梁 政
(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,北京102600)
鐵路沿線的會(huì)讓站、越行站、獨(dú)立的工區(qū)、橋隧守護(hù)點(diǎn)、區(qū)間牽引變電所等單位絕大多數(shù)位于城鎮(zhèn)市政排水設(shè)施覆蓋之外,具有排放量小、水質(zhì)污染濃度低等特點(diǎn)。針對(duì)這些特點(diǎn),實(shí)際工程中多采用厭氧生物濾池(AF)對(duì)這些場(chǎng)所的生活污水進(jìn)行處理,處理后的污水多用于綠化、農(nóng)業(yè)灌溉等。
我國(guó)幅員遼闊,各地海拔高差、南北緯度相差很大,氣象條件大不相同。在相對(duì)溫暖、炎熱的中部、南方地區(qū),中小車(chē)站厭氧濾池一般運(yùn)行比較穩(wěn)定,出水水質(zhì)能滿足國(guó)家GB8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中的Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn),具體指標(biāo)如表1。
表1 厭氧濾池進(jìn)、出水水質(zhì)指標(biāo) 單位:mg/L
在氣候寒冷、氣溫長(zhǎng)年偏低的東北、西北地區(qū),系統(tǒng)收集到的污水水溫普遍較低,冬季難以達(dá)到10 ℃以上。由于厭氧反應(yīng)器對(duì)溫度有很高的要求,在寒冷地區(qū)繼續(xù)采用厭氧生物濾池處理后尾水不能達(dá)標(biāo)排放。另外,東北、西北地區(qū)冬季嚴(yán)寒而漫長(zhǎng),普遍存在季節(jié)性凍土,一些地區(qū)凍土深度甚至超過(guò)3m,考慮到施工難度、系統(tǒng)維護(hù)及結(jié)構(gòu)合理性,厭氧濾池不能埋設(shè)太深,難以避免受到凍土層的影響。
厭氧反應(yīng)過(guò)程的影響因素主要包括內(nèi)部因素和外在因素兩類(lèi):基礎(chǔ)因素(主要包括有機(jī)負(fù)荷、營(yíng)養(yǎng)比、污泥濃度、混合接觸狀況等),外在因素(包括pH值、溫度、毒性物質(zhì)、氧化還原電位等[1])。
按照3種不同嗜溫厭氧菌(5 ℃~20 ℃;20 ℃~42 ℃;42 ℃~75 ℃)工程上分為低溫厭氧(15 ℃~20 ℃)、中溫厭氧(30 ℃~35 ℃)、高溫厭氧(50 ℃~55 ℃)3種。溫度對(duì)厭氧反應(yīng)尤為重要,當(dāng)溫度低于最優(yōu)下限溫度時(shí),每下降1 ℃,效率下降11%。在上述范圍,溫度在1 ℃~3 ℃的微小波動(dòng),對(duì)厭氧反應(yīng)影響不明顯,但溫度變化過(guò)大(急速變化),則會(huì)使污泥活力下降,產(chǎn)生酸積累等問(wèn)題[3]。
溫度對(duì)CODCr的去除率影響如圖1,對(duì)厭氧微生物活性的影響如圖2。
圖1 溫度去除率
圖2 溫度與厭氧生物活性
在低溫(10 ℃以下)條件下采用厭氧反應(yīng)器處理低濃度的鐵路生活污水,出水難以達(dá)到Ⅱ級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。如果繼續(xù)采用優(yōu)點(diǎn)眾多的厭氧生物濾池工藝,需要認(rèn)真研究。
1.2.1 pH
厭氧水解酸化工藝,對(duì)pH要求范圍較松,即產(chǎn)酸菌的pH應(yīng)控制4~7范圍內(nèi);產(chǎn)甲烷反應(yīng)控制范圍6.5~8.0,最佳范圍為6.8~7.2。
1.2.2 營(yíng)養(yǎng)物
厭氧反應(yīng)池營(yíng)養(yǎng)物比例為C∶N∶P=(350~500)∶5∶1。
1.2.3 氧化還原電位
水解階段氧化還原電位為-100~+100mV,產(chǎn)甲烷階段的最優(yōu)氧化還原電位為-150~-400mV。
1.2.4 有毒有害物
