宜昌冷庫(kù)活性污泥廢水處理一體化設(shè)備工藝

　由于地理區(qū)域(高緯度地區(qū))和季節(jié)性變化(進(jìn)入冬季/春季)的差異，廢水溫度經(jīng)?？山抵?~10℃，低溫嚴(yán)重抑制微生物活性，底物利用率和細(xì)胞增長(zhǎng)，導(dǎo)致污水處理工藝性能惡化，廢水去除效率顯著降低。低溫廢水的處理研究已逐漸成為行業(yè)內(nèi)日益關(guān)注的焦點(diǎn)。由于低溫對(duì)活性污泥微生物活性的抑制作用，現(xiàn)有工藝難以滿足低溫下生化污水廠對(duì)低溫廢水的處理要求，且難以實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放，對(duì)環(huán)境負(fù)荷造成了嚴(yán)重的影響。本文綜述了近年來(lái)低溫廢水處理技術(shù)的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展，并總結(jié)了研究活性污泥處理低溫廢水的可行性理化指標(biāo)，為進(jìn)一步研究活性污泥處理低溫廢水提供理論指導(dǎo)。

　　1、低溫廢水處理研究現(xiàn)狀

　　目前，污水處理技術(shù)領(lǐng)域的研究已經(jīng)比較廣泛，但是對(duì)于低溫廢水處理技術(shù)的應(yīng)用仍面臨較大的挑戰(zhàn)。并且在低溫廢水的生物處理中，微生物對(duì)低溫廢水的污染物的去除依賴(lài)于活性污泥微生物的新陳代謝，所以溫度作為影響微生物菌群的生長(zhǎng)繁殖與代謝活性的重要生態(tài)因子對(duì)廢水生物處理具有重要影響。除調(diào)整傳統(tǒng)的活性污泥法系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)如降低負(fù)荷、增加水力停留時(shí)間、采取一定的保溫措施等之外，主要有化學(xué)強(qiáng)化混凝、人工濕地強(qiáng)化、投加高效耐冷菌種技術(shù)等強(qiáng)化低溫污水的處理效果。劉海龍等利用合成新型復(fù)合混凝劑(SynthA)在低溫(2~5℃)條件下強(qiáng)化混凝對(duì)溶解性有機(jī)物等去除方面研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)化混凝能夠在一定程度上提高系統(tǒng)對(duì)污染物的去除效果。魏作紅等低溫制備改性納米降解亞甲基藍(lán)染料廢水，取得較好的處理效果。伍海全等篩選培育高效處理低溫城市污水的微生物菌種，增強(qiáng)活性污泥耐冷性能，進(jìn)而強(qiáng)化處理低溫城市污水。

　　由于低溫對(duì)廢水生化處理的不利影響，近年來(lái)我國(guó)水處理工作者在低溫廢水生化處理的方面進(jìn)行了部分研究工作。為解決低溫廢水難生物降解的問(wèn)題，生物強(qiáng)化處理技術(shù)在廢水處理中得到一定的應(yīng)用。唐子夏等研究發(fā)現(xiàn)與陶粒填料的BAF系統(tǒng)相比，陶粒-竹絲復(fù)合填料適合微生物附著，低溫條件下，復(fù)合填料上不同菌種之間的共降解和協(xié)同降解作用更為顯著，對(duì)反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)的污染物降解效果更為顯著。張琪等在研究低溫條件下磁分離與裝配式人工濕地組合工藝對(duì)小區(qū)生活廢水的處理時(shí)發(fā)現(xiàn)，該聯(lián)合工藝對(duì)小區(qū)廢水中污染物有較好的處理效果，其中COD，NH3-N，TP的去除率分別為86.8%，52.5%，96.8%。張曉飛等研究低溫下(7~13℃)多級(jí)AO-膜生物反應(yīng)器(MAO-MBR)工藝對(duì)市政廢水中有機(jī)物和N、P去除效果時(shí)發(fā)現(xiàn)，出水COD，NH3-N的平均去除率分別為97%和98%，經(jīng)組合工藝處理后，出水水質(zhì)達(dá)到GB18918—2002的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。近年，大多數(shù)關(guān)于提高低溫生物廢水處理效率的研究都集中在冷適應(yīng)細(xì)菌的馴化或生物強(qiáng)化上。但是，在許多地區(qū)，溫度是季節(jié)性變化的。是否占優(yōu)勢(shì)的細(xì)菌群落在低溫下適應(yīng)將保持穩(wěn)定并且在長(zhǎng)期溫度循環(huán)期間遺傳仍然存在爭(zhēng)議。并且，目前的處理工藝措施具有一定的缺點(diǎn)和不足，不僅會(huì)增加工程投資和運(yùn)行費(fèi)用，而且在復(fù)雜多變的低溫環(huán)境中抗冷沖擊性能得不到保證，還常會(huì)引起污泥膨脹等問(wèn)題。

