高盐度废水主要来源于染料、农药、医药制品以及榨菜等生产工艺产生的化工废水和海水代用废水。这类废水含有油类、有机物、放射性物质,以及Na + 和Ca2 + 等溶解性无机盐物质,离子强度大,一般微生物难以生长繁殖,是目前较难处理的废水之一。
常见的高盐度有机废水处理方法主要包括物理化学法和生物化学法。物理化学法主要采用的方法有反渗透法、电化学法等,此类方法可进行常规处理 ,但是其能源消耗大、启动运行成本高;生物化学法主要包括活性污泥法和生物膜法 ,普通生物法中微生物活性会被高盐度强烈抑制。已有报道显示,采用逐步提高系统盐浓度的驯化方法进行污泥耐盐驯化,经驯化后的污泥可以很好地降解高盐度下的有机物 。
在普通活性污泥法中,可以通过施加一定的压力提高氧传递速率,使得水中溶解氧浓度增加,可以快速降解有机物,如加压生化、深井曝气等。此类方法在高浓度、高盐度废水处理上有较好的应用前景,但关于加压环境下微生物耐盐驯化过程的研究很少。本文采用逐步提高盐浓度的耐盐驯化方法进行加压环境下污泥的耐盐驯化,探讨0. 3 MPa 压力环境下活性污泥耐盐驯化过程中的有机物降解规律、污泥脱氢酶活性及胞外聚合物(extracellular polymeric substances,EPS)含量。
1 实验部分
1. 1 实验装置
实验装置如图1。加压装置和常压装置分别由钢材料和有机玻璃制成,尺寸相同。有效容积均为60L,底部直径300 mm,高900 mm,曝气方式均采用底部穿孔曝气。
将普通污泥混合液同时打入加压和常压装置中,直至达到进泥阀的液位。装置以SBR 方式运行,系统排水比为1 ∶ 2,每个周期5. 5 h:充水0. 5 h、曝气3 h、沉淀0. 5 h、排水0. 5 h、闲置1 h,运行时的曝气量控制在300 L·h - 1 。常压装置的曝气量由转子流量计控制,加压装置的曝气量由转子流量计和排气阀共同控制。控制加压表压为0. 3 MPa,水温(25 ± 3) ℃ 。
表1 无盐模拟废水的具体成分 / (mg·L - 1 )
1. 2 实验用水
实验采用模拟废水,无盐模拟废水成分见表1。SBR 每周期换水后装置内初始废水水质:总有机碳(TOC)100 ~ 180 mg·L - 1 、氨氮40 ~ 50 mg·L - 1 、总磷4 ~ 5 mg·L - 1 和pH 为6. 5 ~ 7. 5。含盐废水是在无盐模拟废水的基础上投加NaCl,配制相应浓度含盐废水。
1. 3 污泥的驯化方式
实验所用污泥取自南京某污水处理厂,通过无盐模拟废水培养至恢复活性后,实验待用。
将普通活性污泥同时打入常压和加压SBR 实验装置中。首先以无盐度废水稳定运行4 d,随后采用逐步提高有机废水盐浓度(0. 5% 、1. 5% 、2. 5% 、3. 5% 和5% ) 的方法对两个系统进行污泥的耐盐驯化。驯化过程视系统出水TOC 的稳定情况,逐步提高进水含盐量,每个盐度下的驯化期在15 d 左右,驯化期共71 d。每天检测常压、加压系统进出水的TOC、沉降比(SV30 )以及两个系统的污泥浓度(MLSS)和系统水温,考察驯化过程中活性污泥废水处理效果及生长、沉降情况。
1. 4 分析方法
从两个装置中分别取样,监测水中TOC、溶解氧(DO)、污泥的脱氢酶活性和胞外聚合物含量(EPS)。TOC 采用TOC 测定仪(TOC-VCPH, SHIMADZU, Japan) 进行测定。DO 采用便携式溶氧仪( HI 9146,HANNA, Italy)进行测定。脱氢酶采用氯化三苯基四氮唑(TTC)比色法进行测定。污泥EPS 的提取方法为低温热提取法 。EPS 包括多糖和蛋白质两个部分,其中多糖采用硫酸苯酚法,蛋白质采用修正的Lowry 法进行测定。
2 结果分析与讨论
2. 1 压力对污泥耐盐驯化过程中有机物降解的影响
耐盐驯化过程中,污泥初始沉降比(SV30 )约18% ,同时2 个系统初始污泥浓度(MLSS)为2 500 mg·L - 1 左右。如图2 所示,污泥在加压和常压实验装置中经耐盐驯化后,即使在5% 的高盐度下,仍可达到75% 以上的有机物去除率。驯化过程中,在每个盐度梯度的开始阶段TOC 去除率出现波动,且在0. 5% 和1. 5% 盐度阶段加压体系的下降幅度更大。随着耐盐驯化的进行,有机物降解效率开始缓慢回升。即系统内盐度的瞬间增加对系统的有机物降解起到抑制作用。随着驯化时间的延长,微生物逐渐适应了环境,有机物降解效率开始缓慢恢复。常压对比装置的TOC 去除率规律与于德爽等在17. 5% 高盐度下的污泥驯化初期和污泥形成期的规律一致。
