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农村生活污水处理污泥低温驯化技术

发布时间:2020-12-16 10:53:52  中国污水处理工程网

  随着我国社会经济的发展,农村生活条件的不断改善,农村用水量也在逐年上升.但是,在我国农村,污水处理体系并未普及,随意排放的生活污水使江河湖泊水质严重下降,对农村的水环境产生了严重影响,给农村居民的用水安全和身体健康带来威胁,农村生活污水治理迫在眉睫。

  目前,基于序批式活性污泥法(SBR)工艺的一体化污水处理设备是农村污水处理的研究热点,该设备运行费用低、可操作性强、常温下处理效果好,且占地面积小,比较适合农村人口密度小、污水排放不连续等情况。但我国北方地区冬季温度较低,活性污泥作为多种微生物共生的一个群体,会随着温度的降低活性逐渐下降,对有机物的降解速度也随之下降,导致冬季污水处理效率低。因此,寒冷地区的城市污水厂通常会采用加热保温、增大污泥回流量和污水停留时间等措施来保证出水达标,这样不仅增加了工艺难度与能耗,而且增加了工程投资和运行费用。

  为此,相关领域研究人员利用生物强化技术驯化活性污泥,从而提高污泥的耐低温特性。例如,王长生等人采用流态连续形方法,在水温为11~13℃的反应器中对污泥进行驯化,驯化后污泥对初始COD(化学需氧量)为450mg/L-1的污水去除率最高为86.3%;伍海全等人对污泥进行阶段性耐低温驯化,10d在5℃条件下对初始COD为610mg/L-1左右的污水去除率可达95%以上;也有研究表明,通过外加磁场的方法也能对污泥进行驯化,增强污泥活性和耐寒性,ChuanNiu等人在低温条件下对污泥给予适当静磁场,驯化阶段对初始COD为400mg/L-1的污水去除率可达91.65%。因此,对污泥进行耐低温驯化,为解决北方地区冬季农村生活污水难处理问题提供了解决办法。

  拟将生物强化技术应用到农村污水处理当中,运用逐级降温的方法驯化活性污泥,使污泥在低温条件下仍能降解水中有机物,并考察污泥对人工污水及实际农村生活污水的处理情况,以及在污水处理过程中的最适接种量,出水COD达到农田灌溉水质标准(GB5084 ̄2005)中水作物的标准值,实现水资源的循环利用。这不但为寒冷地区污水处理提供了解决办法,也将为新农村环境治理与建设做出贡献。

  一、实验部分

  1.1材料来源

  污泥:吉林市某污水厂污泥。

  培养基:LB培养基。

  生活污水:吉林市周边农村三户化粪池污水,标记为生活污水A、B、C。

  人工污水:葡萄糖,0.170g;可溶性淀粉,0.160g;乙酸钠,0.233g;氯化铵,0.025g;蛋白胨,0.158g;牛肉膏,0.040g;硫酸铵,0.028g;磷酸二氢钾,0.070g;碳酸钠,0.060g;自来水,1L。将上述成分灭菌后备用。以上试剂均为分析纯,天津市大茂化学试剂厂生产。

  1.2实验主要设备

  生化培养箱(上海一恒LRH-800F)、全恒温振荡培养箱(上海一恒HZQ-X300C)、多参数消解仪(北京连华LH-25A)、多参数水质测定仪(北京连华5B-3B)、洁净工作台(上海昕仪SW-CJ-2FD)等,均在室温下使用和测定。

  1.3实验方法

  1.3.1污泥的耐低温驯化

  将采集的污泥用LB液体培养基于25℃生化培养箱内活化3d,然后取活化的湿污泥5g(含水量为83%),加入到装有200mL人工污水的三角瓶内,20℃条件下恒温培养7d,定时摇匀,静置澄清后检测上层液COD。用蒸馏水冲洗沉降污泥,再依次进行15、12、10、8℃的驯化实验,每个温度重复驯化3次。

  1.3.2不同驯化污泥量对人工污水的处理效果

  取8℃驯化后的活性污泥,反复用蒸馏水冲洗、沉降数次,抽滤弃去水份,分别称取湿重为1、2、3、4、5g的污泥加至200mL灭菌的人工污水中,放置生化培养箱内8℃培养7d,定时摇匀,静置澄清后检测上层液COD。以不加污泥的人工污水作为对照。

  1.3.3驯化污泥对生活污水处理能力的测定

  取最适接种量的已驯化污泥,分别加至装有200mL实际生活污水A、B、C的三角瓶内,8℃条件下恒温培养,定时摇匀,静置澄清后检测上层液COD,直至COD降至150mg/L-1以下或无明显变化,计算COD去除率。