　　由于溫度對(duì)活性污泥微生物個(gè)體的生長(zhǎng)、繁殖、新陳代謝、生物種群分布和種群數(shù)量起著決定性作用，直接影響著冬季污水處理效率的高低，以生化法為主要工藝的污水處理廠的處理效果受到嚴(yán)重的影響。因此，低溫成為我國(guó)冬季寒冷地區(qū)印染廢水生物處理工藝最大的限制因素，使得低溫(0~10℃)廢水處理成為環(huán)境水處理領(lǐng)域目前面臨的一大難題。

　　2、低溫對(duì)活性污泥降解過(guò)程的影響

　　在低溫廢水的生物處理中，微生物對(duì)低溫廢水的污染物的去除依賴(lài)于活性污泥微生物的新陳代謝，所以溫度作為影響微生物菌群的生長(zhǎng)繁殖與代謝活性的重要生態(tài)因子對(duì)廢水生物處理具有重要影響。

　　(1)低溫對(duì)活性污泥沉降性能的影響

　　低溫條件下廢水中有機(jī)物質(zhì)的擴(kuò)散及其沉降變慢，導(dǎo)致廢水中絲狀菌大量生長(zhǎng)，產(chǎn)生污泥膨脹，低溫使水中氣體的溶解度變大，導(dǎo)致污泥上浮，從而導(dǎo)致活性污泥沉降性能下降。此外，低溫會(huì)致使污水處理系統(tǒng)中活性污泥微生物釋放大量具有親水性的多糖類(lèi)胞外聚合物，同樣會(huì)導(dǎo)致發(fā)生污泥上浮的現(xiàn)象。所以在廢水的生物處理過(guò)程中，活性污泥的沉降性能是使廢水處理達(dá)到更高水平的關(guān)鍵因素之一。王曉東等在研究城市污水處理廠實(shí)際生產(chǎn)活性污泥特性時(shí)發(fā)現(xiàn)，污水生化處理系統(tǒng)中的反應(yīng)溫度所導(dǎo)致的MLVSS/MLSS值的變化直接影響活性污泥沉降性能。

　　(2)低溫對(duì)微生物脫氫酶活性的影響。

　　脫氫酶是微生物細(xì)胞的胞外酶，參與了有機(jī)物降解的全過(guò)程，是微生物降解有機(jī)污染物所必需的酶，所以脫氫酶既可以作為生物體活性的參數(shù)，又是微生物細(xì)胞對(duì)底物降解能力的體現(xiàn)。溫度降低會(huì)導(dǎo)致活性污泥微生物新陳代謝減弱、脫氫酶活性降低。并且，脫氫酶活性的檢測(cè)是微生物活性檢測(cè)中一種靈敏、簡(jiǎn)單的手段。

　　鄧航等在利用印染廢水作為碳源，探究SBR反應(yīng)器缺氧段、好氧段的酶活性時(shí)發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)定運(yùn)行后的SBR反應(yīng)系統(tǒng)中的脫氫酶活性高于酯酶活性;較之于酯酶，脫氫酶活性與反應(yīng)系統(tǒng)COD、色度的去除率有著更為顯著的相關(guān)性。王帆等研究低溫(3~15℃)連續(xù)流運(yùn)行曝氣池中活性污泥的脫氫酶活性的變化，反應(yīng)體系中脫氫酶活性整體上隨溫度的下降呈下降趨勢(shì)，微生物活性逐漸減弱，代謝速率下降，COD的去除率隨之降低。張浩等發(fā)現(xiàn)，微氧磁性活性污泥系統(tǒng)在處理廢水時(shí)的微生物量與脫氫酶活性均比微氧無(wú)磁性活性污泥系統(tǒng)中的參數(shù)高。王曉東等實(shí)驗(yàn)探究得出微生物脫氫酶活性的變化是導(dǎo)致活性污泥沉降性能受溫度影響的生物學(xué)原因。

