食品廢水中菌群改造應用生物強化技術(shù)

食品廢水中菌群改造應用生物強化技術(shù)

園區廢水中的工業(yè)廢水(占比可從30%~90%)往往含有許多難以生物降解的污染物，含有大量食品廢水的污水具有有機物、TN、脂肪及懸浮物含量高等特點(diǎn)。我國地方城鎮污水處理廠(chǎng)大多含有屠宰、肉類(lèi)加工、食品發(fā)酵等廢水，尋求更加經(jīng)濟高效的污水處理新方法勢在必行。

　　目前，我國對城鎮污水處理主體工藝的改造一般有4種方式：一是對原有的活性污泥工藝進(jìn)行調整，二是生物強化技術(shù)，三是增加化學(xué)處理過(guò)程，四是增加深度處理。生物強化技術(shù)是一種通過(guò)向廢水處理系統中投加從自然界中篩選的高效功能菌株，達到對某一種或某一類(lèi)有害物質(zhì)的去除或某方面性能改進(jìn)目的的環(huán)境生物新技術(shù)。該技術(shù)的應用方式主要分為直接投加功能菌株和投加固定化微生物兩種，具有微生物菌劑生長(cháng)繁殖快、分解效率高、作用針對性強、工程造價(jià)低、能耗低等優(yōu)點(diǎn)。目前利用微生物直投法對污水廠(chǎng)菌群改造的研究少見(jiàn)報道，大多數研究者僅限于小型試驗，缺少將生物強化技術(shù)應用到現場(chǎng)工程的研究實(shí)例。本實(shí)驗采用實(shí)驗室篩選得到的高效產(chǎn)蛋白酶、淀粉酶菌株及異養硝化-好氧反硝化菌株，制備成復合微生物菌劑，對蘇州市某工業(yè)園區污水處理廠(chǎng)活性污泥(含有大量食品和印染工業(yè)廢水)進(jìn)行菌群改造，增加有效菌群數量，改善其出水TN、氨氮(NH3-N)、COD以及活性污泥性能，提高系統活性污泥耐沖擊負荷。希望在節約能源的同時(shí)，二沉池出水水質(zhì)穩定達到一級A標準。

　　1、材料與方法

　　1.1 菌株來(lái)源及性能

　　采用本實(shí)驗室脫氮、脫碳菌庫中篩選出的8株菌，通過(guò)模擬含食品廢水的工業(yè)園區污水進(jìn)行定向馴化，復配制得復合微生物菌劑。復合菌劑的脫氮、脫碳、除磷及產(chǎn)酶活性已在定向馴化過(guò)程中測得，實(shí)驗結果見(jiàn)表1。8株菌均為兼性菌，單株菌可將NH3-N直接轉化為氮氣，脫氮途徑簡(jiǎn)捷、速度快，可實(shí)現同步生化/硝化/反硝化過(guò)程。7株菌可高效產(chǎn)蛋白酶、淀粉酶，將大分子有機物水解成小分子物質(zhì)。所測結果中蛋白酶活性定義為：在一定溫度和pH值條件下，每分鐘催化酪蛋白，水解生成1μg酪氨酸的酶量，為一個(gè)酶活力單位。淀粉酶活性定義為：在40℃，一定pH值條件下，5min內水解1mg淀粉的酶量，為一個(gè)酶活力單位，均以U/mL表示。L1-1、L2-3、WXZ-17(見(jiàn)表1中菌株命名上帶*者)為反硝化聚磷菌，其除磷原理為，以硝基氮或亞硝基氮為電子接受體的聚磷菌(常規聚磷菌是以氧氣為電子接受體)，可實(shí)現在有氧條件下既脫氮又除磷。

　　1.2 實(shí)驗方法

　　1.2.1 微生物菌劑的活化

　　嚴格配制培養基。將所配得培養基經(jīng)121℃高溫滅菌20min，取出冷卻后，在無(wú)菌操作室內從斜管中挑一環(huán)接種，再經(jīng)30℃、160r/min恒溫搖床培養24h。培養所得菌液經(jīng)3倍離心復配后，獲得目標菌液。菌液質(zhì)量濃度為1.225g/L。

