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低温下活性污泥处理废水技术

摘要:低温下活性污泥处理废水技术,由于地理区域(高纬度地区)和季节性变化(进入冬季/春季)的差异,废水温度经常可降至0~10℃,低温严重抑制微生物活性,底物利用率和细胞增

  由于地理区域(高纬度地区)和季节性变化(进入冬季/春季)的差异,废水温度经常可降至0~10℃,低温严重抑制微生物活性,底物利用率和细胞增长,导致污水处理工艺性能恶化,废水去除效率显著降低。低温废水的处理研究已逐渐成为行业内日益关注的焦点。由于低温对活性污泥微生物活性的抑制作用,现有工艺难以满足低温下生化污水厂对低温废水的处理要求,且难以实现达标排放,对环境负荷造成了严重的影响。本文综述了近年来低温废水处理技术的研究现状及进展,并总结了研究活性污泥处理低温废水的可行性理化指标,为进一步研究活性污泥处理低温废水提供理论指导。

  1、低温废水处理研究现状

  目前,污水处理技术领域的研究已经比较广泛,但是对于低温废水处理技术的应用仍面临较大的挑战。并且在低温废水的生物处理中,微生物对低温废水的污染物的去除完全依赖于活性污泥微生物的新陈代谢,所以温度作为影响微生物菌群的生长繁殖与代谢活性的重要生态因子对废水生物处理具有重要影响。除调整传统的活性污泥法系统的运行参数如降低负荷、增加水力停留时间、采取一定的保温措施等之外,主要有化学强化混凝、人工湿地强化、投加高效耐冷菌种技术等强化低温污水的处理效果。刘海龙等利用合成新型复合混凝剂(SynthA)在低温(2~5℃)条件下强化混凝对溶解性有机物等去除方面研究时发现,强化混凝能够在一定程度上提高系统对污染物的去除效果。魏作红等低温制备改性纳米降解亚甲基蓝染料废水,取得较好的处理效果。伍海全等筛选培育高效处理低温城市污水的微生物菌种,增强活性污泥耐冷性能,进而强化处理低温城市污水。

  由于低温对废水生化处理的不利影响,近年来我国水处理工作者在低温废水生化处理的方面进行了部分研究工作。为解决低温废水难生物降解的问题,生物强化处理技术在废水处理中得到一定的应用。唐子夏等研究发现与陶粒填料的BAF系统相比,陶粒-竹丝复合填料适合微生物附着,低温条件下,复合填料上不同菌种之间的共降解和协同降解作用更为显著,对反应系统内的污染物降解效果更为显著。张琪等在研究低温条件下磁分离与装配式人工湿地组合工艺对小区生活废水的处理时发现,该联合工艺对小区废水中污染物有较好的处理效果,其中COD,NH3-N,TP的去除率分别为86.8%,52.5%,96.8%。张晓飞等研究低温下(7~13℃)多级AO-膜生物反应器(MAO-MBR)工艺对市政废水中有机物和N、P去除效果时发现,出水COD,NH3-N的平均去除率分别为97%和98%,经组合工艺处理后,出水水质达到GB18918—2002的一级A标准。近年,大多数关于提高低温生物废水处理效率的研究都集中在冷适应细菌的驯化或生物强化上。但是,在许多地区,温度是季节性变化的。是否占优势的细菌群落在低温下适应将保持稳定并且在长期温度循环期间遗传仍然存在争议。并且,目前的处理工艺措施具有一定的缺点和不足,不仅会增加工程投资和运行费用,而且在复杂多变的低温环境中抗冷冲击性能得不到保证,还常会引起污泥膨胀等问题。

  由于温度对活性污泥微生物个体的生长、繁殖、新陈代谢、生物种群分布和种群数量起着决定性作用,直接影响着冬季污水处理效率的高低,以生化法为主要工艺的污水处理厂的处理效果受到严重的影响。因此,低温成为我国冬季寒冷地区印染废水生物处理工艺最大的限制因素,使得低温(0~10℃)废水处理成为环境水处理领域目前面临的一大难题。

  2、低温对活性污泥降解过程的影响

  在低温废水的生物处理中,微生物对低温废水的污染物的去除完全依赖于活性污泥微生物的新陈代谢,所以温度作为影响微生物菌群的生长繁殖与代谢活性的重要生态因子对废水生物处理具有重要影响。

