強,有機氮分解產生的氨氮被大量去除,出水氨氮去除率變為正,氨氮量逐漸減少直至穩定。

　　第2 階段的降溫對COD 的去除效果影響較大,即從第1 階段過渡到第2 階段時COD 的去除率大幅度減小,而降溫對氨氮去除效果的影響除了過渡期的強烈波動外,還表現在穩定期氨氮去除率較第1 階段降低了許多。第3 階段溫度從10 ℃ 降到5 ℃ ,此次降溫對活性污泥污水凈化效果的影響相對較小,僅造成了小幅波動,說明該污水處理系統逐漸趨于穩定,抗干擾能力得到了增強, 但值得注意的是,穩定時期的COD 和氨氮的去除率比15 ℃ 時有所降低,說明降溫確實降低了微生物的生物活性并影響了其代謝速率,最終導致活性污泥的污水凈化效率有所降低。

　　由表5 可知,達到穩定時1 至2 階段的COD 去除率都維持在97% 左右,第3 階段維持在95% 左右;而氨氮的去除率除了在第2 階段時只有72% 左右以外,第1 和第3 階段都達到了86% 以上。

　　由于我國城鎮污水處理廠的進水水質受地域、季節的影響變化較大,一般進水COD 指標范圍在200 ~1 000 mg·L - 1 之間,氨氮在20 ~ 40 mg·L - 1 之間。而本次實驗的進水COD 值在612 mg·L - 1 左右,進水氨氮值在13 mg·L - 1 左右,顯然進水氨氮值偏低,這就客觀上造成了氨氮的去除率較低,即使當出水氨氮僅為1. 59 mg·L - 1 時,氨氮去除率也只能達到86. 76% 。但根據我國城鎮污水處理廠污染物排放標準的要求,以上測定結果都達到了城鎮生活污水排放的一級A 標準 ,這說明馴化后的活性污泥確實有較好的污水凈化能力,而且其在低溫下處理污水的效果良好。

　　2. 4　馴化后的耐冷活性污泥與非耐冷活性污泥在低溫下污水處理能力的比較

　　如下圖3 為馴化后的耐冷活性泥和污水處理廠采集的普通非耐冷活性污泥在5 ℃ 條件下的COD 和氨氮隨時間變化的曲線,表6 為兩者穩定狀態下測定結果的平均值。

表6　馴化耐冷活性污泥與非耐冷活性污泥在5 ℃下穩定狀態時的實驗結果平均值

　　通過對比發現,沒有經過馴化的非耐冷活性污泥在5 ℃ 時的COD 和氨氮去除率均偏低,COD 去除率只能達到75% ,氨氮去除率也只有45% 左右,其出水水質勉強能夠達到污水排放一級A 標準的要求。在實際應用中,氣候條件復雜,進水流量較大,進水COD 和氨氮值變化不定,此時若氣溫驟降,則將會嚴重影響其污水處理的效果,要使出水水質達標就很困難了,這就是為什么我國北方及西部高寒地區每年在降溫后要使出水水質達到B 類標準常常還比較困難的原因了。研究表明當水溫降到4 ℃ 以下時,大部分微生物進入休眠期狀態或死亡,污水處理系統硝化作用很弱,氨氮去除率變得很低[3] ,COD 去除率也只能維持在50% 左右。

　　相比之下,馴化后的耐冷活性污泥,在低溫下仍具有較高的生物活性,COD 去除率可達到95% 以上,氨氮去除率也能達到86% 以上,兩者都遠高于污水排放一級A 標準的要求 。因此,在實際應用中馴化后的耐冷活性污泥有一定緩沖環境變化的能力,抗干擾能力較強,很適合低溫污水的處理,可應用于北方或西部高寒地區的污水處理之中。具體參見污水寶商城資料或http://www.dongaorq.cn更多相關技術文檔。

　　3　結論

　　1)成功培養、分離、篩選和馴化出了耐低溫的微生物菌群,利用該菌群培養的活性污泥在低溫下處理污水效果良好,在水溫5 ℃ 時,出水COD 可降到30 mg·L - 1 以下,去除率在95% 以上;出水氨氮可降到2 mg·L - 1 以下,去除率可達到86% 以上。參照我國城鎮污水處理廠污染物排放標準一級A 標準的要求 ,在水溫5 ℃ 條件下測得數據已經達標。相比測定的非耐冷活性污泥在5 ℃ 的出水COD 最大去除率75. 61% 和出水氨氮最大去除率45. 36% 而言,耐冷活性污泥的污水處理能力得到了很大提高,這說明該耐冷活性污泥很適合處理低溫污水。若將其運用到北方或高寒地區的污水處理之中,將會大大改善這些地區冬季的污水處理效果,提高污水處理廠的出水水質,為高寒地區的水環境保護提供了新的支撐力量。

　　2)該耐冷活性污泥還具有溫度適應范圍廣的特點,在測試溫度5 ~ 15 ℃ 的范圍內,其凈化污水的效果良好,COD 去除率都在95% 以上,氨氮去除率也能達到80% 左右。所以該活性污泥不僅適用于高寒地區的污水處理,同樣也可以應用于普通中低溫地區,尤其是晝夜溫差大的地區,可以起到防止氣溫驟降對污水處理效果的強烈沖擊。