　　活化培養基(g/L)：葡萄糖1，乙酸鈉0.5，酵母膏0.25，CaCl20.075，MgSO4·7H2O0.2，(NH4)2Fe(SO4)2·6H2O0.04，NH4Cl0.0625，NaNO30.0625，蛋白胨0.0625，KH2PO40.0021，K2HPO40.0028。

　　1.2.2 復合微生物菌劑的現場(chǎng)擴培

　　1)現場(chǎng)擴培。

　　將活化所得菌劑20L裝入塑料桶內帶至現場(chǎng)。為短時(shí)間內獲得大量菌劑，不考慮嚴格滅菌條件，通過(guò)4個(gè)不同體積的擴培罐逐級進(jìn)行培養，直至復合菌劑體積容量達到30m3。

　　培養基：擴培罐A、B、C、D所采用的培養基配制方法同活化培養基。30m3擴培池所采用的培養基配制方法為葡萄糖4kg/m3(COD約為4000mg/L)，尿素0.5kg/m3(TN約為100mg/L)，磷肥60g/m3(TP約為4mg/L)。

　　2)實(shí)驗裝置。

　　復合微生物菌劑現場(chǎng)擴培實(shí)驗裝置見(jiàn)圖1。擴培罐由圓柱形有機玻璃柱加工而成。在反應器壁的垂直方向設置排取樣口，用以取樣和排菌。以黏砂塊作為微孔曝氣器，采用鼓風(fēng)曝氣。距反應器底部一定高度設有排菌口。曝氣管由穿孔膠管連接而成，壓縮空氣經(jīng)轉子流量計控制流量后，再經(jīng)曝氣管釋放到反應器。進(jìn)水直接由反應器頂部加入。

　　本實(shí)驗有5種規格的擴培罐：擴培罐A直徑24cm，高46cm，有效容積為18L。擴培罐B直徑40cm，高80cm，有效容積為100L。擴培罐C直徑79cm，高80cm，有效容積為390L。擴培罐D直徑110cm，高107cm，有效容積為1000L。30m3擴培池長(cháng)3米，寬2米，深5米，有效容積為30m3。

　　1.2.3 復合微生物菌劑的投放

　　將復合微生物菌劑從A/O池的進(jìn)口端通過(guò)管道注入。投放時(shí)間為每日8：00，投放菌劑占全部污泥的體積比約為1：10。自2017年4月25日起投放，7月16日停止加菌，繼續運行兩個(gè)月，共計147d。由于外源微生物投加到新鮮污泥中會(huì )與污泥中原有的微生物種群形成一種選擇性和競爭性的生長(cháng)繁殖，菌劑的生長(cháng)需要一定的適應期，只有外源菌通過(guò)自身繁殖增加有效菌群含量，才能實(shí)現脫氮、脫碳、除磷，故將實(shí)驗期間數據分為4個(gè)階段，后續以二沉池數據進(jìn)行分析。

　　1)加菌前：4月20日—4月24日，共計5d。

　　2)菌群適應期：4月25日—5月7日，共計13d。

　　3)菌群穩定期：5月8日—7月16日，共計70d。

　　4)停止加菌：7月17日—9月18日，共計64d。

　　其中2)、3)、4)作為實(shí)驗運行期。

　　1.2.4取樣方式

　　1)擴培罐A、B、C、D菌液取樣方法：用錐形瓶從處于曝氣狀態(tài)下的擴培罐中移取適量體積且充分攪拌均勻后的菌液。

　　2)30m3擴培池菌液取樣方法：用重物將帶繩子的小桶垂入擴培池，從處于曝氣狀態(tài)下的擴培池中移取適量體積且攪拌均勻后的菌液，倒入錐形瓶。

　　3)調節池、生化池及二沉池取樣方法：用重物將帶繩子的小桶垂入池中，每日早8點(diǎn)從處于曝氣狀態(tài)下的池中移取適量體積且充分攪拌均勻后的污泥，倒入錐形瓶。

　　1.3 分析項目及檢測方法

　　CODCr測定采用重鉻酸鉀法測定，NH3-N測定采用水楊酸法，TN測定采用過(guò)硫酸鹽氧化法，均使用美國哈希水質(zhì)測定儀測定。pH值、DO采用WTW便攜式測定儀測定。菌體量采用光密度法，測量含菌培養液在600nm波長(cháng)處的吸光值。

