食品廢水中菌群改造應(yīng)用生物強(qiáng)化技術(shù)

食品廢水中菌群改造應(yīng)用生物強(qiáng)化技術(shù)

園區(qū)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(jī)物、TN、脂肪及懸浮物含量高等特點(diǎn)。我國(guó)地方城鎮(zhèn)污水處理廠大多含有屠宰、肉類加工、食品發(fā)酵等廢水，尋求更加經(jīng)濟(jì)高效的污水處理新方法勢(shì)在必行。

　　目前，我國(guó)對(duì)城鎮(zhèn)污水處理主體工藝的改造一般有4種方式：一是對(duì)原有的活性污泥工藝進(jìn)行調(diào)整，二是生物強(qiáng)化技術(shù)，三是增加化學(xué)處理過程，四是增加深度處理。生物強(qiáng)化技術(shù)是一種通過向廢水處理系統(tǒng)中投加從自然界中篩選的高效功能菌株，達(dá)到對(duì)某一種或某一類有害物質(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(yīng)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(zhǎng)繁殖快、分解效率高、作用針對(duì)性強(qiáng)、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(duì)污水廠菌群改造的研究少見報(bào)道，大多數(shù)研究者僅限于小型試驗(yàn)，缺少將生物強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)工程的研究實(shí)例。本實(shí)驗(yàn)采用實(shí)驗(yàn)室篩選得到的高效產(chǎn)蛋白酶、淀粉酶菌株及異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌株，制備成復(fù)合微生物菌劑，對(duì)蘇州市某工業(yè)園區(qū)污水處理廠活性污泥(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(shù)量，改善其出水TN、氨氮(NH3-N)、COD以及活性污泥性能，提高系統(tǒng)活性污泥耐沖擊負(fù)荷。希望在節(jié)約能源的同時(shí)，二沉池出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

　　1、材料與方法

　　1.1 菌株來源及性能

　　采用本實(shí)驗(yàn)室脫氮、脫碳菌庫中篩選出的8株菌，通過模擬含食品廢水的工業(yè)園區(qū)污水進(jìn)行定向馴化，復(fù)配制得復(fù)合微生物菌劑。復(fù)合菌劑的脫氮、脫碳、除磷及產(chǎn)酶活性已在定向馴化過程中測(cè)得，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。8株菌均為兼性菌，單株菌可將NH3-N直接轉(zhuǎn)化為氮?dú)?，脫氮途徑?jiǎn)捷、速度快，可實(shí)現(xiàn)同步生化/硝化/反硝化過程。7株菌可高效產(chǎn)蛋白酶、淀粉酶，將大分子有機(jī)物水解成小分子物質(zhì)。所測(cè)結(jié)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(nèi)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(guī)聚磷菌是以氧氣為電子接受體)，可實(shí)現(xiàn)在有氧條件下既脫氮又除磷。

　　1.2 實(shí)驗(yàn)方法

　　1.2.1 微生物菌劑的活化

　　嚴(yán)格配制培養(yǎng)基。將所配得培養(yǎng)基經(jīng)121℃高溫滅菌20min，取出冷卻后，在無菌操作室內(nèi)從斜管中挑一環(huán)接種，再經(jīng)30℃、160r/min恒溫?fù)u床培養(yǎng)24h。培養(yǎng)所得菌液經(jīng)3倍離心復(fù)配后，獲得目標(biāo)菌液。菌液質(zhì)量濃度為1.225g/L。

　　活化培養(yǎng)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(fù)合微生物菌劑的現(xiàn)場(chǎng)擴(kuò)培

　　1)現(xiàn)場(chǎng)擴(kuò)培。

　　將活化所得菌劑20L裝入塑料桶內(nèi)帶至現(xiàn)場(chǎng)。為短時(shí)間內(nèi)獲得大量菌劑，不考慮嚴(yán)格滅菌條件，通過4個(gè)不同體積的擴(kuò)培罐逐級(jí)進(jìn)行培養(yǎng)，直至復(fù)合菌劑體積容量達(dá)到30m3。

　　培養(yǎng)基：擴(kuò)培罐A、B、C、D所采用的培養(yǎng)基配制方法同活化培養(yǎng)基。30m3擴(kuò)培池所采用的培養(yǎng)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(yàn)裝置。