　　(3)低溫對(duì)磷脂脂肪(Phospholipidfattyacids,PLFA)的影響。

　　細(xì)胞膜是細(xì)胞與外界的通道，其流動(dòng)性是細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能表達(dá)的基礎(chǔ)，當(dāng)溫度下降時(shí)，膜的流動(dòng)性會(huì)隨之減弱，從而影響細(xì)胞膜的正常生理功能。然而，微生物可以通過(guò)改變細(xì)胞膜中脂肪酸的成分來(lái)調(diào)節(jié)膜的流動(dòng)性，以適應(yīng)在低溫惡劣環(huán)境下的生存。磷脂脂肪酸(PLFA)為從甲基化活性污泥中提取磷脂后得到的細(xì)胞膜中的脂肪酸產(chǎn)物，是活體微生物細(xì)胞膜的重要組成成分。微生物細(xì)胞自體合成不同組分和鏈長(zhǎng)的PLFA，以維持細(xì)胞膜的完整性與響應(yīng)其直接生存環(huán)境的細(xì)胞功能。不同類(lèi)群的微生物中存在某些特定的磷脂脂肪酸，PLFA可以作為鑒定活性污泥系統(tǒng)中微生物量和微生物群落的生物標(biāo)記。

　　磷脂脂肪酸分析已經(jīng)被普遍運(yùn)用于環(huán)境樣品中微生物群落的分析。近年來(lái)，PLFA分析方法在土壤、生物膜和活性污泥等水處理技術(shù)相關(guān)的微生物群落結(jié)構(gòu)和功能方面均取得顯著的進(jìn)展。周新程等利用GC/MS分析表面流人工濕地沉積物中提取的PLFA，檢測(cè)出濕地沉積物中主要形成了以好氧菌、硫酸鹽還原菌、放線菌等細(xì)菌組成的微生物群落，其中，好氧菌為優(yōu)勢(shì)種群。尹勇等研究生態(tài)強(qiáng)化法原位凈化村鎮(zhèn)廢水時(shí)發(fā)現(xiàn)，PLFA分析得到底泥中飽和脂肪酸含量較為豐富，以脂肪酸生物標(biāo)記量為指標(biāo)，表明底泥的生態(tài)群落中是以假單胞桿菌、好氧細(xì)菌為主導(dǎo)。張璐璐等研究直流電場(chǎng)強(qiáng)化活性污泥法處理木質(zhì)素廢水的效能時(shí)發(fā)現(xiàn)，不同電流強(qiáng)度馴化出不同的微生物群落，實(shí)驗(yàn)條件的變化對(duì)微生物細(xì)胞膜的PLFA產(chǎn)生了顯著的影響。NIU等表明，2~4mT的磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)PLFA多樣性具有明顯的強(qiáng)化作用，刺激活性污泥微生物細(xì)胞合成更多的不飽和脂肪酸來(lái)適應(yīng)低溫環(huán)境。