　　2、結果與分析

　　2.1 復合微生物菌劑對生化池TN去除效果的影響

　　圖2為微生物菌劑添加前后進(jìn)出水TN去除情況。由于進(jìn)水夾雜高氮食品工業(yè)廢水，排放無(wú)規律，導致TN頻繁波動(dòng)。加菌前，調節池進(jìn)水TN質(zhì)量濃度為10~74mg/L，二沉池出水TN質(zhì)量濃度為7~25mg/L，說(shuō)明TN的偶有升高現象直接抑制或影響生化池微生物的代謝作用，導致出水TN超標。投加菌劑9d后，調節池進(jìn)水TN質(zhì)量濃度為9~78mg/L，二沉池出水TN質(zhì)量濃度降至0.4~5.2mg/L。菌群穩定期二沉池出水TN去除率是93.48%。加菌前背景值，二沉池出水TN去除率是55.10%。加菌后TN去除有了很明顯改善，在原有基礎上提高近70%，接下來(lái)的2個(gè)月基本維持在這個(gè)水平，說(shuō)明菌劑對污泥的適應性強，活性好。進(jìn)入菌群穩定期后，TN基本穩定，呈小范圍波動(dòng)，原因是系統內有效菌群含量增加，對含氮化合物降解能力加強。菌群穩定期后期，TN濃度漸趨平緩，表明所構建的菌群穩定有效，脫氮效果好。進(jìn)水隱藏的TN偶然變化是難以控制的，實(shí)驗后可以達到穩定的TN出水水質(zhì)，均達到一級A標準。實(shí)驗結果充分說(shuō)明，復配菌劑對TN去除已經(jīng)開(kāi)始發(fā)揮明顯功效，因而生化池中的活性污泥抗沖擊負荷能力顯著(zhù)提升。

　　2.2 復合微生物菌劑對生化池NH3-N去除效果的影響

　　二沉池NH3-N去除情況如圖3。自2017年4月25日開(kāi)始投加微生物菌劑，第10天表現出脫氮效果，NH3-N達到一級A排放標準，充分說(shuō)明實(shí)驗啟動(dòng)很成功。菌群穩定期二沉池出水NH3-N去除率是83.15%，對比加菌前背景值，二沉池出水NH3-N去除率是50.6%。加菌后NH3-N去除效果有了很明顯改善，在原有基礎上提高60%以上，接下來(lái)的2個(gè)月基本維持在這個(gè)水平。

　　2.3 復合微生物菌劑對生化池COD的影響

　　二沉池COD變化情況如圖4。自投加微生物菌劑第5天起，COD逐天降低，可能由于菌劑能分泌出大量胞外水解酶，促進(jìn)污水中大分子有機物分解成小分子物質(zhì)，再被其他微生物進(jìn)一步分解利用。菌群適應期，系統內污泥COD雖略有波動(dòng)，但后期基本穩定在35mg/L左右，實(shí)驗期間COD變化范圍為27~48mg/L，平均值為34.82mg/L。菌群穩定期二沉池出水COD去除率91.40%。加菌前背景值二沉池出水COD去除率85.32%，加菌后有極其穩定的COD出水水質(zhì)。實(shí)驗結果充分說(shuō)明，利用菌劑進(jìn)行脫碳過(guò)程中，不但不會(huì )對水質(zhì)造成影響，反而能夠提高系統對COD的去除率，該結果與已有研究一致。

　　2.4 復合微生物菌劑對生化池污泥濃度的影響

　　實(shí)驗前為了保證出水水質(zhì)達標，不得不加大回流污泥量，生化池中的污泥濃度(MLSS)基本維持在8000mg/L左右，甚至有時(shí)達到10000mg/L。隨之而來(lái)的問(wèn)題就是需要更大的曝氣量，而實(shí)驗開(kāi)始前生化池風(fēng)機的充氧能力已經(jīng)達到最高限。生物強化實(shí)驗的另一重要目的就是提高活性污泥的降解性能，在保證出水水質(zhì)提高的前提下，減少污泥濃度，起到節能作用。由于實(shí)驗數據過(guò)多，故選取生化池東線(xiàn)每10天污泥濃度數據為一組，計算均值，并繪制污泥濃度變化折線(xiàn)圖，見(jiàn)圖5。