由图2 可以发现,在驯化过程进入3. 5% 盐度阶段之前,常压的TOC 去除率高于加压。而当驯化盐度超过3. 5% 后,加压体系的TOC 去除率高于常压这可能与高盐度导致的废水黏度增加[20] 有关。高黏度可以降低溶解氧的扩散,从而阻碍曝气过程氧从气相向液相的转移。对于常压系统,当盐度达3. 5% 及以上时此问题尤为突出,而加压系统由于压力可成倍提高溶氧速率,从而可有效缓解高黏度对溶氧过程的影响,促进有机物去除率的提高。
2. 2 压力对耐盐驯化过程中污泥脱氢酶活性的影响
有机物在生物体内的氧化往往是通过脱氢来完成,污泥脱氢酶活性高低直接关系到有机物降解速率。本文在每个盐度梯度出水TOC 稳定后,通过测定污泥脱氢酶活性,分析污泥耐盐驯化过程中,0. 3MPa 压力环境对污泥脱氢酶活性影响。结果如图3 所示。污泥脱氢酶活性在活性污泥系统稳定后通过3次平行实验获得,单位为TF mg·(g 活性污泥·h) - 1 ,。当盐度梯度在2. 5% 以内时,随着盐度上升,污泥脱氢酶活性呈下降趋势,这与崔有为等 研究相一致;当盐度进入3. 5% 以后,污泥脱氢酶活性提高。有研究表明当盐度在3% 左右时,系统有机物去除效率较差 。一方面,针对普通活性污泥系统非耐盐菌而言,3% 左右的盐度已足以抑制其活性,因此,当盐度梯度在3% 以内时,随着盐度的提高,以非耐盐菌为主体的活性污泥受到的抑制作用不断加强,脱氢酶活性下降;而另一方面,3% 的盐度对于中等嗜盐菌又较低,不足以满足其最佳生存条件 ,因此,该盐度下活性污泥总体脱氢酶活性显著降低。此后随着盐度的进一步升高,驯化过程活性污泥嗜盐菌和耐盐微生物比例增加,而嗜盐菌的大多数酶在高盐环境下有较高的活性且较稳定 ,因此高盐度抑制作用减少,嗜盐菌活性增强,3. 5% 及5. 0% 盐度阶段系统整体脱氢酶活性上升。
比较图3 和图2 可知,耐盐驯化过程中活性污泥的脱氢酶活性与TOC 去除率具有较好的一致性,两者均以3% 左右盐度为分界,当盐度达到3. 5% 及以上时,加压活性污泥脱氢酶活性及TOC 去除率均反超常压,可见加压溶氧体系可克服高盐度对好氧生物处理过程供氧的不利影响,在处理高盐度废水时其优势更为突出。
2. 3 压力对污泥耐盐驯化过程中胞外聚合物( EPS) 的影响
胞外聚合物(EPS) 是污泥的主要有机组成部分,它影响着微生物聚合以及絮体的表面性能。本文在每个盐度阶段出水TOC 稳定后,通过3 次平行实验测定污泥的EPS,结果如图4 所示。活性污泥在驯化过程中随着盐度的 升高EPS 含量较为稳定,但当盐度达到5% 时,系统的EPS含量有所升高。EPS 的产生量不仅与微生物自身所处生长阶段有关,而且与外界环境的胁迫状况有关。有研究表明,在活性污泥梯度耐盐驯化过程中存在一个盐度上限,一般在30 ~ 50 g·L - 1[25] 。在5% 高盐度环境中,微生物应激产生更多的EPS 以使微生物细胞体免受高盐损害。
由图4 还可知,加压系统的EPS 含量总是小于常压,即0. 3 MPa 的压力减少了耐盐驯化体系的EPS。EPS 占活性 污泥的80% 左右,EPS 的减少可能会促进污泥减量 。加压活性污泥法较低的EPS 含量可减少剩余污泥产出 ,可能是实现原位污泥减量的重要原因之一。具体参见污水宝商城资料或http://www.dowater.com更多相关技术文档。
3 结论
1)在压力环境下活性污泥可采用逐步提高盐浓度的梯度盐度驯化方法进行驯化。经驯化后活性污泥即使在5% 的高盐度下仍可达到75% 以上的有机物去除率。
2)在梯度盐度驯化过程中,当盐度达3. 5% 及以上,加压溶氧可减缓盐度升高时废水高黏度对溶氧的负面影响,促进有机物好氧降解,TOC 去除率及污泥脱氢酶活性均高于常压。
3)梯度耐盐驯化过程中的活性污泥EPS 含量较稳定。加压环境下污泥EPS 含量低于常压,这可能是加压活性污泥法可以实现原位污泥减量的重要原因之一。