  (1)低温对活性污泥沉降性能的影响

  低温条件下废水中有机物质的扩散及其沉降变慢,导致废水中丝状菌大量生长,产生污泥膨胀,低温使水中气体的溶解度变大,导致污泥上浮,从而导致活性污泥沉降性能下降。此外,低温会致使污水处理系统中活性污泥微生物释放大量具有亲水性的多糖类胞外聚合物,同样会导致发生污泥上浮的现象。所以在废水的生物处理过程中,活性污泥的沉降性能是使废水处理达到更高水平的关键因素之一。王晓东等在研究城市污水处理厂实际生产活性污泥特性时发现,污水生化处理系统中的反应温度所导致的MLVSS/MLSS值的变化直接影响活性污泥沉降性能。

  (2)低温对微生物脱氢酶活性的影响。

  脱氢酶是微生物细胞的胞外酶,参与了有机物降解的全过程,是微生物降解有机污染物所必需的酶,所以脱氢酶既可以作为生物体活性的参数,又是微生物细胞对底物降解能力的体现。温度降低会导致活性污泥微生物新陈代谢减弱、脱氢酶活性降低。并且,脱氢酶活性的检测是微生物活性检测中一种灵敏、简单的手段。

  邓航等在利用印染废水作为碳源,探究SBR反应器缺氧段、好氧段的酶活性时发现,稳定运行后的SBR反应系统中的脱氢酶活性高于酯酶活性;较之于酯酶,脱氢酶活性与反应系统COD、色度的去除率有着更为显著的相关性。王帆等研究低温(3~15℃)连续流运行曝气池中活性污泥的脱氢酶活性的变化,反应体系中脱氢酶活性整体上随温度的下降呈下降趋势,微生物活性逐渐减弱,代谢速率下降,COD的去除率随之降低。张浩等发现,微氧磁性活性污泥系统在处理五氯酚废水时的微生物量与脱氢酶活性均比微氧无磁性活性污泥系统中的参数高。王晓东等实验探究得出微生物脱氢酶活性的变化是导致活性污泥沉降性能受温度影响的生物学原因。

  (3)低温对磷脂脂肪(Phospholipidfattyacids,PLFA)的影响。

  细胞膜是细胞与外界的通道,其流动性是细胞的结构和功能表达的基础,当温度下降时,膜的流动性会随之减弱,从而影响细胞膜的正常生理功能。然而,微生物可以通过改变细胞膜中脂肪酸的成分来调节膜的流动性,以适应在低温恶劣环境下的生存。磷脂脂肪酸(PLFA)为从甲基化活性污泥中提取磷脂后得到的细胞膜中的脂肪酸产物,是活体微生物细胞膜的重要组成成分。微生物细胞自体合成不同组分和链长的PLFA,以维持细胞膜的完整性与响应其直接生存环境的细胞功能。不同类群的微生物中存在某些特定的磷脂脂肪酸,PLFA可以作为鉴定活性污泥系统中微生物量和微生物群落的生物标记。

  磷脂脂肪酸分析已经被普遍运用于环境样品中微生物群落的分析。近年来,PLFA分析方法在土壤、生物膜和活性污泥等水处理技术相关的微生物群落结构和功能方面均取得显著的进展。周新程等利用GC/MS分析表面流人工湿地沉积物中提取的PLFA,检测出湿地沉积物中主要形成了以好氧菌、硫酸盐还原菌、放线菌等细菌组成的微生物群落,其中,好氧菌为优势种群。尹勇等研究生态强化法原位净化村镇废水时发现,PLFA分析得到底泥中饱和脂肪酸含量最为丰富,以脂肪酸生物标记量为指标,表明底泥的生态群落中是以假单胞杆菌、好氧细菌为主导。张璐璐等研究直流电场强化活性污泥法处理木质素废水的效能时发现,不同电流强度驯化出不同的微生物群落,实验条件的变化对微生物细胞膜的PLFA产生了显著的影响。NIU等表明,2~4mT的磁感应强度对PLFA多样性具有明显的强化作用,刺激活性污泥微生物细胞合成更多的不饱和脂肪酸来适应低温环境。