　　復(fù)合微生物菌劑現(xiàn)場(chǎng)擴(kuò)培實(shí)驗(yàn)裝置見圖1。擴(kuò)培罐由圓柱形有機(jī)玻璃柱加工而成。在反應(yīng)器壁的垂直方向設(shè)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(yīng)器底部一定高度設(shè)有排菌口。曝氣管由穿孔膠管連接而成，壓縮空氣經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制流量后，再經(jīng)曝氣管釋放到反應(yīng)器。進(jìn)水直接由反應(yīng)器頂部加入。

　　本實(shí)驗(yàn)有5種規(guī)格的擴(kuò)培罐：擴(kuò)培罐A直徑24cm，高46cm，有效容積為18L。擴(kuò)培罐B直徑40cm，高80cm，有效容積為100L。擴(kuò)培罐C直徑79cm，高80cm，有效容積為390L。擴(kuò)培罐D(zhuǎn)直徑110cm，高107cm，有效容積為1000L。30m3擴(kuò)培池長(zhǎng)3米，寬2米，深5米，有效容積為30m3。

　　1.2.3 復(fù)合微生物菌劑的投放

　　將復(fù)合微生物菌劑從A/O池的進(jìn)口端通過管道注入。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(xù)運(yùn)行兩個(gè)月，共計(jì)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(jìng)爭(zhēng)性的生長(zhǎng)繁殖，菌劑的生長(zhǎng)需要一定的適應(yīng)期，只有外源菌通過自身繁殖增加有效菌群含量，才能實(shí)現(xiàn)脫氮、脫碳、除磷，故將實(shí)驗(yàn)期間數(shù)據(jù)分為4個(gè)階段，后續(xù)以二沉池?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析。

　　1)加菌前：4月20日—4月24日，共計(jì)5d。

　　2)菌群適應(yīng)期：4月25日—5月7日，共計(jì)13d。

　　3)菌群穩(wěn)定期：5月8日—7月16日，共計(jì)70d。

　　4)停止加菌：7月17日—9月18日，共計(jì)64d。

　　其中2)、3)、4)作為實(shí)驗(yàn)運(yùn)行期。

　　1.2.4取樣方式

　　1)擴(kuò)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(kuò)培罐中移取適量體積且充分?jǐn)嚢杈鶆蚝蟮木骸?/p>

　　2)30m3擴(kuò)培池菌液取樣方法：用重物將帶繩子的小桶垂入擴(kuò)培池，從處于曝氣狀態(tài)下的擴(kuò)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(diào)節(jié)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?jǐn)嚢杈鶆蚝蟮奈勰啵谷脲F形瓶。

　　1.3 分析項(xiàng)目及檢測(cè)方法

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

　　2、結(jié)果與分析

　　2.1 復(fù)合微生物菌劑對(duì)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，排放無規(guī)律，導(dǎo)致TN頻繁波動(dòng)。加菌前，調(diào)節(jié)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，說明TN的偶有升高現(xiàn)象直接抑制或影響生化池微生物的代謝作用，導(dǎo)致出水TN超標(biāo)。投加菌劑9d后，調(diào)節(jié)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(wěn)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(chǔ)上提高近70%，接下來的2個(gè)月基本維持在這個(gè)水平，說明菌劑對(duì)污泥的適應(yīng)性強(qiáng)，活性好。進(jìn)入菌群穩(wěn)定期后，TN基本穩(wěn)定，呈小范圍波動(dòng)，原因是系統(tǒng)內(nèi)有效菌群含量增加，對(duì)含氮化合物降解能力加強(qiáng)。菌群穩(wěn)定期后期，TN濃度漸趨平緩，表明所構(gòu)建的菌群穩(wěn)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(yàn)后可以達(dá)到穩(wěn)定的TN出水水質(zhì)，均達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分說明，復(fù)配菌劑對(duì)TN去除已經(jīng)開始發(fā)揮明顯功效，因而生化池中的活性污泥抗沖擊負(fù)荷能力顯著提升。

　　2.2 復(fù)合微生物菌劑對(duì)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日開始投加微生物菌劑，第10天表現(xiàn)出脫氮效果，NH3-N達(dá)到一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)，充分說明實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)很成功。菌群穩(wěn)定期二沉池出水NH3-N去除率是83.15%，對(duì)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(chǔ)上提高60%以上，接下來的2個(gè)月基本維持在這個(gè)水平。