  1.3.4污泥驯化与非驯化对生活污水处理能力的比较

  取最适接种量非驯化污泥,加入装有200mL实际生活污水C的三角瓶内,8℃条件下恒温培养,定时摇匀,静置澄清后检测上层液COD,处理时间与驯化污泥对实际生活污水C的处理时间相同,比较两种污泥在低温条件下对污水的处理能力是否有显著差异。

  1.4测定与分析方法

  COD使用消解仪和多参数水质分析仪测定,检测方法依据国家法规《快速消解分光光度法(HJ/T399 ̄2007)》。

  实验数据采用origin8.5进行分析作图。

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  最适污泥浓度公式:

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  二、结果与讨论

  2.1污泥的耐低温驯化

  我国北方农村的农民土地使用面积占比较高,以农田灌溉水质标准作为处理标准,经处理后的水用于灌溉,可以利用土壤系统进一步实现污染物的分解及N、P元素在农村生态系统的循环,降低污水处理的难度、成本及能耗.将从污水处理厂取回的活性污泥,按照20、15、12、10、8℃5个温度梯度进行逐级降温驯化实验,最后一次驯化期间活性污泥对人工污水的处理结果如图1所示。

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  由图1可知,各驯化温度下,人工污水的COD值随时间的增长而逐渐减小.20℃驯化时,第4d可将人工污水COD降至150mg/L-1以下,达到农田灌溉水质标准中水作物的灌溉要求(≤150mg/L-1),出水COD为131.6mg/L-1;第6d,其它驯化温度下出水COD也都达到此标准,12℃下的出水COD最低,为86.13mg/L-1,其中10、12、15、20℃的驯化结果同时达到加工、烹饪及去皮蔬菜作物灌溉的COD标准(≤100mg/L-1);第7d,8℃下驯化的出水COD降至92.85mg/L-1,去除率为85.65%,这与王长生等人的研究结果相近,本研究驯化污泥的温度更低,处理污水初始COD较高,比较符合我国北方地区冬季农村污水处理的实际情况。相比之下,伍海全等人驯化的污泥在低温条件下的COD去除能力更好,但本研究的处理方式及操作方法较为简单,无需曝气搅拌,节约了污水处理过程当中的能源消耗。目前,通过活性污泥在8℃下对人工污水的COD去除情况来看,污泥已经具备在低温条件下对污水的处理能力。

  在驯化过程中,活性污泥对人工污水的COD去除情况都出现去除率快慢交替的现象,COD变化曲线呈阶梯式下降。接种污泥后2d内,12、15、20℃下污水COD下降趋势较快,去除率最高可达45.9%,而8℃和10℃下的污泥还处在延滞期,COD下降缓慢,去除率最高仅为35.7%;第2~3d,10、12、15℃的COD下降趋平,去除率增长缓慢,平均增长7.7%,20℃也出现了较小的波动,只有8℃仍维持着稳定的下降趋势;第3d以后,10、12、15、20℃下的COD开始持续下降,而8℃在第4~5d的COD变化较小,去除率仅增长5.0%,随后又迅速下降,这可能与污泥内微生物的生长特性有关。相比之下,20℃驯化污泥将污水处理达标时间最短,4d即可达到处理要求,培养至第7d时COD已降至52.36mg/L-1,去除率为91.91%。随着驯化温度的降低,污泥的处理时间增长,8℃下污泥处理污水的达标时间需要7d,此时出水COD为92.85mg/L-1,去除率为85.66%,虽然8℃处理时间较20℃长,但最终的出水COD相差不多,去除率较20℃仅降低了6.26%,说明在8℃条件下,污泥仍具有良好的降解能力,因此低温驯化污泥对寒冷地区污水处理具一定的应用价值。

  2.2不同驯化污泥量对人工污水的处理效果

  将不同湿重的污泥接种到人工污水中,8℃处理7d的COD降解情况如图2所示.由图2可知,在8℃条件下,随着活性污泥接种量增加,污泥对污水COD的去除效果也随之增强.1、2、3g活性污泥在第7d均将处理的污水达到农田灌溉水质标准,出水COD分别为95.63、92.16、88.75mg/L-1,COD去除率分别为85.22%、85.76%、86.29%;而接种量为4g和5g的活性污泥,对污水的处理达标周期仅为5d,出水COD分别为110.6mg/L-1和105.3mg/L-1;第7d时,4g和5g接种量处理的污水COD分别降至76.13mg/L-1和75.64mg/L-1,且在处理相同时间内COD的去除率较高,分别为88.24%和88.31%,处理效果基本相同。因此,实验的污泥最佳接种量为4g,此时污泥的含水量约为83%,除去污泥当中多余的水分,相当于污泥浓度(MLSS)为3.4g/L-1.最适的污泥浓度可以有效保证污水处理过程中的水力负荷,在不影响污泥有机物去除能力的同时,还能节省工艺成本,为活性污泥在农村污水处理领域中的应用提供参考。