抑制和影響厭氧反應(yīng)的有害物主要有:無(wú)機(jī)物、有機(jī)化合物、生物異型化合物。
鐵路中小車(chē)站排放的污水性質(zhì)為生活污水,污水中不存在有毒有害物,其pH值、氧化還原電位、營(yíng)養(yǎng)物一般符合厭氧反應(yīng)的水質(zhì)條件。
1.3.1 水力停留時(shí)間(HRT)
保持進(jìn)水濃度不變,水力停留時(shí)間的變化不僅影響泥水在厭氧反應(yīng)器中的接觸時(shí)間,更影響到反應(yīng)器有機(jī)負(fù)荷率的大小,隨著HRT的降低,反應(yīng)器的有機(jī)負(fù)荷率會(huì)大幅增加,從而影響運(yùn)行效果。
1.3.2 污泥負(fù)荷(NS)
增加污泥負(fù)荷,初期CODCr去除率會(huì)暫時(shí)下降,但經(jīng)過(guò)一段穩(wěn)定運(yùn)行后,正常溫度下去除率會(huì)慢慢穩(wěn)定,在一定運(yùn)行狀態(tài)下逐步提高污泥負(fù)荷,不會(huì)對(duì)反應(yīng)器的運(yùn)行造成不良影響。
自然界中大部分甲烷是在低溫環(huán)境下形成,隨著嗜冷產(chǎn)甲烷微生物的分離 (最低生長(zhǎng)溫度-2 ℃~5 ℃)等一系列研究,已證明嗜冷消化的可行性。另一方面,生態(tài)學(xué)者認(rèn)為各種低溫生態(tài)系統(tǒng)中,甲烷的生成是由嗜冷產(chǎn)甲烷古菌群落與其他微生物群落的相互營(yíng)養(yǎng)作用決定[2]。因此,通過(guò)添加特定低溫水解菌群的菌株或者馴化的菌群,可為有機(jī)物厭氧降解及達(dá)標(biāo)排放提供一個(gè)方向。
厭氧消化存在水解酸化和厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣兩個(gè)生化階段,考慮在這兩個(gè)階段馴化、優(yōu)選出低溫厭氧細(xì)菌和低溫厭氧生物添加劑。
2.1.1 水解產(chǎn)酸階段
水解性細(xì)菌生長(zhǎng)代謝中產(chǎn)生的一系列酶類(lèi),如蛋白酶、纖維素酶、淀粉酶和脂酶,這些酶是大分子有機(jī)化合物分解的主要催化劑,活性大小決定了厭氧發(fā)酵的速度[4]。通過(guò)分離和選擇在低溫條件下能大量分泌蛋白酶、淀粉酶和脂酶的細(xì)菌進(jìn)行混合培養(yǎng),并篩選在厭氧低溫條件下能促進(jìn)厭氧菌群生長(zhǎng)代謝的細(xì)菌,如糞鏈球菌及其他一些有益細(xì)菌進(jìn)行混合培養(yǎng),這些細(xì)菌同纖維素分解菌共同組成了有益微生物菌群[3]。鏈球菌污泥顆粒(SEM)照片如圖3。
2.1.2 厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣階段
圖3 鏈球菌
嗜冷產(chǎn)甲烷菌對(duì)于自然界的碳素循環(huán)具有非常重要的意義,近年來(lái)引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。利用嗜冷產(chǎn)甲烷菌實(shí)現(xiàn)低溫厭氧生物處理過(guò)程,可從本質(zhì)上突破低溫厭氧工藝的技術(shù)瓶頸,進(jìn)而大大拓展厭氧生物處理技術(shù)的應(yīng)用范圍并降低廢水處理的成本。產(chǎn)甲烷菌污泥顆粒(SEM)照片如圖4。
圖4 產(chǎn)甲烷菌
實(shí)際工程中,在北方寒冷地區(qū)沼澤地采集底泥,底泥內(nèi)棲息著大量天然的低溫甲烷菌。采用培養(yǎng)甲烷菌用的BalchM培養(yǎng)基,并用丙酸鉀代替乙酸鈉和甲酸鈉,用丙酸鉀及豬糞水作底物。在溫度10 ℃條件下馴化培養(yǎng)1年,然后再以纖維素(濾紙粉末)為基質(zhì)在室溫下培養(yǎng)2個(gè)月后作菌種使用[5]。就低溫馴化菌群而言,可以解決部分不可培養(yǎng)細(xì)菌(特別是產(chǎn)甲烷菌)的問(wèn)題,但馴化周期較長(zhǎng)、微生物互生關(guān)系復(fù)雜,對(duì)不同底物及溫度變化的適應(yīng)性有限。
