污水處理小型化設備介紹活性污泥應用

1 引言

　　目前，生物脫氮技術已被廣泛應用在污水處理系統中.其中的硝化作用包括氨氧化細菌(AOB)將氨氮(NH+4-N)轉化為亞硝酸鹽氮(NO-2-N)及亞硝酸鹽氧化細菌(NOB)再將NO-2-N轉化成硝酸鹽氮(NO-3-N)的過程.由于硝化細菌較低的增長速率及對pH、溶解氧濃度、溫度、有毒化學品等具有*的敏感性，因此，硝化作用一直被視為脫氮過程中的限速步驟.

　　重金屬銅(Cu)是一種重要工業原材料，被廣泛用于制革、電鍍、金屬加工等行業，其中，金屬加工、電鍍工廠所排放的廢水中Cu2+含量zui高，濃度可達幾十至幾百mg · L-1.同時，含銅工業廢水還經常會進入市政污水系統，從而影響污水廠的生物硝化處理效果.研究發現，純培養的硝化細菌對Cu2+比較敏感，Cu2+的半抑制濃度(IC50)為13.3 mg · L-1.活性污泥體系中，硝化菌群對Cu2+的耐受性有所提高，50 mg · L-1的Cu2+可以抑制50%的NH+4-N降解速率.與其他重金屬(如Zn、Cd、Ni)相比，硝化性能受Cu抑制后需要更長的恢復時間.由于不同試驗中pH、污泥類型、污泥濃度及有機物質等因素的差別，因此，不同研究得到的Cu2+對活性污泥的抑制效果往往有差異，但幾乎所有的報道都認同高濃度的Cu2+對硝化反應的抑制作用.目前，已有的研究多從動力學角度考察Cu2+沖擊負荷對硝化效果的抑制，然而短期的沖擊實驗不足以反映受持續毒性的抑制情況，而針對Cu2+持續負荷及負荷結束后硝化性能變化的研究還相對較少.

　　因此，本文主要采用間歇式活性污泥反應器(SBR)，研究Cu2+持續負荷期間及結束后AOB和NOB硝化菌群活性的變化，通過檢測硝化效率、微生物活性、Cu分布特點等信息，探討Cu2+對生物硝化過程抑制的作用原理.

污水處理小型化設備介紹活性污泥應用

　　2 材料與方法

　　2.1 模擬生活污水和接種污泥

　　試驗采用人工模擬生活污水，模擬污水COD為500 mg · L-1，NH+4-N 75 mg · L-1，pH=7.5±0.5，具體組分為(mg · L-1)：*480，NH4Cl 75，KH2PO4 30，NaHCO3 350，MgSO4 · 7H2O 20，FeSO4 · 7H2O 2.5，ZnSO4 · 7H2O 0.25，CaCl2 · 2H2O 10，CoCl2 · 6H2O 0.00005，MoO3 0.0015.根據試驗需要向模擬生活污水中投加適量硫酸銅儲備液(Cu2+濃度25 g · L-1)，配置不同濃度的含Cu生活污水.在pH為7.5左右的含銅進水中，Cu2+可以和OH-(水解產物)、CO2-3(來自于350 mg · L-1 NaHCO3的HCO-3和CO2-3)、氨(來自于75 mg · L-1 NH4Cl的NH3)等形成溶解態Cu(OH)-n+2n、Cu(CO3)-2n+2n、 Cu(NH3)2+n等絡合物(后文統稱為Cu2+)，以及 Cu(OH)2和CuCO3等難溶物質.

　　接種污泥取自天津某污水處理廠A2O曝氣池，并用模擬生活污水在SBR中馴養至出水NH+4-N穩定小于0.5 mg · L-1后開始試驗.

　　2.2 試驗裝置

　　反應器有效容積5 L，內徑為100 mm，總高850 mm(圖 1).SBR運行參數：自控裝置控制運行周期，處理水量為2.5 L · 周期-1，每周期6 h，包括進水5 min，曝氣240 min，靜沉75 min，排水10 min，靜置30 min;溫度(25.0±0.5)℃.進水水箱中設有循環泵，確保進水成份均勻.曝氣時控制反應器內DO≥2 mg · L-1.實驗過程中平均1天排1次泥，保證MLSS為5000 mg · L-1左右，污泥齡約為6 d.

　　圖 1 SBR反應器裝置圖

　　2.3 試驗方法

　　試驗采用5個相同的SBR反應器進行持續負荷試驗.其中1個反應器為對照體系，進水始終為不含Cu2+的模擬污水.另外4個反應器在第1~20周期內的進水為不含Cu2+的模擬污水，該階段為初始階段;第21周期后，4個反應器的進水變為含Cu2+濃度分別為10、20、30和50 mg · L-1的模擬污水，該階段為抑制階段;當各反應器的出水NH+4-N保持穩定后，停止向進水中加Cu2+，系統進入恢復階段.

　　2.4 生物活性的表征

　　AOB、NOB及異養菌的活性主要用氨氧化比耗氧速率(SOURNH4)、亞硝酸鹽氮氧化比耗氧速率(SOURNO2)和碳氧化比耗氧速率(SOURorg.C)來表征.活性污泥各項SOUR的測定參見文獻.微生物活性的抑制率I用下式計算：

　　式中，SOURck為對照組SOUR(mg · g-1 · min-1，以MLSS計)，SOURexp為各實驗組SOUR(mg · g-1 · min-1，以MLSS計).

　　恢復期，投加Cu2+的4個反應器出水中NH+4-N和NO-3-N濃度變化率分別用kNH4和kNO3表示，其中，kNH4、kNO3可以用來評價AOB和NOB菌群的恢復速率.

　　式中，CNH4是出水中NH+4-N濃度(mg · L-1)，CNO3是出水中NO-3-N濃度(mg · L-1)，t是周期數，kNH4為恢復期NH+4-N的消耗速率(mg · L-1· 周期-1)，kNO3為恢復期NO-3-N的生成速率(mg · L-1· 周期-1).

　　2.5 反應體系中Cu的分布

　　反應器體系內的總銅、溶解態銅、活性污泥內部的銅、活性污泥表面吸附的銅可以反映銅在體系內的分布，結合硝化作用的抑制可分析出銅對硝化細菌的影響.測定活性污泥內部的銅主要運用洗脫液(1 mmol · L-1 EDTA，pH=7.0，0.1 mol · L-1 NaCl)洗脫泥樣后測定的方法.洗脫液使活性污泥表面吸附的銅解吸附，洗脫后殘留在泥樣內的銅被認為是進入細胞內部的銅.將用洗脫液洗脫后的泥樣、過濾后的水樣、泥水混合樣加酸進行微波消解后，用火焰原子吸收儀測定銅的濃度，分別得到活性污泥內部的銅、溶解態銅、總銅含量.總銅減去溶解態銅和活性污泥內部的銅后可得到活性污泥表面吸附的銅.

　　2.6 常規測試項目

　　COD：COD消解儀+分光光度法;NH+4-N：納氏試劑分光光度法;硝酸鹽氮：酚二磺酸光度法;亞硝酸鹽氮：N-(1-萘基)-乙二胺光度法;MLSS：重量法;DO和pH：在線測定儀.