　　2.3 復(fù)合微生物菌劑對(duì)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(jī)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(yīng)期，系統(tǒng)內(nèi)污泥COD雖略有波動(dòng)，但后期基本穩(wěn)定在35mg/L左右，實(shí)驗(yàn)期間COD變化范圍為27~48mg/L，平均值為34.82mg/L。菌群穩(wěn)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(wěn)定的COD出水水質(zhì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分說明，利用菌劑進(jìn)行脫碳過程中，不但不會(huì)對(duì)水質(zhì)造成影響，反而能夠提高系統(tǒng)對(duì)COD的去除率，該結(jié)果與已有研究一致。

　　2.4 復(fù)合微生物菌劑對(duì)生化池污泥濃度的影響

　　實(shí)驗(yàn)前為了保證出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)，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(dá)到10000mg/L。隨之而來的問題就是需要更大的曝氣量，而實(shí)驗(yàn)開始前生化池風(fēng)機(jī)的充氧能力已經(jīng)達(dá)到最高限。生物強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)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(jié)能作用。由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)過多，故選取生化池東線每10天污泥濃度數(shù)據(jù)為一組，計(jì)算均值，并繪制污泥濃度變化折線圖，見圖5。

　　從圖5可以看出，污泥總的變化趨勢(shì)從初期8000~10000mg/L，到加菌結(jié)束后穩(wěn)定在5500~7000mg/L。4月20日—6月1日期間，數(shù)據(jù)的升高可能是由于實(shí)驗(yàn)初期，剛加入系統(tǒng)的菌劑與系統(tǒng)內(nèi)的土著微生物存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，菌群結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，再加上進(jìn)水濃度較高，系統(tǒng)內(nèi)的微生物處理能力有限，導(dǎo)致菌株對(duì)有機(jī)物降解不*，進(jìn)而系統(tǒng)中的微生物以底泥的形式存留下來，表現(xiàn)為污泥濃度升高。在復(fù)配菌劑生長(zhǎng)成熟和反應(yīng)池內(nèi)土著微生物形成菌群后(約6月1日前后)，出水TN、NH3-N、COD穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，污泥濃度基本上呈現(xiàn)緩慢、持續(xù)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(xiàn)象的原因，一方面是由于添加外源菌使系統(tǒng)內(nèi)的菌群結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，生物強(qiáng)化作用增加，土著微生物對(duì)污染物的利用更加充分，加快了對(duì)死泥的分解利用。另一方面菌劑的添加使系統(tǒng)內(nèi)活性污泥活性更好，生命周期延長(zhǎng)，死泥的產(chǎn)生量較少。復(fù)配菌劑使系統(tǒng)中活性污泥的抗負(fù)荷能力增強(qiáng)，進(jìn)而出水水質(zhì)變好。新形成的菌群同時(shí)還具有顯著提高進(jìn)水對(duì)系統(tǒng)的抗沖擊負(fù)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(shì)菌種，在高效脫氮、脫碳情況下減少溶解氧的消耗，故可適當(dāng)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(tǒng)，解決了能耗過大的問題。

　　3、結(jié)論

　　1)復(fù)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(nèi)迅速繁殖成為優(yōu)勢(shì)菌群。對(duì)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(duì)排放無規(guī)律、成分復(fù)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(chǔ)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(yàn)后可以達(dá)到穩(wěn)定的TN出水水質(zhì)，即達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分說明，復(fù)配菌劑已經(jīng)開始發(fā)揮明顯功效，因而生化池中的活性污泥抗沖擊負(fù)荷能力顯著提升。

　　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(wěn)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(chǔ)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(tǒng)內(nèi)污泥COD含量雖略有波動(dòng)，但后期基本穩(wěn)定在35mg/L左右。加菌后二沉池出水COD去除率是91.40%，對(duì)比加菌前有極其穩(wěn)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(jī)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(fù)配菌劑生長(zhǎng)成熟并和曝氣池內(nèi)土著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(xù)降低(從9000mg/L降低到6000mg/L左右)。復(fù)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，解決了污水廠廢水處理中能耗過大的問題。