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  2.3驯化污泥对生活污水处理能力的测定

  用污泥对实际农村生活污水A、B、C进行处理,初始COD分别为570.9、595.6、722.4mg/L-1。实际农村生活污水主要包括厕所冲洗水、洗漱排水、厨房排水及其它排水等,处理情况如图3所示。随着时间的增长,A、B、C三户污水的COD含量逐渐下降,与C相比,A、B两户污水的初始COD含量较低且相近,处理第8d时达标,出水COD相差不大,分别为127.2mg/L-1和129.5mg/L-1,COD去除率分别是77.72%、78.26%;第10d,C户污水达标,出水COD为145.6mg/L-1,去除率为84.97%,此时A、B两户污水的COD含量仍在下降,出水COD分别降至92.36mg/L-1和89.51mg/L-1,去除率分别为83.82%和84.97%。在对三户实际生活污水的处理过程中,由于C户污水的初始COD含量较高,因此所需处理时间较长。从3条曲线的下降程度看,活性污泥在对实际生活污水的低温处理过程中能保持较稳定的状态,各污水COD均平缓下降,且未出现较大波动,污泥处理时间也会随着污水初始COD的增加而延长。

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  与处理人工污水相比,污泥处理实际生活污水所需时间较长。相同温度下,活性污泥第7d对人工污水的COD去除率为85.65%,而处理实际生活污水要达到同样的去除效果则需要10d,原因是实际生活污水的成分较人工污水复杂,日化产品对污泥内微生物的活性造成了一定影响,使得微生物对污水中有机物的降解效率降低.在对污泥进行耐低温驯化阶段,污泥对人工污水的降解呈现阶段下降的趋势,例如8℃驯化的第4~5d,污泥对人工污水的去除速率开始降低,第5d后开始恢复,而处理生活污水则呈现平稳下降的趋势,原因是在驯化时,为增强污泥的活性,会在人工污水中添加葡萄糖等容易被利用的物质,污泥首先快速分解这些物质,然后再利用淀粉等一些结构复杂的有机物,所以COD曲线呈阶梯式下降。经过不断的驯化与实验,污泥开始适应低温且复杂的污水环境,而实际农村生活污水的成分主要是淀粉、纤维素、脂肪、蛋白质等结构复杂的有机物,污泥会直接利用这些物质,因此对实际生活污水处理比较稳定,整个处理过程也未产生较大波动,说明活性污泥对环境的适应性逐渐增强,这对寒冷地区农村生活污水处理具有重要意义.在实际应用中,可适当增加污泥接种量来缩短污水的处理周期。

  2.4驯化耐冷污泥与非驯化污泥对污水处理能力的比较

  如图4为驯化耐冷污泥与非驯化污泥在8℃条件下对C户生活污水处理的COD随时间变化的曲线。对比发现,没有经过驯化的活性污泥在8℃时COD去除率较低,仅为56.71%,出水COD为312.8mg/L-1,相同时间内出水COD含量未能达到农田灌溉水质标准,整个处理过程也存在波动。开始1~4d,去除效果虽不如驯化的活性污泥,但COD含量也在逐渐下降;第5~7d的去除率明显减小,曲线趋于平缓,出水COD变化不大;之后去除率逐渐恢复,COD含量逐渐降低。这说明未经驯化的污泥受低温影响较大,再加上实际农村污水处理过程中进水量和初始COD的不稳定,更会严重影响污水的处理效果,导致出水水质不达标。而经过驯化的耐冷活性污泥在低温下仍具有较高的生物活性,COD去除率可达79.85%,出水COD达农田灌溉水质标准,整个处理过程COD下降趋势稳定,无较大波动。驯化后的耐冷活性污泥抗干扰能力较强,对环境变化适应性强,因此比较适合北方地区农村生活污水处理。

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  三、结论

  经过反复逐级耐低温驯化,得到在低温条件下仍具有活性的污泥,利用农村独有的土地优势,以农田灌溉水质标准为处理指标,可以降低低温处理难度,减少能量消耗。驯化后的污泥处理人工污水,8℃条件下的出水COD为92.85mg/L-1,去除率为85.65%;相同条件下处理实际农村生活污水,出水COD最低为89.51mg/L-1,去除率最高为84.97%,最短处理周期为8d;经人工污水验证,污泥的最适接种浓度为3.4g/L-1。而非驯化污泥在相同条件下对实际农村生活污水的COD去除率仅为56.71%,出水COD第10d仍未达标,这说明经过驯化的活性污泥适合在低温条件下处理生活污水,若将其应用到我国北方或高寒地区的农村污水处理之中,将会大大改善这些地区冬季污水处理效果,提高污水处理效率,为高寒地区农村生活污水处理提供有力支持。(来源:吉林化工学院)

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