　　從圖5可以看出，污泥總的變化趨勢從初期8000~10000mg/L，到加菌結束后穩定在5500~7000mg/L。4月20日—6月1日期間，數據的升高可能是由于實(shí)驗初期，剛加入系統的菌劑與系統內的土著(zhù)微生物存在競爭關(guān)系，菌群結構不穩定，再加上進(jìn)水濃度較高，系統內的微生物處理能力有限，導致菌株對有機物降解不*，進(jìn)而系統中的微生物以底泥的形式存留下來(lái)，表現為污泥濃度升高。在復配菌劑生長(cháng)成熟和反應池內土著(zhù)微生物形成菌群后(約6月1日前后)，出水TN、NH3-N、COD穩定達標，污泥濃度基本上呈現緩慢、持續式下降，回流污泥量回歸正常水平，直至9月初污泥濃度保持在6000mg/L左右，有效降低了氧的消耗。產(chǎn)生此現象的原因，一方面是由于添加外源菌使系統內的菌群結構更加穩定，生物強化作用增加，土著(zhù)微生物對污染物的利用更加充分，加快了對死泥的分解利用。另一方面菌劑的添加使系統內活性污泥活性更好，生命周期延長(cháng)，死泥的產(chǎn)生量較少。復配菌劑使系統中活性污泥的抗負荷能力增強，進(jìn)而出水水質(zhì)變好。新形成的菌群同時(shí)還具有顯著(zhù)提高進(jìn)水對系統的抗沖擊負荷能力，提高出水水質(zhì)的作用。投加的微生物菌劑成為優(yōu)勢菌種，在高效脫氮、脫碳情況下減少溶解氧的消耗，故可適當降低回流量，進(jìn)而降低污泥濃度。生化池中不再需要更多的曝氣量擬合系統，解決了能耗過(guò)大的問(wèn)題。

　　3、結論

　　1)復合菌劑注入生化池后，菌種在生化池中能夠很好地存活，在短期內迅速繁殖成為優(yōu)勢菌群。對摻雜食品廢水的工業(yè)污水中的高TN、NH3-N、COD均有較好的去除作用。

　　2)面對排放無(wú)規律、成分復雜的工業(yè)廢水，投加菌劑9d后，二沉池出水TN質(zhì)量濃度為0.4~5.2mg/L，TN去除率是93.48%。加菌前，背景值二沉池出水TN去除率55.10%，在原有基礎上提高近70%。進(jìn)水隱藏的TN偶然變化是難以控制的，實(shí)驗后可以達到穩定的TN出水水質(zhì)，即達到一級A標準。實(shí)驗結果充分說(shuō)明，復配菌劑已經(jīng)開(kāi)始發(fā)揮明顯功效，因而生化池中的活性污泥抗沖擊負荷能力顯著(zhù)提升。

　　3)于生化池投加菌劑第10天起，NH3-N含量逐日降低。第15天時(shí)，NH3-N基本穩定，呈小范圍波動(dòng)。加菌后NH3-N去除有了很明顯改善，在原有基礎上提高60%以上，且停止加菌后的2個(gè)月基本維持在這個(gè)水平，說(shuō)明菌劑可有效脫氮。

　　4)于生化池投加菌劑第5天起，COD逐日降低。15d后，系統內污泥COD含量雖略有波動(dòng)，但后期基本穩定在35mg/L左右。加菌后二沉池出水COD去除率是91.40%，對比加菌前有極其穩定的COD出水水質(zhì)，這是由于菌劑能分泌出大量的胞外水解酶，促進(jìn)污水中的大分子有機物分解成小分子物質(zhì)，再被其他微生物進(jìn)一步分解利用。

　　5)復配菌劑生長(cháng)成熟并和曝氣池內土著(zhù)微生物形成共生菌群后，停止加菌2個(gè)月，并在此期間控制回流污泥，從而將生化池中污泥濃度持續降低(從9000mg/L降低到6000mg/L左右)。復合菌劑在高效脫氮、脫碳情況下，能夠減少溶解氧的消耗，降低污泥濃度，解決了污水廠(chǎng)廢水處理中能耗過(guò)大的問(wèn)題。