  3、活性污泥处理低温废水的研究进展

  3.1 磁场强化好氧活性污泥处理低温废水

  研究表明,一切具有生命活性的生物体都具有磁性,在生命活动过程中都会产生稳定或不稳定的为弱磁场,所以生物磁性与生物特性之间相互关联、相互影响。有文献论证到不同强度(从1mT到1T)的静态磁场(SMF)一定程度上能够影响许多生物系统。磁场强化活性污泥的机理在生物学效应主要表现为:①磁场能够直接影响活性污泥微生物的生长代谢。生命运动、生物化学反应及生物物质分子中存在着许多磁性物质,同时生物体内还存在大量的电子和离子,任何生物都是具有磁性的,因此外加磁场、环境磁场和生物体内的磁场都会对生物体及其生命活动产生不容忽视的影响。外部磁场作用于微生物细胞膜上的蛋白质通道,影响带电离子对细胞膜的渗透交换能力,从而增大物质传递扩散,影响生物体内的代谢作用[38]。②磁场通过提高生物降解所需酶的活性,间接强化废水处理的降解能力。过渡金属原子作为生物酶的成分,许多情况下表现出顺磁特性,磁场通过影响生物体的顺磁原子进而影响酶的活性。

  XU等在研究中发现,当将絮状活性污泥系统(10℃)置于7mT静磁场中时,虽然活性污泥比乙酸吸收率降低了29%,但是PHB最高产量和比乙酸产PHB率分别提高32%和28%,其主要原因在于静磁场会促进乙酰CoA导流至PHB的合成过程中,并能够抵消较高乙酸盐浓度和低温对絮状活性污泥系统造成的不利影响。NIU等[33]以葡萄糖为碳源,研究了低温下10~50mT的静态磁感应强度对活性污泥活性的影响,发现稳定运行阶段的COD降解率在不同磁感应强度下呈现不同的变化趋势,但是具有磁场强化的反应器适应于低温环境更快,能够达到更高的COD去除效率。20~40mT的磁感应强度可以强化活性污泥微生物脱氢酶活性适应寒冷环境的活性。在合适的磁感应强度(该研究中为30mT)下,具有较好冷适应性的革兰氏阴性细菌富集,同时确保低温反应器中的微生物具有更好的耐寒性。

  3.2 厌氧颗粒污泥处理低温废水

  厌氧颗粒污泥是由产甲烷菌、产乙酸菌和水解发酵菌等构成的自凝聚体,其良好的沉淀性能和产甲烷活性是厌氧污泥反应器反应器成功的关键。SCULLYC等在研究低温厌氧颗粒污泥处理低温苯酚废水处理效果时发现,当温度逐渐降低至9.5℃时,苯酚去除率有所下降,出水苯酚含量升高,但是其甲烷产量仍然可以达到3.3L/(g•d),比苯酚降解率和比甲烷产率分别达到68mg/(g•d)和12~20mL/(g•d),表明厌氧颗粒污泥可以耐受较高的苯酚负荷,具有处理低温有毒的苯酚废水的能力。ENRIGHTAM等通过实验探究发现厌氧颗粒同样具有处理低温甲苯废水的效能,在实验周期内COD和甲苯去除效率分别达到70%~90%和55%~99%,结果表明低温厌氧消化处理含甲苯废水的可行性。并且,TSUSHIMAI等在研究厌氧颗粒污泥处理低温蔗糖废水时,反应器在低温时仍然具有较高的COD去除率,微生物种群结构分析表明在颗粒污泥的表层甲烷螺菌属得到富集,该细菌是一类产甲烷菌,有助于在低环境温度下厌氧地降解蔗糖底物。

  4、结论与展望

  低温已经成为我国冬季寒冷地区废水生物处理工艺最大的限制因素。由于低温对活性污泥微生物活性的抑制作用,现有工艺很难满足生化污水厂对低温废水的处理要求,难以实现达标排放。其中,以厌氧颗粒污泥处理低温废水的应用较多,但是厌氧颗粒污泥的培养周期较长,需要较高的运行温度,培养过程较为复杂,往往还需要串联好氧生物处理技术以保证出水水质稳定和出水达标排放。而磁场强化技术因其有效的污染物降解率、无二次污染、低能耗等优点已成为水处理领域研究热点,对解决低温印染废水处理的问题提供了新思路、研究方向和理论指导,磁场强化与污水处理的复合控制技术已经成为污水治理领域逐渐兴起的新型工艺。所以,磁场强化活性污泥处理低温印染废水将具有成为解决此类低温废水的新兴技术的潜力。但是,该领域的理论研究内容较少,所以还需进一步探究磁场强化活性污泥处理低温废水处理技术,为进一步研究活性污泥处理低温废水提供理论指导。(来源:东南大学,江苏省环境工程重点实验室
江苏省环境科学研究院)

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作者: 三六五环保公司

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