　　3、活性污泥處理低溫廢水的研究進(jìn)展

宜昌冷庫(kù)活性污泥廢水處理一體化設(shè)備工藝

　　研究表明，一切具有生命活性的生物體都具有磁性，在生命活動(dòng)過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定或不穩(wěn)定的為弱磁場(chǎng)，所以生物磁性與生物特性之間相互關(guān)聯(lián)、相互影響。有文獻(xiàn)論證到不同強(qiáng)度(從1mT到1T)的靜態(tài)磁場(chǎng)(SMF)一定程度上能夠影響許多生物系統(tǒng)。磁場(chǎng)強(qiáng)化活性污泥的機(jī)理在生物學(xué)效應(yīng)主要表現(xiàn)為：①磁場(chǎng)能夠直接影響活性污泥微生物的生長(zhǎng)代謝。生命運(yùn)動(dòng)、生物化學(xué)反應(yīng)及生物物質(zhì)分子中存在著許多磁性物質(zhì)，同時(shí)生物體內(nèi)還存在大量的電子和離子，任何生物都是具有磁性的，因此外加磁場(chǎng)、環(huán)境磁場(chǎng)和生物體內(nèi)的磁場(chǎng)都會(huì)對(duì)生物體及其生命活動(dòng)產(chǎn)生不容忽視的影響。外部磁場(chǎng)作用于微生物細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì)通道，影響帶電離子對(duì)細(xì)胞膜的滲透交換能力，從而增大物質(zhì)傳遞擴(kuò)散，影響生物體內(nèi)的代謝作用[38]。②磁場(chǎng)通過(guò)提高生物降解所需酶的活性，間接強(qiáng)化廢水處理的降解能力。過(guò)渡金屬原子作為生物酶的成分，許多情況下表現(xiàn)出順磁特性，磁場(chǎng)通過(guò)影響生物體的順磁原子進(jìn)而影響酶的活性。

　　XU等在研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)將絮狀活性污泥系統(tǒng)(10℃)置于7mT靜磁場(chǎng)中時(shí)，雖然活性污泥比乙酸吸收率降低了29%，但是PHB最高產(chǎn)量和比乙酸產(chǎn)PHB率分別提高32%和28%，其主要原因在于靜磁場(chǎng)會(huì)促進(jìn)乙酰CoA導(dǎo)流至PHB的合成過(guò)程中，并能夠抵消較高乙酸鹽濃度和低溫對(duì)絮狀活性污泥系統(tǒng)造成的不利影響。NIU等[33]以葡萄糖為碳源，研究了低溫下10~50mT的靜態(tài)磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)活性污泥活性的影響，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行階段的COD降解率在不同磁感應(yīng)強(qiáng)度下呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)，但是具有磁場(chǎng)強(qiáng)化的反應(yīng)器適應(yīng)于低溫環(huán)境更快，能夠達(dá)到更高的COD去除效率。20~40mT的磁感應(yīng)強(qiáng)度可以強(qiáng)化活性污泥微生物脫氫酶活性適應(yīng)寒冷環(huán)境的活性。在合適的磁感應(yīng)強(qiáng)度(該研究中為30mT)下，具有較好冷適應(yīng)性的革蘭氏陰性細(xì)菌富集，同時(shí)確保低溫反應(yīng)器中的微生物具有更好的耐寒性。

　　3.2 厭氧顆粒污泥處理低溫廢水

　　厭氧顆粒污泥是由產(chǎn)甲烷菌、產(chǎn)乙酸菌和水解發(fā)酵菌等構(gòu)成的自凝聚體，其良好的沉淀性能和產(chǎn)甲烷活性是厭氧污泥反應(yīng)器反應(yīng)器成功的關(guān)鍵。SCULLYC等在研究低溫厭氧顆粒污泥處理低溫廢水處理效果時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度逐漸降低至9.5℃時(shí)，去除率有所下降，出水含量升高，但是其甲烷產(chǎn)量仍然可以達(dá)到3.3L/(g•d)，比降解率和比甲烷產(chǎn)率分別達(dá)到68mg/(g•d)和12~20mL/(g•d)，表明厭氧顆粒污泥可以耐受較高的負(fù)荷，具有處理低溫有毒的苯廢水的能力。ENRIGHTAM等通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究發(fā)現(xiàn)厭氧顆粒同樣具有處理低溫甲苯廢水的效能，在實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)COD和甲苯去除效率分別達(dá)到70%~90%和55%~99%，結(jié)果表明低溫厭氧消化處理含甲苯廢水的可行性。并且，TSUSHIMAI等在研究厭氧顆粒污泥處理低溫蔗糖廢水時(shí)，反應(yīng)器在低溫時(shí)仍然具有較高的COD去除率，微生物種群結(jié)構(gòu)分析表明在顆粒污泥的表層甲烷螺菌屬得到富集，該細(xì)菌是一類(lèi)產(chǎn)甲烷菌，有助于在低環(huán)境溫度下厭氧地降解蔗糖底物。