經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間低溫條件培養(yǎng),可以篩選出嗜冷菌群或者使普通的中溫菌群產(chǎn)生低溫適應(yīng)性。但是,這個(gè)菌群對(duì)溫度上升非常敏感,容易失去低溫下保持的平衡,并且讓嗜中溫或高溫菌群迅速占據(jù)生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì),低溫適應(yīng)性也隨之減弱。因此氣溫變化從中溫轉(zhuǎn)入低溫厭氧時(shí),額外添加冷適應(yīng)菌群加快菌群調(diào)整是十分必要的[6]。
系統(tǒng)啟動(dòng)中投入嗜冷產(chǎn)甲烷菌等生物菌種后,在10 ℃,污泥負(fù)荷2kgCOD/(m3·d),厭氧濾池裝置對(duì)鐵路生活污水CODCr,TOC,SS的去除率如圖5~圖6。
圖5 CODCr去除率
圖6 TOC、SS去除率
厭氧顆粒污泥系統(tǒng)(如UASB),使微生物天然固化,進(jìn)而提高了系統(tǒng)內(nèi)微生物對(duì)污水的處理效能并增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
厭氧濾池(AF)對(duì)半速度常數(shù)低時(shí)能生長(zhǎng)的甲烷菌有選擇性,可降低出水VFA。對(duì)顆粒污泥的沉降性能也有很好的選擇性,可以增加反應(yīng)器容納的生物量,延長(zhǎng)SRT。
通過(guò)和其他反應(yīng)器比較可發(fā)現(xiàn),厭氧附著膜系統(tǒng)與厭氧顆粒污泥系統(tǒng)的結(jié)合(UBF)能夠充分發(fā)揮不同反應(yīng)器的運(yùn)行優(yōu)勢(shì),有效提升單個(gè)反應(yīng)器對(duì)污水中COD等的去除效率,有助于保障低溫條件下生活污水中污染物的高效去除[7]。
2.3.1 水力停留時(shí)間HRT
低溫環(huán)境下,水力停留時(shí)間8h,厭氧生物濾池的CODCr去除率可以達(dá)到54%,停留時(shí)間14h,CODCr去除率可以達(dá)到63%,但當(dāng)水力停留時(shí)間從14h增加到16h,去除率提高不明顯。因此,從工程經(jīng)濟(jì)性出發(fā),合理的HRT應(yīng)控制在14h以下。
2.3.2 污泥負(fù)荷NS
系統(tǒng)運(yùn)行成功的關(guān)鍵是使反應(yīng)器中微生物合成的生物量大于流失的生物量。低溫條件下污泥沉降性降低,即使加大容積負(fù)荷,提高HRT,污泥負(fù)荷也無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)條件,而且投資急劇升高。因此,低溫條件下厭氧生物濾池(AF)采用的污泥負(fù)荷一般為1.5~3kgCOD/(m3·d)。
北方寒冷地區(qū)低溫環(huán)境下僅靠調(diào)節(jié)HRT、NS等設(shè)計(jì)參數(shù),厭氧生物濾池既不經(jīng)濟(jì)也不能達(dá)標(biāo)排放。通過(guò)在系統(tǒng)中接種、投加優(yōu)選出的嗜冷厭氧細(xì)菌,在低溫條件下也可采用較低的污泥負(fù)荷,當(dāng)溫度從20 ℃降低到10 ℃以下時(shí),溫度降低所產(chǎn)生的沖擊可以考慮由嗜冷生物量的比例增大來(lái)補(bǔ)償,具有十分重要的工程意義。
通過(guò)優(yōu)選出嗜冷厭氧細(xì)菌及改進(jìn)工程措施后,厭氧生物濾池在啟動(dòng)40d后CODCr去除率就能夠穩(wěn)定在60%以上,SS去除率也能達(dá)到40%,表明在低溫條件下處理鐵路低濃度生活污水達(dá)到Ⅱ級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)是可行的。
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